DE102017216082A1

DE102017216082A1 - Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems, welches einen ersten SCR-Katalysator und einen zweiten SCR-Katalysator aufweist

Info

Publication number: DE102017216082A1
Application number: DE102017216082.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Schweizer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-03-14
Also published as: CN109488421A; FR3071010B1; CN109488421B; US20190078481A1; FR3071010A1; US10753255B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (300) zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems, welches einen ersten SCR-Katalysator (12) und einen zweiten SCR-Katalysator aufweist, gekennzeichnet durch einen Schritt des Regelns (310) eines NH-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems, welches einen ersten SCR-Katalysator und einen zweiten SCR-Katalysator aufweist, ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium sowie ein elektronisches Steuergerät.
Stand der Technik
Um die immer strengeren Absatzgesetzgebungen (Euro6, Tier2Bin5 und weiterführende Emissionsvorschriften) zu erfüllen, ist es notwendig, Stickstoffoxide bzw. Stickoxide (NOx) im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, zu verringern. Hierzu ist bekannt, im Abgasbereich von Verbrennungskraftmaschinen einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) anzuordnen, der im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich verringert werden. Bei Ablauf der Reduktion wird Ammoniak (NH₃) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Daher werden NH₃ bzw. NH₃-abspaltende Reagenzien in den Abgasstrang eindosiert. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (HWL = Harnstoffwasserlösung) verwendet, die vor dem SCR-Katalysator im Abgasstrang eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Eine 32,5%ige wässriger Harnstofflösung ist unter dem Markennamen AdBlue^® kommerziell erhältlich. Um in einem SCR-Katalysatorsystem hohe Umsatzraten der zu reduzierenden Stickoxide zu erzielen, muss der SCR-Katalysator so betrieben werden, dass er ständig bis zu einem gewissen Niveau mit dem Reduktionsmittel Ammoniak befüllt ist. Der Wirkungsgrad eines SCR-Katalysators ist von der Temperatur, von der Raumgeschwindigkeit (RG) und ganz entscheidend auch von dessen NH₃-Füllstand abhängig.
SCR-Katalysatoren lagern durch Absorption an ihrer Oberfläche eine gewisse Menge Ammoniak an. Dadurch stehen zur NOx-Reduktion neben dem direkt zudosierten Ammoniak (als HWL) auch gespeichertes NH₃ zur Verfügung, wodurch sich der Wirkungsgrad gegenüber entleertem Katalysator erhöht. Das Speicherverhalten ist abhängig von der jeweiligen Betriebstemperatur des Katalysators. Je geringer die Temperatur ist, umso größer ist das Speichervermögen. Hat der Katalysator seinen Speicher vollständig gefüllt, kann es aber bei Lastsprüngen zu einem sogenannten Ammoniak-Schlupf kommen, auch wenn kein Reduktionsmittel mehr dosiert wird. Bei dem Ammoniak-Schlupf wird nur ein Teil des im Reduktionsmittel enthaltenen und stromauf des SCR-Katalysators in das Abgas eingeleiteten Ammoniaks mittels des SCR-Katalysators umgesetzt.
Wenn möglichst hohe NOx-Umsätze erzielt werden sollen, so ist es unumgänglich, das SCR-System bei einem hohen NH₃-Füllstand zu betreiben. Um den SCR-Wirkungsgrad nach Kaltstart, CO₂-neutral, schneller zu steigern wird der SCR-Katalysator näher am Motor verbaut und teilweise mit einem Dieselpartikelfilter (DPF) zu einem sogenannten SCRF-Katalysator (SCR-Katalysator auf Diesel Partikel Filter) zusammengefasst. Jedoch sind so dicht am Motor auch die Temperaturgradienten höher und das Temperaturniveau steigt im Vollastbereich auf ein für den SCR-Betrieb zu hohes absolutes Temperaturniveau an. Deshalb kommt in der Regel ein zweiter SCR-Katalysator, welcher gegebenenfalls unterflur angebracht wird, zum Einsatz. Für den Betrieb eines SCRF/SCR-Systems ist, insbesondere wenn zwei Dosierventile verwendet werden, für einen optimalen Betrieb bei sehr hohen NOx-Effizienzen ein optimales Zusammenspiel zwischen dem SCRF-Katalysator und dem zweiten SCR-Katalysator erforderlich. Bei Verwendung von zwei Dosierventilen ist das erste Dosierventil vor dem SCRF-Katalysator um das zweite Dosierventil vor dem zweiten SCR-Katalysator angebracht.
