DE102015207881A1 - Verfahren zur Überwachung eines SCR-Katalysators - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Überwachung eines SCR-Katalysators anhand einer Überwachung der Speicherkapazität des SCR-Katalysators für NH3 geht von einem Betriebspunkt des SCR-Katalysators im Bereich eines maximalen NH3-Füllstandes (71) aus. Zu Diagnosezwecken ist eine Phase mit gegenüber einer Normaldosierung verminderter oder ausgeschalteter Dosierung von Reduktionsmittel in den SCR-Katalysator als Entleertest (72) vorgesehen. Weiterhin ist es vorgesehen, anhand von wenigstens einem Kennwert, der von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators während der Phase der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung abhängig ist, auf die Speicherkapazität des SCR-Katalysators für NH3 zu schließen (77). Erfindungsgemäß wird der Entleertest (72) vorzeitig beendet, wenn anhand von wenigstens einem Kennwert, der von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators während der Phase der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung abhängig ist, auf einen Abfall der NOx-Konvertierungsrate zu schließen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines SCR-Katalysators anhand einer Überwachung der Speicherkapazität des SCR-Katalysators für Ammoniak (NH3) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere bei Kraftfahrzeugen bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich vermindert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Schärfere Gesetze im Bereich der Diagnose emissionsrelevanter Bauteile fordern im Rahmen einer On-Board-Diagnose (OBD) die Überwachung aller Abgasnachbehandlungskomponenten sowie der eingesetzten Sensorik im Hinblick auf die Einhaltung von OBD-Grenzwerten, die meist als Vielfaches der gesetzlich festgelegten Emissionsgrenzwerte angegeben werden.
  • Das Grundprinzip eines SCR-Katalysators besteht darin, dass Stickoxidmoleküle auf der Katalysatoroberfläche bei Vorhandensein von NH3 als Reduktionsmittel zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Die Eindosierung des Reduktionsmittels erfolgt üblicherweise in Form von wässriger Harnstofflösung, die über eine Dosiereinrichtung stromaufwärts des SCR-Katalysators eingedüst wird. Die erforderliche Dosierrate wird in einer elektronischen Steuereinheit bedarfsabhängig ermittelt, wobei in der Regel in der Steuereinheit die Strategien für den Betrieb und die Überwachung des SCR-Systems hinterlegt sind.
  • Die heute bekannten SCR-Katalysatoren speichern NH3 als Reduktionsmittel an der Katalysatoroberfläche. Die NOx-Konvertierung im SCR-Katalysator ist umso erfolgreicher, umso größer das Reduktionsmittelangebot im Katalysator ist, das heißt, umso mehr NH3 im Katalysator gespeichert ist. Der in diesem Zusammenhang verwendete Begriff „Füllstand” umschreibt die Masse des im SCR-Katalysator gespeicherten NH3. Solange die Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators für NH3 noch nicht ausgeschöpft ist, wird nicht verbrauchtes Reduktionsmittel gespeichert. Wenn die Dosiereinrichtung weniger Reduktionsmittel zur Verfügung stellt, als für die Konvertierung der aktuell im Abgas vorliegenden Stickoxide verbraucht wird, wird durch die weiterhin an der Katalysatoroberfläche stattfindende NOx-Konvertierung der NH3-Füllstand verringert.
  • Heute bekannte Dosierstrategien für SCR-Systeme verfügen über eine Füllstandsregelung, die einen Arbeitspunkt in Form eines Sollwertes für den NH3-Füllstand im SCR-Katalysator einstellt. Der Arbeitspunkt (Sollwert) wird auf der einen Seite so gewählt, dass der NH3-Füllstand hoch genug ist, um sowohl eine hohe NOx-Konvertierungsrate als auch einen NH3-Puffer für kurzfristig auftretende NOx-Spitzen in den Rohemissionen der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Auf der anderen Seite wird der Sollwert für den Arbeitspunkt so gewählt, dass er so weit wie möglich von der maximalen Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators für NH3 entfernt ist, um einen Schlupf von NH3 zu vermeiden.
  • Ein OBD-II-fähiges SCR-System verfügt zumindest über einen NOx-Sensor stromabwärts des SCR-Katalysators. Derzeit eingesetzte NOx-Sensoren zeigen in der Regel eine Querempfindlichkeit für NH3, so dass die NOx-Sensoren ein Summensignal aus NOx und NH3 messen. Ein Anstieg des Sensorsignals eines stromabwärts des SCR-Katalysators angeordneten NOx-Sensors kann daher sowohl auf eine sinkende NOx-Konvertierungsrate, also auf einen Anstieg der NOx-Konzentration, als auch auf einen Durchbruch von reinem Ammoniak, also auf einen Anstieg der NH3-Konzentration, hinweisen. Eine direkte Unterscheidung zwischen NOx und NH3 ist bei derartigen Sensoren nicht möglich.