In modernen Systemen gibt es für einen SCRF-Katalysator zwei Sollfüllstände, einen Minimalstand bei reduziertem NOx-Wirkungsgrad ohne bzw. nur mit höherem NH₃-Schlupf und einen Maximalfüllstand für hohen NOx-Umsatz bei geringem NH₃-Schlupf bis ca. 200 ppm. Zuerst wird der SCRF-Katalysator bei Maximalfüllstand betrieben, der NOx-Wirkungsgrad ist sehr hoch, der entstehende NH₃-Schlupf wird vom zweiten SCR-Katalysator aufgenommen. Bei geringem NOx-Schlupf, aber hohem NH₃-Schlupf aus dem SCRF-Katalysator füllt sich der NH₃-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator schnell über den Minimalfüllstand des zweiten SCR-Katalysators an. Der Minimalfüllstand im zweiten SCR-Katalysator verursacht bereits hohen NOx-Umsatz, hat aber noch Füllstandskapazität für NH₃-Schlupf aus dem SCRF-Katalysator. Befindet sich der NH₃-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator oberhalb des Minimalfüllstands und unterhalb des Maximalfüllstands, so wird der NH₃-Sollfüllstand im SCRF-Katalysator entsprechend einem Interpolationsfaktor abgesenkt. Steigt der Füllstand im zweiten SCR-Katalysator bis zum Maximalfüllstand oder darüber hinaus, so wird der NH₃-Sollfüllstand im SCRF-Katalysator entsprechend auf Minimalfüllstand abgesenkt, sodass kein NH₃-Schlupf auftritt. Das beschriebene Verfahren funktioniert gut, ein System mit zwei SCR-Katalysatoren kann damit prinzipiell unter Kontrolle gebracht werden. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass erst auf die Reaktion des NH₃-Schlupfs, also auf den NH₃-Füllstand in zweiten SCR-Katalysator reagiert wird und nicht schon auf eine Abweichung des aktuellen NH₃-Schlupfs zum gewünschten NH₃-Schlupf reagiert wird. Das bedeutet, dass das Regelsystem schnell zum Überschwingen neigen kann und dass dabei möglicherweise NOx-Performance verloren geht.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems, welches einen ersten SCR-Katalysator und einen zweiten SCR-Katalysator aufweist, ist gekennzeichnet durch einen Schritt des Regelns eines NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator. Die Ausdrücke NH₃-Massenstrom und NH₃-Schlupf sollen synonym verstanden werden. Dies hat den Vorteil, dass der NH₃-Schlupf oder die Abweichung des NH₃-Schlupfs von einem Sollwert vor dem zweiten SCR-Katalysator viel früher feststellbar ist und somit viel früher Einfluss auf den Verlauf des NH₃-Füllstands im zweiten SCR-Katalysator genommen werden kann, als wenn ausschließlich auf den NH₃-Füllstand des zweiten SCR-Katalysators geregelt wird. Dieses Vorgehen verhindert ein starkes Überschwingen des NH₃-Füllstands im zweiten SCR-Katalysator und macht somit die Regelung viel genauer und robuster.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Regeln des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator dadurch, dass eine erste Regelung einen Istwert des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator auf einen Sollwert des NH₃-Massenstroms nach dem ersten Katalysator regelt. Die Regelung erreicht vorteilhafterweise, dass der Istwert auf den Sollwert geregelt wird.
Da in der Regel zwischen dem ersten SCR-Katalysator und dem zweiten SCR-Katalysator lediglich Sensoren angeordnet sind, soll in der Regel der Ausdruck „nach dem ersten SCR-Katalysator“ Synonym sein zu dem Ausdruck „vor dem zweiten SCR-Katalysator“.
Bevorzugt wird der Sollwert des NH₃-Massenstroms des ersten Katalysators durch ein Modell des zweiten SCR-Katalysators ermittelt. Zur Bestimmung des Sollwerts des NH₃-Massenstroms vor dem zweiten SCR-Katalysator kann ein geeignetes Katalysatormodel verwendet werden, welches in der Lage ist, einen realistischen NH₃-Massenstrom zu berechnen. Alternativ oder zusätzlich zu dem Modell kann der Sollwert des NH₃-Massenstroms auch analytisch berechnet werden.
Unabhängig davon, wie der Sollwert des NH₃-Massenstroms berechnet wird, kann die Frage gestellt werden, wie der NH₃-Massenstrom im optimalen Fall aussieht. Bei stationären Bedingungen und eingeregeltem NH₃-Füllstand im ersten SCR-Katalysator soll sich auch der NH₃-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator nicht ändern. Dies bedeutet, dass der NH₃-Massenstrom in zweiten SCR-Katalysator, welcher gleich der Summe aus dem NH₃-Massenstrom aus dem ersten SCR-Katalysator und der vor dem ersten SCR-Katalysator eindosierten Menge ist, stöchiometrisch gleich groß wie der NH₃-Verbrauch im zweiten SCR-Katalysator sein soll, welcher andererseits gleich dem Produkt aus dem NOx-Massenstrom nach dem ersten SCR-Katalysator und dem aktuellen Wirkungsgrad des zweiten SCR-Katalysators ist.
Wenn der NH₃-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator erhöht werden soll, so kann man dies entweder durch eine Erhöhung des NH₃-Massenstroms aus dem ersten SCR-Katalysator oder über ein Einspritzen von Ammoniak durch ein zweites Dosierventil vor dem zweiten SCR-Katalysator bewerkstelligen, falls ein solches zweites Dosierventil vorhanden ist.
Falls der NH₃-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator jedoch abgebaut werden soll, so muss der NH₃-Schlupf aus dem ersten SCR-Katalysator erniedrigt werden. Falls der NH₃-Sollwert aus dem SCR-Modell verwendet werden, so kann die Modellbedatung mit Hilfe von Simulationsverfahren aus Messungen iterativ optimiert werden. Hierbei soll eine maximal mögliche NOx-Gesamtperformance bei vertretbarem NH₃-Schlupf nach dem zweiten SCR-Katalysator erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist, falls der NH₃-Füllstand im ersten SCR-Katalysator stationär und eingeregelt ist, der NH₃-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator konstant. Dies hat den Vorteil eines stationären Zustandes, welchen man wie oben bereits dargelegt erzielen will.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform wird der Istwert des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator zwischen dem ersten SCR-Katalysator und dem zweiten SCR-Katalysator mithilfe eines Sensors gemessen. Bevorzugt ist der Sensor ein NH₃-Sensor. Die hat den Vorteil, dass der NH₃-Massenstrom sehr genau bestimmt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Ammoniakmassenstroms zwischen den beiden SCR-Katalysatoren jedoch auch mithilfe eines NOx-Sensors ermittelt werden, siehe Druckschrift DE 10 2016 201 602 A1 , welche ein Verfahren zur Ermittlung eines Ammoniakmassenstroms zwischen zwei hintereinander in einem Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysatoren offenbart. Dieser den Vorteil, dass ein NH₃-Sensor eingespart werden kann. Bei der Verwendung eines NH₃-Sensors erhält man einen sehr genauen Wert für den NH₃-Schlupf vor den zweiten SCR-Katalysator und kann somit aus dem Summensignal des auf NH₃ querempfindlichen NOx-Sensors den NOx-Massenstrom vor dem zweiten SCR-Katalysator ebenfalls genau bestimmen. In diesem Fall sind die genauen Werte der Massenströme von NOx und NH₃ vor den zweiten SCR-Katalysator bekannt.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Sollwert des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator als Produkt aus einem aktuellen Modellwirkungsgrad des zweiten SCR-Katalysators und einem NOx-Massenstrom vor dem zweiten SCR-Katalysator berechnet wird. Dieses Merkmal hat den Vorteil, dass in diesem Fall der NH₃-Massenstrom nach dem ersten SCR-Katalysator genauso groß ist wie der modellierte NH₃-Verbrauch im zweiten Katalysator. Dieser Sollwert des NH₃-Massenstroms entspricht dem NH₃-Verbrauch im zweiten SCR-Katalysator. Der NOx-Massenstrom vor dem zweiten SCR-Katalysator wird bevorzugt mit einem NOx-Sensor gemessen.
Der NH₃-Istwert kann z.B. schnell und einfach über die NOx-Wirkungsgradanforderung des Katalysatormodells des ersten SCR-Katalysators verändert werden. Für jeden SCR-Katalysator gibt es einen festen Zusammenhang zwischen NOx-Umsatz und NH₃-Schlupf bei gegebenem NH₃-Füllstand und SCR-Temperatur. Bei steigender NOx-Wirkungsgradanforderung erhält der Katalysator mehr Dosiermenge, zum einen direkt über die vergrößerte Vorsteuermenge und indirekt über die Regelverfahren, welche fortwährend für den NOx-Massenstrom nach dem zweiten SCR-Katalysator das Model mit dem durch den Sensor gemessenen Wert vergleichen. Mit dem physikalischen Füllstand steigt der NH₃-Schlupf entsprechend an. Eine Änderung der NOx-Wirkungsgradanforderung kann beim analytischen Katalysatormodell am besten durch eine Veränderung des Frequenzfaktors für NOx durchgeführt werden. Der Frequenzfaktor kann als Stellgröße für die Regelung dienen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verändert in Abhängigkeit von der Regelabweichung, welche einer Differenz des Istwerts des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator und dem Sollwert des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator entspricht, ein Reglerausgang der ersten Regelung den aktuellen Modellwirkungsgrad des Modells des zweiten SCR-Katalysators. Bevorzugt stellt der Reglerausgang über die Veränderung des im Modell verwendeten Frequenzfaktors für NOx im ersten SCR-Katalysator einen aktualisierten Modellwirkungsgrad ein.
Der Frequenzfaktor A der Arrhenius-Gleichung ist gemäß der Stoßtheorie das Produkt aus der Stoßzahl Z und dem Orientierungsfaktor P. Die Arrhenius-Gleichung beschreibt in der chemischen Kinetik für den Spezialfall monomolekularer Reaktionen die quantitative Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k von der Temperatur und lautet wie folgt: $k = A \cdot e^{- \frac{E_{A}}{R \cdot T}},$
wobei E_A die Aktivierungsenergie, R die universelle Gaskonstante und T die Temperatur ist.