  • Es ist bekannt, dass sich die NH3-Speicherfähigkeit eines SCR-Katalysators mit fortschreitender (thermischer) Alterung stark verringert. Die NH3-Speicherfähigkeit wird bereits als Diagnosemerkmal für eine Katalysatorüberwachung eingesetzt. So beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 029 740 A1 ein Verfahren zur Überwachung eines SCR-Katalysators anhand der NH3-Speicherfähigkeit, bei dem zunächst durch eine überstöchiometrische Reduktionsmittel-Dosierung (Überdosierung) der SCR-Katalysator bis zur maximal erreichbaren NH3-Speicherfähigkeit befüllt wird. Das Erreichen der maximalen Speicherfähigkeit wird anhand des Durchbrechens von reinem NH3 stromabwärts des SCR-Katalysators erkannt (NH3-Schlupf). Der NH3-Schlupf wird erkannt, indem eine den NOx-Umsatz charakterisierende Größe während der Überdosierungsphase kontinuierlich erfasst wird. Bei einem Abfall des NOx-Umsatzes wird darauf geschlossen, dass ein NH3-Schlupf vorliegt. Anschließend wird die Reduktionsmitteldosierung gegenüber der Normaldosierung vermindert (Unterdosierung) oder komplett ausgeschaltet, so dass im Zuge dieses sogenannten Entleertests die gespeicherte NH3-Masse durch die NOx-Reduktion allmählich wieder abgebaut wird. Anhand von Kennwerten, die von der NOx-Konvertierungsrate während dieser Entleertest-Phase abhängig sind, kann die nutzbare NH3-Speicherfähigkeit indirekt ermittelt werden, da bei geringerer gespeicherter NH3-Masse eine geringere NOx-Masse an der Katalysatoroberfläche konvertiert werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines SCR-Katalysators nutzt die Speicherkapazität des SCR-Katalysators für NH3 als Diagnosemerkmal. Die Erfindung geht von einem Verfahren aus, bei dem zu Diagnosezwecken eine Phase mit gegenüber einer Normaldosierung verminderter oder ausgeschalteter Dosierung von Reaktionsmittel in den SCR-Katalysator als Entleertest vorgesehen ist. Anhand von wenigstens einem Kennwert, der von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators während dieser Phase der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung abhängig ist, beispielsweise einer gemittelten NOx-Konvertierungsrate, ist es vorgesehen, auf die Speicherkapazität des SCR-Katalysators für NH3 als Diagnosemerkmal zu schließen. Die Phase mit der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung geht von einem Betriebspunkt des SCR-Katalysators aus, der sich im Bereich eines maximalen NH3-Füllstandes befindet. Erfindungsgemäß wird die Phase der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung, also der Entleertest, vorzeitig beendet, wenn anhand von wenigstens einem Kennwert, der von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators während der Phase der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung abhängig ist, auf einen dauerhaften Abfall der NOx-Konvertierungsrate zu schließen ist. Dem liegt zugrunde, dass die reguläre Dauer des Entleertests herkömmlicherweise so ausgelegt ist, dass während dieser Phase die an der Katalysatoroberfläche gespeicherte NH3-Masse für die NOx-Konversion verwendet wird. Nur wenn die Speicherkapazität des SCR-Katalysators nicht mehr ausreichend ist, ist die gespeicherte NH3-Masse nicht ausreichend, um eine befriedigende NOx-Konvertierungsrate während der Dauer des Entleertests aufrechtzuerhalten. Dies wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um den Entleertest gegebenenfalls vorzeitig zu beenden, sofern die NOx-Konvertierungsrate dauerhaft abfällt. Ein kurzzeitiger Abfall der NOx-Konvertierungsrate wird hierbei zweckmäßigerweise nicht berücksichtigt, da durch den in der Praxis üblichen instationären Fahrbetrieb der SCR-Wirkungsgrad bzw. die NOx-Konvertierungsrate immer gewissen Schwankungen unterworfen ist. Auf diese Weise kann die für eine Diagnose des SCR-Katalysators benötige Zeit gegenüber bisherigen Verfahren insbesondere im Fehlerfall verringert werden. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme der Emissionseinfluss während der Diagnose insgesamt reduziert. Durch die verringerte Diagnosedauer ist es möglich, die Diagnosehäufigkeit zu erhöhen, wodurch das Verhältnis zwischen In-Use (Monitoring) und Performance (die sogenannte IUMPR oder IUPR) verbessert werden kann, so dass gesetzliche Vorgaben noch besser erfüllt werden können. IUMPR (USA) oder IUPR (EU) bezeichnet dabei eine standardisierte, durch die jeweilige Gesetzgebung vorgegebene Berechnung der Diagnosehäufigkeit. Weiterhin tritt durch die verringerte Diagnosedauer weniger NOx-Schlupf während der Diagnose eines gegebenenfalls defekten SCR-Katalysators auf.
  • Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Durchführung des Entleertests kein Abfall der NOx-Konvertierungsrate feststellbar ist, wird der Entleertest regulär zu Ende geführt. Anschließend erfolgt eine Auswertung von während des Entleertests ermittelbaren Daten, um auf diese Weise, vergleichbar mit herkömmlichen Verfahren, auf die Größe der Speicherkapazität des SCR-Katalysators für NH3 rückschließen zu können und anhand dieses Diagnosemerkmals eine Bewertung des SCR-Katalysators vornehmen zu können. Wenn jedoch bereits während der Durchführung des Entleertests ein Abfall der NOx-Konvertierungsrate feststellbar ist, wird der Entleertest erfindungsgemäß vorzeitig beendet. In diesem Fall wird der SCR-Katalysator als defekt bewertet und es kann eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben werden.