Bevorzugt wird, falls eine Temperatur des ersten SCR-Katalysators kleiner als eine untere Temperaturschwelle oder größer als eine obere Temperaturschwelle ist, der Reglerausgang der ersten Regelung nicht verändert. Die untere Temperaturschwelle ist bevorzugt 250 °C. Die obere Temperaturschwelle ist bevorzugt 550 °C. Bei tiefen Temperaturen, z.B. kleiner als 250°C, kann der NH₃-Füllstand im ersten SCR-Katalysator nicht so stark angehoben werden, um NH₃-Schlupf zu generieren, was wegen notwendigem Füllstandsabbau bei Erwärmung auch nicht sinnvoll ist. Andererseits gibt es bei sehr hohen Temperaturen, z.B. größer als 550° C, Störeinflüssen wie beispielsweise Oxidation. Aus diesen Gründen sollte die Korrekturgröße in einem Bereich dazwischen begrenzt werden, was durch das angegebene Merkmal vorteilhafterweise erreicht wird.
Bevorzugt weist das oben genannte Verfahren eine zweite Regelung auf, welche den NH₃-Füllstand des zweiten SCR-Katalysators regelt. In der Regel ist der NH₃-Schlupf nach dem ersten SCR-Katalysator eine schnelle Regelgröße. Der in der Regel deutlich trägere NH₃-Füllstand des zweiten SCR-Katalysators wird bevorzugt über einen zweiten Regelkreis geregelt. Bevorzugt sind die erste Regelung und die zweite Regelung miteinander gekoppelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform regelt die zweite Regelung die Füllstande des ersten SCR-Katalysators und des zweiten SCR-Katalysators zwischen jeweils einem minimalen Füllstand und einem maximalen Füllstand. Hierbei wird der Füllstand des zweiten SCR-Katalysators auf den minimalen Füllstand des zweiten SCR-Katalysators geregelt, falls der erste SCR-Katalysator einen maximalen Füllstand aufweist. Bevorzugt wird der erste SCR-Katalysator auf den maximalen Füllstand geregelt, da der Gesamtwirkungsgrad des ersten und zweiten SCR-Katalysators maximal ist, wenn der erste SCR-Katalysator auf maximalen Füllstand und der zweite SCR-Katalysator auf minimalen Füllstand geregelt werden. Falls der erste SCR-Katalysator einen minimalen Füllstand und der zweite SCR-Katalysator einen maximalen Füllstand aufweist, so ist der Gesamtwirkungsgrad minimal.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste SCR-Katalysator so betrieben, dass stöchiometrisch gleich viel NOx-Massenstrom wie NH₃-Massenstrom erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass im zweiten SCR-Katalysator der NH₃-Füllstand konstant bleibt.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform wird der Sollwert des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator mit einem multiplikativen Korrekturfaktor multipliziert und hierzu ein Offset addiert. Hierbei sind sowohl der multiplikative Korrekturfaktor als auch der Offset anhand jeweils einer Kennlinie ausgewählt. Sowohl die Kennlinie für den multiplikativen Korrekturfaktor als auch die Kennlinie für den Offset weisen als Parameter eine zweite Regelabweichung auf, welche einer Differenz eines Sollwert des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators und eines Istwertes des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators entspricht. Mit den genannten Änderungen im Regelkreis, d.h. eine Änderung des Sollwert des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator im ersten Regelkreis durch Multiplikation mit dem Korrekturfaktor und einer eventuellen Addition des Offsets wird vorteilhafterweise erreicht, dass der NH₃-Füllstand des zweiten SCR-Katalysators geregelt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist, falls der Sollwert des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators gleich dem Istwert des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators ist, der multiplikative Korrekturfaktor gleich 1 und der Offset gleich Null. In diesem Fall ist der NH₃-Füllstand des zweiten Katalysators eingeregelt und es muss nicht weiter in die Regelung des ersten Regelkreises eingegriffen werden, deshalb ist der multiplikative Korrekturfaktor gleich 1 und der Offset gleich Null.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist, falls der Sollwert des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators größer als der Istwert des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators ist, der multiplikative Korrekturfaktor gleich 1 und der Offset größer als Null. In diesem Fall muss der NH₃-Füllstand des zweiten Katalysators erhöht werden. Dies erzielt man unter anderem dadurch, dass man den multiplikativen Korrekturfaktor auf 1 und den Offset auf einen Wert größer als Null setzt. Dadurch kann vorteilhafterweise der Istwert des NH₃-Füllstands erhöht werden.