  • Die reguläre Dauer des Entleertests wird üblicherweise so ausgelegt, dass eine vorgebbare NOx-Masse über die SCR-Katalysatoroberfläche im Verlauf des Entleertests strömt. Diese Auslegung erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der Temperatur, insbesondere von der Katalysatortemperatur, da die NH3-Speicherfähigkeit und auch die NOx-Konvertierungsrate temperaturabhängig sind. Jeder Katalysatortemperatur lässt sich daher eine bestimmte NOx-Masse für den Entleertest zuordnen. Die jeweilige NOx-Masse wird aus der NOx-Konzentration, die sich stromaufwärts des SCR-Katalysators befindet, berechnet, so dass sich hieraus die reguläre Dauer des Entleertests bestimmen lässt. Die Berechnung kann sich insbesondere auf gemessene Daten eines NOx-Sensors, der sich stromaufwärts des SCR-Katalysators befindet, oder gegebenenfalls auf Daten eines NOx-Rohemissionsmodells stützen. Da während des Entleertests kein Reduktionsmittel oder gegebenenfalls nur wenig Reduktionsmittel zugeführt wird, wird zur selektiven katalytischen Reduktion der Stickoxide im Wesentlichen nur die an der Katalysatoroberfläche gespeicherte NH3-Masse verwendet, die durch die NOx-Konversion abgebaut wird. Die für den Entleertest vorgesehene NOx-Masse (NOx-Massenschwellwert), die über die SCR-Katalysatoroberfläche strömen soll, wird zum einen so gewählt, dass nach der Durchströmung der NOx-Masse in einem neuen bzw. nicht gealterten SCR-Katalysator noch genügend NH3 gespeichert ist, um eine hohe NOx-Konvertierungsrate darzustellen. Dementsprechend bleibt während des regulären Entleertests die NOx-Konvertierungsrate bei einem neuen oder neuwertigen SCR-Katalysator während des gesamten Entleertests gleichmäßig hoch. Zum anderen sollte der NOx-Massenschwellwert so hoch gewählt werden, dass ein gealterter oder nicht mehr voll funktionsfähiger SCR-Katalysator mit einer insbesondere alterungsbedingt verringerten NH3-Speicherfähigkeit so weit entleert wird, dass die hohen NOx-Konvertierungsraten eines neuen oder neuwertigen SCR-Katalysators nicht mehr aufrechterhalten werden können. Der damit verbundene Abfall der NOx-Konvertierungsrate ist erfindungsgemäß durch Auswertung geeigneter Kennwerte bereits während der Durchführung des Entleertests gegebenenfalls feststellbar, so dass gegebenenfalls der Entleertest vorzeitig abgebrochen werden kann, um damit die Diagnosedauer zu verkürzen.
  • Um den Verlauf der NOx-Konvertierungsrate während der Durchführung des Entleertests zu beobachten und dabei Kennwerte zu ermitteln, die von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators abhängig sind, werden insbesondere Signalwerte eines stromabwärts des SCR-Katalysators angeordneten NOx-Sensors einbezogen. Aus diesen Signalen können die NOx-Konvertierungsrate oder andere geeignete Kennwerte berechnet werden. Bei der Berechnung können zusätzlich Signalwerte eines gegebenenfalls vorhandenen weiteren NOx-Sensors, der stromaufwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist, einbezogen werden. Zusätzlich oder alternativ können Werte aus einem NOx-Rohemissionsmodell für die NOx-Emissionen insbesondere stromaufwärts des SCR-Katalysators mit einbezogen werden. Insbesondere bei solchen Systemen, bei denen stromaufwärts des SCR-Katalysators kein NOx-Sensor vorgesehen ist, können die NOx-Konvertierungsrate oder andere, von der NOx-Konvertierungsrate abhängige Größen, unter Einbeziehung von berechneten Modellwerten für die NOx-Emissionen stromaufwärts des SCR-Katalysators bestimmt werden, wobei vorzugsweise diese Modelldaten zusammen mit Signalen eines NOx-Sensors stromabwärts des SCR-Katalysators in die Berechnung der NOx-Konvertierungsrate oder der anderen verwendeten Größen einfließen. Ein entsprechendes NOx-Rohemissionsmodell ist üblicherweise beispielsweise auf dem Motorsteuergerät vorhanden und kann für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden.