Gemäß noch einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist, falls der Sollwert des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators kleiner als der Istwert des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators ist, der multiplikative Korrekturfaktor kleiner als und der Offset gleich Null. In diesem Fall muss der NH₃-Füllstand des zweiten Katalysators gesenkt werden. Dies erreicht man durch einen multiplikativen Korrekturfaktor kleiner als 1, da in diesem Fall der Sollwert des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator vorteilhafterweise erniedrigt wird.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem elektronischen Steuergerät oder Rechengerät abläuft. Dies ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, ein SCR-Katalysatorsystems, welches einen ersten SCR-Katalysator und einen zweiten SCR-Katalysator aufweist, zu betreiben.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt in schematischer Weise ein SCR-Katalysatorsystem, welches zwei SCR-Katalysatoren aufweist und welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
2 zeigt für eine bestimmte Temperatur eines typischen SCR-Katalysators die NOx- und NH₃-Emissionen nach dem SCR-Katalysator als Funktion eines NH₃-Füllstandes des SCR-Katalysators. Für einen solchen SCR-Katalysator werden unterschiedliche Betriebspunkte erklärt, welche für den ersten SCR-Katalysator gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt werden.
3 zeigt eine Signalflussdarstellung zur Arbeitsweise eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 4 zeigt eine Messung an einem SCR-Katalysatorsystems, welches zwei SCR-Katalysatoren aufweist, während das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
5 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems.

Ausführungsbeispiel der Erfindung
1 zeigt eine beispielhafte Anordnung der Komponenten in dem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mit zwei SCR-Katalysatoren. Bei einer solchen Abgasnachbehandlungsanlage ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil einsetzbar. Das Verfahren kann jedoch auch bei anderen Abgasnachbehandlungsanlagen eingesetzt werden, die zwei oder mehr SCR-Katalysatoren aufweisen. In dieser Ausgestaltung der Abgasnachbehandlungsanlage ist in Abgasströmrichtung zunächst ein Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) 10 vorgesehen, woran sich in Abgasströmrichtung eine Dosiereinrichtung 11 für das Reaktionsmittel der SCR-Einrichtungen anschließt. In Abgasströmrichtung danach ist ein erster SCR-Katalysator 12 vorgesehen, welcher als Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung (SCRF) ausgeführt ist. Hinter dem ersten SCR-Katalysator 12 ist ein zweiter SCR-Katalysator 13 angeordnet. Schließlich ist ein weiterer Katalysator, in diesem Fall ein Cleanup-Cat (CuC) 14 vorgesehen, um die Abgasnachbehandlung abzuschließen. Der Pfeil gibt die Flussrichtung des Abgases an. Weiterhin sind verschiedene Sensoren vorgesehen, insbesondere Stickoxidsensoren 15, ein NH₃-Sensor 16 sowie Temperatursensoren 17. Die mittels der Sensoren 15, 16 und 17 erfassbaren Werte werden für die Prozessführung eingesetzt.
In 2 sieht man das NOx-Sensorsignal 20 nach dem ersten SCR-Katalysator 12 aufgetragen. Da der NOx-Sensor querempfindlich auf NH₃ ist, ist das NOx-Sensorsignal 20 eine Summe des Einzelsignals 22 für NOx und des Einzelsignals 24 für NH₃ mit einem parabelartigen Verlauf. Das Einzelsignal 24 für NH₃ wurde mit einem NH₃ Sensor gemessen. Das Einzelsignal 22 für NOx kann dann als die Differenz aus dem NOx-Sensorsignal 20 und dem Einzelsignal 24 für NH₃ berechnet werden. Das NOx Sensorsignal 20 zeigt einen typischen Verlauf für einen herkömmlichen SCR-Katalysator für eine bestimmte Temperatur. Das NOx Sensorsignal 20 ist als Funktion des NH₃-Füllstands des ersten SCR-Katalysators 12 aufgetragen. Im Stand der Technik ist es bekannt, einen einzelnen SCR-Katalysator im Bereich D zu betreiben, wo der SCR-Katalysator einen kleinen NH₃-Füllstand aufweist und nahezu kein NH₃-Schlupf auftritt. Hierbei liegt der Betriebspunkt sicher auf der NOx-Seite, um eine stabile Systemadaption bzw. NOx-Regelung zu gewährleisten. Der Modell- bzw. Sollwert liegt so weit vom Minimum der Summenkurve weg, um die erforderliche Regelreserve zu erhalten.
Falls man ein System mit zwei SCR-Katalysatoren betreibt und stationäre Betriebsbedingungen erreicht hat, kann der Betriebspunkt B eingestellt werden, wo nach dem ersten SCR-Katalysator 12 stöchiometrisch gleich viel NOx wie auch NH₃-Schlupf erzeugt wird. Dies bedeutet, dass im zweiten SCR-Katalysator 13 der NH₃-Füllstand nicht verändert wird, weil das aus dem ersten Katalysator strömende NOx und NH₃ komplett umgesetzt werden. Falls aufgrund von einer dynamischen Änderung oder einer Störung im Gesamtsystem der NH₃-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator 13 erhöht werden soll, was einer Abkühlung des zweiten SCR-Katalysators 13 entspricht, so kann man den Betriebspunkt in Richtung C verschieben, wo mehr NH₃ als NOx bereitgestellt wird.