  • Die NOx-Konvertierungsrate bzw. der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators kann für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise als mittlerer Wirkungsgrad berechnet werden, der beispielsweise ab dem Start des Entleertests oder ab einem vorgebbaren Zeitpunkt nach dem Start des Entleertests ermittelt wird. Vorzugsweise erfolgt eine solche Berechnung kontinuierlich während der Durchführung des Entleertests, so dass ein Abfall bei der NOx-Konvertierung sofort erkannt werden kann.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter, zur Filterung von NOx-Sensorsignal- und/oder Modellwerten eingesetzt, so dass bei dynamischen NOx-Spitzen eine Signalglättung erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß kann der Entleertest vorzeitig beendet werden, wenn beispielsweise eine Steigung der berechneten NOx-Konvertierungsrate während des Entleertests über eine vorgebbare Zeitdauer bzw. dauerhaft negativ bleibt. Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäß beobachtete Größe (Kennwert) mit vorgebbaren Schwellenwerten verglichen werden. Beispielsweise kann der Entleertest vorzeitig beendet werden, wenn die berechnete NOx-Konvertierungsrate oder der berechnete mittlere Wirkungsgrad einen geeigneten vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet.
  • Wie weiter oben beschrieben, wird die Phase mit gegenüber einer Normaldosierung verminderten oder ausgeschalteten Dosierung (Entleertest) ausgehend von einem Betriebspunkt des SCR-Katalysators ausgeführt, der sich im Bereich eines maximalen NH3-Füllstandes befindet. Bei solchen SCR-Systemen, die so betrieben werden, dass der SCR-Katalysator immer oder in der Regel an der Grenze seiner NH3-Speicherfähigkeit betrieben wird, kann der Entleertest zu Diagnosezwecken ohne weitere Vorbereitung im Prinzip immer durchgeführt werden. Die Diagnose des SCR-Katalysators beschränkt sich dabei im Wesentlichen auf die Durchführung der Phase mit verminderter oder ausgeschalteter Dosierung (Entleertest), die erfindungsgemäß vorzeitig beendet werden kann, sobald die NOx-Konvertierungsrate abfällt. Durch diesen vorzeitigen Abbruch des Entleertests wird daher die Diagnose deutlich verkürzt und beschleunigt. Bei solchen Systemen, die an der Grenze ihrer NH3-Speicherfähigkeit betrieben werden, handelt es sich zum Beispiel um Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung (SCRF). Bei einem SCRF kann die SCR-Beschichtung auf dem Partikelfilter in der Regel weniger NH3-Füllstand bereitstellen als ein reiner SCR-Kat. Deshalb muss in der Regel die NH3-Speicherfähigkeit voll ausgenutzt werden, um genügend Puffer vorzuhalten. Ein anderes Beispiel für einen Betrieb eines SCR-Katalysators an der Grenze der NH3-Speicherfähigkeit liegt bei CV-Systemen mit nachgeschaltetem NH3-Schlupfkatalysator vor. Bei CV-Systemen werden in der Regel größere Katalysatoren als bei PKWs verwendet, wobei oftmals bei CV-Projekten der nominale NH3-Füllstand sehr nah an der Grenze zur maximalen Speicherfähigkeit appliziert wird, da bei LKW-Motoren in der Regel weniger innermotorische Maßnahmen zur NOx-Reduzierung vorgenommen werden und das SCR-System daher ständig mit den höchstmöglichen Konvertierungsraten (95–98%) betrieben werden muss. Bei solchen Systemen kann das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren daher mit ganz besonderem Vorteil eingesetzt werden, da die Diagnosedauer gegebenenfalls sehr stark verkürzt werden kann. Bei anderen Systemen, die im Regelfall nicht im Bereich ihrer maximalen NH3-Speicherfähigkeit betrieben werden, wird zweckmäßigerweise vor Durchführung des Entleertests eine Befüllphase durchgeführt. In dieser Phase erfolgt eine überstöchiometrische Dosierung von Reaktionsmittel in den SCR-Katalysator, so dass ein Betriebspunkt des SCR-Katalysators im Bereich eines maximalen NH3-Füllstandes erreicht wird. Diese Phase mit überstöchiometrischer Dosierung kann beispielsweise durchgeführt werden, bis eine NH3-Schlupfgrenze erreicht wird. In anderen Ausgestaltungen kann diese Überdosierungsphase bis zum Erreichen eines vorgebbaren, berechenbaren NH3-Füllstandes oder bis zum Erreichen einer vorgebbaren Reaktionsmittel-Gesamtdosiermenge durchgeführt werden.
  • Die Durchführung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens, bei dem gegebenenfalls der Entleertest vorzeitig abgebrochen wird, kann davon abhängig gemacht werden, dass kein ungleichmäßiges NOx-Rohemissionsniveau feststellbar ist. Ein ungleichmäßiges NOx-Rohemissionsniveau kann zum Beispiel bei ausgeprägt dynamischer Fahrweise auftreten. In diesen Fällen kann es durch das ungleichmäßige NOx-Rohemissionsniveau während des Entleertests zu falschen Rückschlüssen kommen, so dass bei einer messbaren, vermeintlich abfallenden NOx-Konvertierungsrate fälschlicherweise der Entleertest vorzeitig abgebrochen und der SCR-Katalysator als defekt bewertet wird. Da in diesen Fällen der Abfall der NOx-Konvertierungsrate andere Gründe haben kann, wird bei einem ungleichmäßigen NOx-Rohemissionsniveau in bevorzugter Weise der Entleertest bis zum regulär vorgesehenen Ende des Entleertests durchgeführt, um anschließend durch entsprechende Auswertung von Größen, die von der NOx-Konvertierungsrate über den gesamten Zeitraum des Entleertests abhängen, eine aussagekräftige Bewertung des SCR-Katalysators vornehmen zu können.
  • Das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren eignet sich im Prinzip für alle SCR-Katalysatorsysteme mit einem oder mehreren SCR-Katalysatoren. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren beispielsweise auch für Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung (SCRF).
  • Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Weiterhin umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens als Computerprogramm bzw. als maschinenlesbares Speichermedium oder als elektronisches Steuergerät hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren ohne Weiteres auch beispielsweise bei bestehenden Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, um so die Vorteile des Verfahrens nutzen zu können.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der Komponenten eines SCR-Katalysatorsystems (Stand der Technik);
  • 2 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der NOx-Konvertierungsrate und dem NH3-Füllstand eines SCR-Katalysators zur Verdeutlichung eines Arbeitspunktes als Füllstands-Sollwert während des standardmäßigen Betriebs einer Dosiereinrichtung für das Reduktionsmittel des SCR-Katalysators;
  • 3–6 schematische Darstellungen des Zusammenhangs zwischen der NOx-Konvertierungsrate und dem NH3-Füllstand eines SCR-Katalysators zur Illustrierung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens;
  • 7 schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • 1 zeigt in schematischer Weise die an sich bekannten Komponenten eines SCR-Katalysatorsystems. Im Abgasstrang 10 einer Brennkraftmaschine 11 ist ein SCR-Katalysator 12 angeordnet, der durch eine selektive katalytische Reduktion (SCR) selektiv Stickoxide im Abgas reduziert. Für die Reaktion wird Ammoniak (NH3), eingesetzt, das reduzierend wirkt. NH3 wird durch die Einspritzung einer flüssigen Harnstoffwasserlösung (Reduktionsmittellösung) über die Dosiereinrichtung 19 in den Abgasstrang 10 stromaufwärts des SCR-Katalysators 12 bedarfsabhängig eingebracht. Die wässrige Harnstofflösung wird in einem Reduktionsmitteltank 14 bevorratet, aus dem die Lösung mittels einer Förderpumpe 15 über die Druckleitung 16 der eigentlichen Dosiereinrichtung 19 zugeführt wird. Zur Überwachung der Stickoxidkonzentration im Abgas ist stromabwärts des SCR-Katalysators 12 ein NOx-Sensor 17 vorgesehen. In anderen Systemen kann ein weiterer NOx-Sensor stromaufwärts des SCR-Katalysators 12 angeordnet sein. Die Steuerung der Dosierung und die Erfassung und Auswertung der Stickoxidwerte erfolgt in einer Auswerteeinheit 18, insbesondere in einer Steuereinheit des SCR-Katalysatorsystems oder in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine.
  • Heute übliche Dosierstrategien für SCR-Systeme arbeiten mit einer NH3-Füllstandsregelung, die einen bestimmten Arbeitspunkt in Form eines Sollwertes für den NH3-Füllstand im SCR-Katalysator einstellen. 2 illustriert den Zusammenhang zwischen der NOx-Konvertierungsrate und dem NH3-Füllstand. Das Bezugszeichen 1 kennzeichnet den Arbeitspunkt AP1, der einen Sollwert für den NH3-Füllstand während eines standardmäßigen Betriebs der Dosiereinrichtung für das Reduktionsmittel des SCR-Katalysators darstellt. Der Verlauf 21 kennzeichnet den Anstieg der NOx-Konvertierungsrate bei einem „Befüllen” des SCR-Katalysators mit NH3. Der Verlauf 22 kennzeichnet den Abfall der NOx-Konvertierungsrate bei einem „Entleeren” des NH3-Speichers des SCR-Katalysators. Hieraus ergibt sich, dass bei einer überstöchiometrischen Dosierung des Reduktionsmittels und der damit bewirkten Anhebung der im SCR-Katalysator gespeicherten NH3-Masse die NOx-Konvertierungsrate steigt, oder, falls der SCR-Katalysator bereits am Bestpunkt betrieben wurde, die NOx-Konvertierungsrate gleichbleibt. Sinkt jedoch die gemessene NOx-Konvertierungsrate bzw. steigt das Sensorsignal des NOx-Sensors stromabwärts des SCR-Katalysators trotzdem an, so liegt dies an einer Verfälschung des Sensorsignals durch freies NH3, das den SCR-Katalysator verlässt. Dieser NH3-Schlupf ist durch den Verlauf 23 angedeutet. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass die maximale Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators erschöpft ist und dass die zu viel dosierte NH3-Masse ungenutzt die Katalysatoroberfläche passiert. Der Arbeitspunkt AP1 für den standardmäßigen Betrieb der Dosiereinrichtung wird daher so gewählt, dass auf der einen Seite ein ausreichender Puffer im Hinblick auf einen NH3-Schlupf vorhanden ist (Pfeil 24), und dass auf der anderen Seite ein ausreichender Puffer für auftretende NOx-Emissionsspitzen (Pfeil 25), gesichert ist.