Falls der NH₃-Füllstand des zweiten SCR-Katalysator 13 abgesenkt werden soll, was einer Erwärmung des zweiten SCR-Katalysators 13 entspricht, so kann der Betriebspunkt in Richtung A verschoben werden, wo mehr NOx als NH₃ zur Verfügung steht.
Ein Vorteil hierbei ist, dass in den Betriebspunkten A, B oder C des ersten SCR-Katalysators 12 eines Gesamtsystems mit zwei SCR-Katalysatoren die NOx-Performance gegenüber dem herkömmlichen Betriebspunkt D deutlich erhöht ist. Mit der optimierten Auslegung kann der NOx-Schlupf in der Regel nach dem ersten SCR-Katalysator 12 gegenüber dem Betriebspunkt D eines herkömmlichen Verfahrens ungefähr halbiert werden.
Anhand der 2 sieht man, dass der NH₃-Schlupf die entscheidende Größe ist, um festzustellen, wo man sich denn genau befindet. Die Punkte A, B und C unterscheiden sich nur sehr geringfügig im Wirkungsgrad, das Einzelsignal 22 für NOx ist an dieser Stelle schon sehr flach. Viel deutlicher ist dabei der Unterschied des Einzelsignals 24 für NH₃, welches hier mit steigendem NH₃-Füllstand stark ansteigt. Dies bedeutet, dass man durch Umschalten zwischen den Punkten A, B und C den aus dem ersten SCR-Katalysator 12 emittierten NH₃-Massenstrom prozentual schnell ändern kann.
3 zeigt die grundsätzliche Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Signalflussdarstellung. Die erste Regelung, welche einen Istwert 100 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 auf einen Sollwert 101 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten Katalysator regelt, wird durch die Ermittlung einer Regelabweichung 102, welche durch den Minusoperator 104 realisiert wird, und eine danach folgende Kennlinie 106 realisiert. Wenn man vorerst den zweiten Regelkreis 110 nicht berücksichtigt, so wird durch den Minusoperator 104 der Sollwert 101 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 von dem Istwert 100 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 abgezogen, wodurch man die Regelabweichung 102 erhält. Die Kennlinie 106 ordnet der Regelabweichung 102 einen neuen Modellwirkungsgrad 108 zu, welcher dann im Wesentlichen dazu benutzt wird, den Sollwert 101 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten Katalysator anzupassen und somit erneut zu berechnen. Der Sollwert 101 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten Katalysator berechnet sich als das Produkt eines NOx-Massenstroms 112 vor dem zweiten SCR-Katalysator 13 und einem aktuellen Modellwirkungsgrad 114 des zweiten SCR-Katalysators 13. Der neue Modellwirkungsgrad 108 wird jedoch über eine temperaturabhängige Korrektur 116 zu einem korrigierten neuen Modellwirkungsgrad 109 korrigiert. Die temperaturabhängige Korrektur 116 hat zwei Eingänge für einen Ausgang einer Limitierungskennlinie 118 für einen maximalen Korrekturfaktor und für einen Ausgang einer Limitierungskennlinie 120 für einen minimalen Korrekturfaktor, wobei sowohl die Limitierungskennlinie 118 für einen maximalen Korrekturfaktor und eine Limitierungskennlinie 120 für einen minimalen Korrekturfaktor jeweils als Eingangsgröße eine mittlere Temperatur 122 des ersten SCR-Katalysators 12 haben. Die temperaturabhängige Korrektur 116 bewirkt, dass oberhalb einer oberen Temperaturschwelle und unterhalb einer unteren Temperaturschwelle der aktuelle Modellwirkungsgrad 114 nicht weiter verändert wird.
Die zweite Regelung 110 verändert nun die oben geschilderte erste Regelung wie folgt. Durch den Minusoperator 130 wird als Differenz eine zweite Regelabweichung 136 gebildet zwischen einem Sollwert 132 für den NH3-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator 13 und einem Istwert 134 für den NH₃-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator 13. Eine Kennlinie 140 ordnet der zweiten Regelabweichung 136 einen multiplikativen Korrekturfaktor 142 und eine Kennlinie 144 ordnet der zweiten Regelabweichung 136 einen Offset 146 zu. Der Sollwert 101 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 wird mit dem multiplikativen Korrekturfaktor 142 multipliziert und zu dem so erhaltenen Ergebnis wird der Offset 146 addiert, wodurch man einen korrigierten Sollwert 150 für den NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 erhält.
Unter Berücksichtigung der zweiten Regelung 110 wird die Regelabweichung 102 nun als Differenz des korrigierten Sollwerts 150 für den NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 und dem Istwert 100 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 gebildet.