  • 3 und 4 illustrieren den Verlauf der NOx-Konvertierungsrate, der anhand von Messdaten eines stromabwärts des SCR-Katalysators angeordneten NOx-Sensors beobachtbar ist, bei der Durchführung einer Überwachungsstrategie für einen SCR-Katalysator, wobei 3 den Verlauf bei einem neuen oder neuwertigen Katalysator und 4 den Verlauf bei einem gealterten Katalysator repräsentieren. Ausgehend von dem Arbeitspunkt AP1 (Bezugszeichen 1) als dem Sollwert für den NH3-Füllstand während des standardmäßigen Betriebs der Dosiereinrichtung, erfolgt eine überstöchiometrische Dosierung von Reduktionsmittel (Überdosierung), die als Pfeil 31 bzw. 41 dargestellt ist, bis die Speicherkapazität des SCR-Katalysators für NH3 ausgeschöpft ist. Das Erreichen der Speicherkapazitätsgrenze ist anhand eines ansteigenden Signals des NOx-Sensors stromabwärts des SCR-Katalysators feststellbar. Dieses ansteigende Signal (Verlauf 33 bzw. 43) ist auf den NH3-Schlupf zurückzuführen. Damit ist der maximale NH3-Füllstand erreicht. Alternativ zu einer NH3-Schlupferkennung kann beispielsweise die Phase der Überdosierung bis zur Dosierung einer vorgebbaren NH3-Gesamtmasse oder bis zum Erreichen eines definierten NH3-Füllstandes durchgeführt werden. Der resultierende Betriebspunkt des SCR-Katalysators im Bereich des maximalen NH3-Füllstandes ist hier als Arbeitspunkt AP2 (Bezugszeichen 2) gekennzeichnet. Anschließend wird zu Diagnosezwecken die Dosierung gegenüber einer Normaldosierung vermindert oder ausgeschaltet (Entleertest – Pfeil 32 bzw. 42 und 42'). Die Dauer für den regulären Entleertest (Pfeil 32 bzw. 42) wird so ausgelegt, dass eine vorgebbare NOx-Masse in den Katalysator eingeströmt ist. Der Entleertest 32 bzw. 42 kann beispielsweise so lange durchgeführt werden, bis 3.000 mg NOx über die Oberfläche des SCR-Katalysators geströmt ist. Das reguläre Ende des Entleertests ist in der 3 als Arbeitspunkt AP3 (Bezugszeichen 3) bezeichnet. In an sich bekannter Weise wird nach regulärer Beendigung des Entleertests die Dosierstrategie für die Diagnosezwecke beendet und es erfolgt eine Auswertung von Kennwerten, die auf die NOx-Konvertierungsrate während des Entleertests 32 rückschließen lassen, um eine Bewertung des SCR-Katalysators vornehmen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren (4) sieht vor, bereits während des Entleertests die NOx-Konvertierungsrate anhand von geeigneten Größen (Kennwerten) zu beobachten und den Entleertest abzubrechen, sobald ein Absinken der NOx-Konvertierungsrate feststellbar ist. Dieses Verfahren wird nachfolgend näher anhand der 4 erläutert, die die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem defekten SCR-Katalysator illustriert. In diesem Beispiel erfolgt ausgehend von dem Arbeitspunkt AP1 (Bezugszeichen 1) die Befüllphase 41 bis zum Erreichen eines Betriebspunktes im Bereich des maximalen NH3-Füllstandes als Arbeitspunkt AP2 (Bezugszeichen 2). Der Punkt AP2 ist hierbei durch die verminderte NH3-Speicherfähigkeit zu einem geringeren NH3-Füllstand verschoben. Das Erreichen des Arbeitspunktes AP2 ist beispielsweise anhand eines messbaren NH3-Schlupfes (Verlauf 43) feststellbar.
  • Alternativ kann die Phase der Überdosierung (Befüllphase 41) bis zur Dosierung einer vorgebbaren NH3-Gesamtmasse oder bis zum Erreichen eines definierten NH3-Füllstandes durchgeführt werden. Zweckmäßigerweise sollte die NH3-Gesamtmasse zwischen der Speicherfähigkeit eines neuen und der eines gealterten Katalysators liegen. Beispielsweise wird ein SCR-Katalysator mit einem nominalem NH3-Füllstand bei 2 g betrieben (AP1). Unter der Annahme, dass ein neuwertiger SCR-Katalysator eine NH3-Speicherfähigkeit von 6 g und ein gealterter Katalysator eine NH3-Speicherfähigkeit von 3 g aufweist, kann die vorgegebene NH3-Gesamtmasse beispielsweise 5 g betragen. 5 g sind bei dem gealterten Katalysator nicht erreichbar, so dass der Arbeitspunkt AP2 sich bei 3 g als maximal speicherbare Masse einstellt. Die in diesem Fall überschüssigen 2 g NH3 werden als NH3-Schlupf emittiert oder die Überdosierung kann gegebenenfalls nach einer Schlupferkennung abgebrochen werden.
  • Anschließend erfolgt durch eine verminderte oder ausgeschaltete Dosierung der Entleertest 42 bzw. 42'. Bei einer herkömmlichen Überwachungsstrategie würde der Entleertest 42 so lange durchgeführt werden, bis die vorgesehene Dauer des Entleertests abgelaufen ist. Dann wäre der Punkt 13 in Bezug auf den NH3-Füllstand erreicht. Anschließend würden eine Auswertung des Entleertests und eine Bewertung des SCR-Katalysators erfolgen. Im Gegensatz hierzu sieht die erfindungsgemäße Überwachungsstrategie vor, dass der Entleertest 42' dann abgebrochen wird, wenn ein dauerhaftes Absinken der NOx-Konvertierungsrate zu beobachten ist. Dieser Punkt ist in der 4 mit dem Bezugszeichen 13' bezeichnet. Bei der vorzeitigen Beendigung des Entleertests 42' wird sehr schnell erkannt, dass der SCR-Katalysator keine ausreichende NH3-Speicherkapazität besitzt, so dass der SCR-Katalysator sehr schnell als defekt bewertet werden kann. Die erfindungsgemäße Überwachungsstrategie führt also bei einem defekten SCR-Katalysator zu einem vorzeitigen Abbruch des Entleertests. Bei einem neuen oder neuwertigen SCR-Katalysator wird der Entleertest bis zum vorgesehenen Ende durchgeführt, da die NOx-Konvertierungsrate nicht abfällt.
  • Die 5 und 6 illustrieren die Durchführung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens bei einem SCR-Katalysator, der standardmäßig bei einem Arbeitspunkt 101 betrieben wird, der im Bereich der maximalen Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators für NH3 liegt. 5 repräsentiert dabei einen neuen oder neuwertigen Katalysator, 6 repräsentiert einen gealterten Katalysator. Der berechnete bzw. modellbasierte NH3-Füllstand, also der theoretische Arbeitspunkt, ist dabei jeweils gleich. Allerdings unterscheidet sich der reale Arbeitspunkt 101 in beiden Fällen, wobei der reale Arbeitspunkt 101 bei dem gealterten Katalysator (6) infolge der verringerten NH3-Speicherfähigkeit nach links verschoben ist. Oberhalb des Arbeitspunktes 101 tritt NH3-Schlupf 153 bzw. 163 auf. Eine Befüllphase für den SCR-Katalysator ist in diesem Fall nicht erforderlich. Die Dosierstrategie für das Überwachungsverfahren kann direkt mit dem Entleertest 152 bzw. 162, 162' begonnen werden. Bei einem neuen oder neuwertigen Katalysator (5) wird der Entleertest 152 bis zum vorgesehenen Ende durchgeführt, so dass der Punkt 103 erreicht wird, ohne das ein Absinken der NOx-Konvertierungsrate feststellbar wäre. Anschließend erfolgt eine Auswertung von Kennwerten, die die NOx-Konvertierungsrate während des Entleertests 152 repräsentieren. Anhand dieser Werte wird eine Bewertung des SCR-Katalysators vorgenommen. In der 6 ist der Verlauf des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens bei einem gealterten SCR-Katalysator dargestellt. Ausgehend von dem Arbeitspunkt 101 wird der Entleertest 162 bzw. 162' durchgeführt. Bei einem herkömmlichen Überwachungsverfahren würde der Entleertest 162 bis zum vorgesehenen Ende des Entleertests (Punkt 113) durchgeführt werden. Anschließend würde eine Auswertung des Entleertests erfolgen. Bei der erfindungsgemäßen Überwachungsstrategie wird der Entleertest 162' nur so lange durchgeführt, solange kein dauerhaftes Absinken der NOx-Konvertierungsrate feststellbar ist. Wenn ein Absinken der NOx-Konvertierungsrate feststellbar ist, wird der Entleertest vorzeitig abgebrochen (Punkt 113') und der SCR-Katalysator wird als defekt bewertet.