Jeder Modellwirkungsgrad entspricht einem bestimmten Frequenzfaktor der Arrhenius-Gleichung für NOx. Da durch die oben geschilderte Regelung jedoch der Modellwirkungsgrad verändert wird, erhält man nicht einen bestimmten Frequenzfaktor, sondern einen Frequenzbereich für den ersten SCR-Katalysator 12. Dieser Frequenzbereich kann in einem weiteren übergeordneten Regelkreis bei auftretendem NH₃-Schlupf nach zweiten SCR-Katalysator 13 über eine Lebenszeit des Gesamtsystems angepasst werden.
In 4 zeigt eine Messung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer kritischen Situation. Hierbei wird eine ganze Reihe von Messgrößen als Funktion der Zeit erfasst. 4 weist vier Messfenster 190 auf. Im obersten Messfenster 190 ist eine Temperatur 200 im ersten SCR-Katalysator 12 und eine Temperatur 202 im zweiten SCR-Katalysator 13 dargestellt. In zweiten Messfenster 190 darunter sieht man einen minimalen NH₃-Füllstand 204 im ersten SCR-Katalysator 12, einen maximalen NH₃-Füllstand 206 im ersten SCR-Katalysator 12, einen Sollwert 208 für den NH₃-Füllstand im ersten SCR-Katalysator 12 sowie einen aktuellen NH₃-Füllstand 210 im ersten SCR-Katalysator 12. Im dritten Messfenster 190 ist ein minimaler NH₃-Füllstand 212 im zweiten SCR-Katalysator 13, ein maximaler NH₃-Füllstand 214 im zweiten SCR-Katalysator 13 und ein Sollwert 132 für den NH₃-Füllstand im zweiten SCR-Katalysator 13 zu sehen. Im vierten Messfenster 190 ist ein NH₃-Schlupf 218 nach dem ersten SCR-Katalysator 12, ein Sollwert 220 für den NH₃-Schlupf nach dem ersten SCR-Katalysator 12 und einen multiplikativen Korrekturfaktor 222 zu sehen.
Durch einen hohen Lastpunkt oder eine Regeneration im Stickoxid-Speicher-Katalysator (NSC, engl.: NOx Storage Catalyst) wird ein hoher Temperaturgradient verursacht. Diese Temperaturwelle erreicht den ersten SCR-Katalysator 12 und steigert innerhalb von ca. 25 sec die Katalysatortemperatur im ersten SCR-Katalysator 12 von knapp über 200° C auf ca. 400° C. Aufgrund der Temperaturzunahme sinkt zunächst der Sollwert 208 des NH₃-Füllstands im ersten SCR-Katalysator 12 und verzögert auch der Sollwert 132 des NH₃-Füllstands im zweiten SCR-Katalysator 13. Der Sollwert 220 für den NH₃-Schlupf nach dem ersten SCR-Katalysator 12 wird so ermittelt, dass der NH₃-Füllstand des zweiten SCR-Katalysators 13 möglichst im Korridor zwischen dem minimalen NH₃-Füllstand 212 und maximalen NH₃-Füllstand 214 bleibt. Falls die Temperatur 200 des ersten SCR-Katalysators 12 unterhalb von 280° C liegt, so sind Sollwert 220 des NH₃-Schlupfes und Istwert 218 des NH₃-Schlupfes nahe Null, siehe Temperatur 200, NH₃-Schlupf 218 nach dem ersten SCR-Katalysator 12 und Sollwert 220 für den NH₃-Schlupf nach dem ersten SCR-Katalysator 12 im Bereich zwischen 1675 und 1725 Sekunden. Ab ca. 280° C im ersten SCR-Katalysator 12 lässt die Limitierungskennlinie 120 für einen minimalen Korrekturfaktor des NH₃-Schlupfreglers eine Korrektur zu. Im weiteren Verlauf, siehe Bereich nach 1725 Sekunden, folgt der NH₃-Schlupf 218 nach dem ersten SCR-Katalysator 12 dem Sollwert 220 für den NH₃-Schlupf nach dem ersten SCR-Katalysator 12.
5 zeigt ein Verfahren 300 zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems, welches einen ersten SCR-Katalysator 12 und einen zweiten SCR-Katalysator 13 aufweist. In einem ersten Schritt 310 wird ein NH₃-Massenstrom nach dem ersten SCR-Katalysator 12 geregelt. Hierbei wird in einer ersten Regelung ein Istwert 100 des NH3-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 auf einen Sollwert 101 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten Katalysator 12 geregelt. Ferner wird der Sollwert 101 des NH₃-Massenstroms nach dem ersten Katalysator 12 durch ein Modell des zweiten SCR-Katalysators 13 ermittelt.
Der Sollwert 101 des NH3-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 wird als Produkt aus einem aktuellen Modellwirkungsgrad 114 des zweiten SCR-Katalysators 13 und einem NOx-Massenstrom 112 vor dem zweiten SCR-Katalysator 13 berechnet.
In einem zweiten Schritt 320 wird in Abhängigkeit von einer Regelabweichung 102, welche einer Differenz des Istwerts 100 des NH3-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 und des Sollwerts 101 des NH3-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 entspricht, ein Reglerausgang 108 der ersten Regelung den aktuellen Modellwirkungsgrad des Modells des zweiten SCR-Katalysators 13 verändert.