  • 7 fasst die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens in einem schematischen Ablaufdiagramm zusammen. Nach dem Start des Überwachungsverfahrens für den SCR-Katalysator wird in einem Schritt 71 zunächst überprüft, ob ein geeigneter Betriebspunkt für den Beginn der Diagnosestrategie vorliegt, wobei ein geeigneter Betriebspunkt im Bereich eines maximalen NH3-Füllstandes des SCR-Katalysators liegt. Wenn ein geeigneter Betriebspunkt nicht vorliegt, kann die Überprüfung zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt werden, beispielsweise nachdem geeignete Maßnahmen zur Einstellung des Betriebspunktes, beispielsweise eine Befüllphase, durchgeführt wurden. Wenn der geeignete Betriebspunkt vorliegt, erfolgt eine Unterdosierungsphase 72, bei der die Dosierung des Reduktionsmittels gegenüber einer Normaldosierung vermindert oder ausgeschaltet wird (Entleertest). Im Verlauf des Entleertests 72 wird im Schritt 73 anhand geeigneter Kennwerte überprüft, ob die NOx-Konvertierungsrate abfällt. Ist dies der Fall, wird im Schritt 74 der Entleertest 43 vorzeitig abgebrochen und darauf geschlossen, dass der SCR-Katalysator defekt ist. Dadurch kann die Diagnosedauer insbesondere bei einem defekten SCR-Katalysator erheblich verkürzt werden. Wenn bei der Überprüfung im Schritt 73 festgestellt wird, dass kein wesentlicher Abfall der NOx-Konvertierungsrate vorliegt, wird im Schritt 75 überprüft, ob die reguläre Dauer für den Entleertest bereits erreicht ist. Ist dies noch nicht der Fall, wird der Entleertest 72 fortgeführt. Ist dies jedoch der Fall, wird der Entleertest regulär beendet (Schritt 76) und es erfolgt eine Auswertung von Kennwerten aus der Phase des Entleertests in an sich bekannter Weise. Beispielsweise erfolgt im Schritt 77 ein Vergleich der Kennwerte aus dem Entleertest mit geeigneten Schwellenwerten. Liegt beispielsweise die gemittelte NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators während des Entleertests oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes (Mindest-NOx-Konvertierungsrate), wird im Schritt 78 darauf geschlossen, dass der SCR-Katalysator in Ordnung ist. Liegt beispielsweise die gemittelte NOx-Konvertierungsrate unterhalb des vorgebbaren Schwellenwertes, wird im Schritt 79 darauf geschlossen, dass der SCR-Katalysator defekt bzw. zu stark gealtert ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010029740 A1 [0007]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Überwachung eines SCR-Katalysators (12) anhand einer Überwachung der Speicherkapazität des SCR-Katalysators (12) für NH3, wobei, ausgehend von einem Betriebspunkt des SCR-Katalysators (12) im Bereich eines maximalen NH3-Füllstandes (71), zu Diagnosezwecken eine Phase mit gegenüber einer Normaldosierung verminderter oder ausgeschalteter Dosierung von Reduktionsmittel in den SCR-Katalysator (12) als Entleertest (72) vorgesehen ist und es weiterhin vorgesehen ist, anhand von wenigstens einem Kennwert, der von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators (12) während der Phase der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung abhängig ist, insbesondere anhand einer gemittelten NOx-Konvertierungsrate, auf die Speicherkapazität des SCR-Katalysators (12) für NH3 zu schließen (77), dadurch gekennzeichnet, dass der Entleertest (72) vorzeitig beendet wird (74), wenn anhand von wenigstens einem Kennwert, der von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators (12) während der Phase der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung abhängig ist, auf einen dauerhaften Abfall der NOx-Konvertierungsrate zu schließen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorzeitigen Beendigung des Entleertests der SCR-Katalysator (12) als defekt bewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Kennwertes, der von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators (12) abhängig ist, Signalwerte eines stromabwärts des SCR-Katalysators (12) angeordneten NOx-Sensors (17) einbezogen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Kennwertes weiterhin Signalwerte eines stromaufwärts des SCR-Katalysators (12) angeordneten NOx-Sensors und/oder Werte aus einem NOx-Rohemissionsmodell für NOx-Emissionen stromaufwärts des SCR-Katalysators (12) einbezogen werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kennwert, der von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators (12) während der Phase der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung abhängig ist, eine berechnete NOx-Konvertierungsrate ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kennwert, der von der NOx-Konvertierungsrate des SCR-Katalysators (12) während der Phase der verminderten oder ausgeschalteten Dosierung abhängig ist, ein mittlerer Wirkungsgrad des SCR-Katalysators (12) ist, wobei der mittlere Wirkungsgrad vorzugsweise ab dem Start des Entleertests oder ab einem vorgebbaren Zeitpunkt nach dem Start des Entleertests ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filterung, insbesondere eine Tiefpassfilterung, von Signalwerten des oder der NOx-Sensoren (17) und/oder von Werten aus einem NOx-Rohemissionsmodell vorgesehen ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beendigung des Entleertests erfolgt, sobald eine Steigung der berechneten NOx-Konvertierungsrate über eine vorgebbare Zeitdauer negativ bleibt und/oder sobald die berechnete NOx-Konvertierungsrate oder der berechnete Wirkungsgrad des SCR-Katalysators (12) einen vorgebbaren Schwellenwert unterschreiten.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebspunkt des SCR-Katalysators (12) im Bereich eines maximalen NH3-Füllstandes erreicht wird, indem eine Phase mit einer überstöchiometrischen Dosierung (31, 41) von Reduktionsmittel in den SCR-Katalysator (12) bis zum Erreichen einer NH3-Schlupfgrenze (33, 43) oder bis zum Erreichen eines vorgebbaren NH3-Füllstandes oder bis zum Erreichen einer vorgebbaren Reduktionsmittel-Gesamtdosiermenge durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem ungleichmäßigen NOx-Rohemissionsniveau der Entleertest bis zum regulär vorgesehenen Ende des Entleertests durchgeführt wird.
  11. Computerprogramm, das eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
  12. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.
  13. Elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
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