Hierbei wird, falls eine Temperatur des ersten SCR-Katalysators 12 kleiner als eine untere Temperaturschwelle oder größer als eine obere der Temperaturschwelle ist, der Reglerausgang 108 der ersten Regelung nicht verändert.
In einem weiteren Schritt 330 regelt eine zweite Regelung 110 den NH3-Füllstand des zweiten SCR-Katalysators 13. Die zweite Regelung 110 regelt die Füllstände des ersten SCR-Katalysators 12 und des zweiten SCR-Katalysators 13 zwischen jeweils einem minimalen Füllstand 204, 212 und einem maximalen Füllstand 206, 214, wobei, falls der erste SCR-Katalysator 12 einen maximalen Füllstand 206 aufweist, der Füllstand des zweiten SCR-Katalysators 13 auf den minimalen Füllstand 212 des zweiten SCR-Katalysators 13 geregelt wird.
Hierbei wird der Sollwert 101 des NH3-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator 12 mit einem multiplikativer Korrekturfaktor 142 multipliziert und hierzu ein Offset 146 addiert, wobei sowohl der multiplikative Korrekturfaktor 142 als auch der Offset 146 anhand jeweils einer Kennlinie 140, 144 ausgewählt sind, und wobei sowohl die Kennlinie 140 für den multiplikativen Korrekturfaktor 142 als auch die Kennlinie 144 für den Offset 146 als Parameter eine zweite Regelabweichung 136 aufweisen, welche einer Differenz eines Sollwert 132 des NH3-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators 13 und eines Istwertes 134 des NH3-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators 13 entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016201602 A1 [0014]

Claims

Verfahren (300) zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems, welches einen ersten SCR-Katalysator (12) und einen zweiten SCR-Katalysator (13) aufweist, gekennzeichnet durch einen Schritt des Regelns (310) eines NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator (12).
Verfahren (300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator (12) dadurch erfolgt, dass eine erste Regelung einen Istwert (100) des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator (12) auf einen Sollwert (101, 150) des NH₃-Massenstroms nach dem ersten Katalysator (12) regelt.
Verfahren (300) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (101, 150) des NH₃-Massenstroms nach dem ersten Katalysator (12) durch ein Modell des zweiten SCR-Katalysator (13) ermittelt wird.
Verfahren (300) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (101, 150) des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator (12) als Produkt aus einem aktuellen Modellwirkungsgrad (114) des zweiten SCR-Katalysators (13) und einem NOx-Massenstrom (112) vor dem zweiten SCR-Katalysator (13) berechnet wird.
Verfahren (300) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer Regelabweichung (102), welche einer Differenz des Istwerts (100) des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator (12) und dem Sollwert (101, 150) des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator (12) entspricht, ein Reglerausgang (108, 109) der ersten Regelung den aktuellen Modellwirkungsgrad des Modells des zweiten SCR-Katalysators (13) verändert (320).
Verfahren (300) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass falls eine Temperatur des ersten SCR-Katalysators (12) kleiner als eine untere Temperaturschwelle oder größer als eine obere der Temperaturschwelle ist, der Reglerausgang (108, 109) der ersten Regelung nicht verändert wird.
Verfahren (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Regelung (110), welche den NH₃-Füllstand des zweiten SCR-Katalysators (13) regelt (330).
Verfahren (300) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelung (110) die Füllstände des ersten SCR-Katalysators (12) und des zweiten SCR-Katalysators (13) zwischen jeweils einem minimalen Füllstand (204, 212) und einem maximalen Füllstand (206, 214) regelt, wobei, falls der erste SCR-Katalysator (12) einen maximalen Füllstand (206) aufweist, der Füllstand des zweiten SCR-Katalysators (13) auf den minimalen Füllstand (212) des zweiten SCR-Katalysators (13) geregelt wird.
Verfahren (300) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (101) des NH₃-Massenstroms nach dem ersten SCR-Katalysator (12) mit einem multiplikativen Korrekturfaktor (142) multipliziert und hierzu ein Offset (146) addiert wird, wobei sowohl der multiplikative Korrekturfaktor (142) als auch der Offset (146) anhand jeweils einer Kennlinie (140, 144) ausgewählt sind, und wobei sowohl die Kennlinie (140) für den multiplikativen Korrekturfaktor (142) als auch die Kennlinie (144) für den Offset (146) als Parameter eine zweite Regelabweichung (136) aufweisen, welche einer Differenz eines Sollwert (132) des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators (13) und eines Istwertes (134) des NH₃-Füllstands des zweiten SCR-Katalysators (13) entspricht.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ein SCR-Katalysatorsystems, welches einen ersten SCR-Katalysator (12) und einen zweiten SCR-Katalysator (13) aufweist, zu betreiben.