DE10327539A1 - Diagnose von Abgasemissionen - Google Patents

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DE10327539A1
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Christopher John Canton Mazur
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Abstract

Ein Abgasreinigungssystem eines Dieselmotors verwendet einen stromauf gelegenen Oxidationskatalysator und einen stromab gelegenen SCR-Katalysator, um NO¶x¶ in einer Umgebung von magerem Abgas zu reduzieren. Der Motor und der stromauf gelegene Oxidationskatalysator sind so gestaltet, daß sie bei dem in den stromab gelegenen Katalysator eintretenden Gas ein Verhältnis von NO zu NO¶2¶ von ca. 1 : 1 liefern. Auf diese Weise ist der stromab gelegene Katalysator gegenüber Schwefelkontamination unempfindlich, und erreicht auch einen verbesserten Gesamt-NO¶x¶-Umwandlungwirkungsgrad des Katalysators. Eine Qualitätsverschlechterung des Systems wird festgestellt, wenn das zugeführte Verhältnis nicht mehr in der Nähe des gewünschten Verhältnisses von 1 : 1 liegt. Dieser Zustand wird unter Verwendung von Messungen von Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise über einen stromab der Katalysatoren angeordneten NO¶x¶-Sensor, erfaßt. Schließlich findet eine Steuerungsmaßnahme statt, um die in das Abgas eingespritzte Menge des Reduktants auf der Grundlage des tatsächlichen Verhältnisses zwischen NO und NO¶2¶ stromauf von SCR-Katalysator und stromab vom Oxidationskatalysator anzupassen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung nach dem Kooperationsvertrag Nr. DE-FC26-01NT41103, welcher vom Energieministerium gewährt wurde, ausgearbeitet. Die Regierung hat bestimmte Rechte auf die Erfindung.
  • Die vorliegende Anmeldung ist mit Rückbezügen auf eine verwandte Anmeldung (202–0235) versehen, die gleichzeitig hiermit eingereicht wird und die Seriennummer trägt.
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf selektive katalytische Reduktion und insbesondere auf Verfahren zur Steuerung und zur Diagnose solcher katalytischen Reduktionen sowie für die Steuerung von mit solchen Katalysatorsystemen verbundenen Innenverbrennungsdieselmotoren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Innenverbrennungsdieselmotoren arbeiten üblicherweise vorrangig mit einem magereren als dem stöchiometrischen Gemisch. Entsprechend wurden verschiedene Abgasreinigungsvorrichtungen verwendet, um die durch den Motorbetrieb erzeugten NOx-Emissionen zu mindern. Eine solche Vorrichtung ist ein Lean-NOx-Katalysator. Ein Beispiel eines solchen Katalysators ist ein Katalysator mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR), der ein Reduktant, wie z.B. im Harnstoff enthaltenem Ammoniak, verwendet, um in einer sauerstoffreichen Atmosphäre NOx zu reduzieren. Andere Lean-NOx-Katalysatoren verwenden andere Reduktanten, wie z.B. Dieselkraftstoff oder sonstige Kohlenwasserstoffe, die im Abgas präsent sind.
  • Ein Verfahren zur Nutzung eines solchen Katalysators wird im US-Patent 5.891.409 beschrieben. Hier wird ein stromauf gelegener Oxidationskatalysator dazu verwendet, in Gegenwart von Sauerstoff NO in NO2 umzuwandeln. Anschließend wandelt ein stromab gelegener Katalysator NO2, N2 und H2O in Gegenwart von eingespritzten Kohlenwasserstoffen um.
  • Die Erfinder haben einen Nachteil eines solchen Systems erkannt. Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, daß solche katalytischen Systeme möglicherweise durch Schwefel beschädigt werden. Mit anderen Worten kann im Kraftstoff oder im Motoröl enthaltener Schwefel den Katalysator erreichen und eine Qualitätsverschlechterung der aktiven Komponenten des Katalysators verursachen. Eine solche Qualitätsverschlechterung kann zu erhöhten Emissionen führen. Weiter haben die Erfinder erkannt, daß diese Qualitätsverschlechterung durch Schwefel durch das Gemischverhältnis von NO zu NO2, die in den Katalysator eintreten, beeinflußt wird. Mit anderen Worten kann, wenn ein SCR-Katalysator stromab eines Oxidationskatalysators betrieben wird, ein Gemisch, das hauptsächlich aus NO2 besteht, zu einer schnellen Qualitätsverschlechterung und damit zu einem verschlechterten Emissionsverhalten führen.
    •
  • Nach einem Erfindungsmerkmal werden die obigen Nachteile durch ein Diagnosesystem für ein Abgassystem eines Diesel-Innenverbrennungsmotors überwunden. Das System umfaßt: einen stromauf gelegenen Oxidationskatalysator für die Umwandlung eines Teils von einströmendem NO in NO2, einen stromab gelegenen NOx-Katalysator für die Umwandlung wenigstens eines Teils der genannten NO und NO2, die den genannten stromauf gelegenen Oxidationskatalysator verlassen, in Stickstoff in Gegenwart eines Reduktanten, einen stromab vom genannten Lean-NOx-Katalysator angeschlossenen Sensor und ein Steuergerät für die Feststellung, ob der genannte stromauf gelegene Oxidationskatalysator am Ausgang ein vorgewähltes Verhältnis von NO zu NO2 liefert, was auf der Grundlage mindestens des genannten Sensors bestimmt wird, für die Feststellung, ob der genannte stromauf gelegene Katalysator innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches befindlich ist, und für die Lieferung einer Angabe der Qualitätsverschlechterung des genannten stromauf gelegenen Katalysators auf der Grundlage der genannten Feststellung.
  • Durch die Überwachung, ob das vorgewählte Verhältnis innerhalb akzeptabler Grenzen liegt, beispielsweise innerhalb von 50 % des molaren Verhältnisses von NO zu NO2 von 1:1, ist es möglich zu bestimmen, daß die Beeinträchtigung durch Schwefel im stromab gelegenen Katalysator entstehen kann, weil die Aufrechterhaltung des vorgewählten Verhältnisses zwischen NO und NO2 schlechter wird und es zu einem Abfall der NOx-Umwandlungswirkungsgrade kam. Mit anderen Worten kann mit der vorliegenden Erfindung erkannt werden, daß das Verhältnis von NO zu NO2 des in den stromab gelegenen Katalysator eintretenden Abgases geeignet ist, die NOx-Umwandlung zu beeinträchtigen und den stromab gelegenen Katalysator zu sulfatieren.
    •
  • Weitere erfindungswesentliche Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines Motors, bei dem die Erfindung vorteilhafterweise genutzt wird, und
  • 2 bis 4 Graphiken mit der Darstellung von Testergebnissen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, und
  • 5 ein Übersichtsflußdiagramm verschiedener durch einen Teil der in 1 gezeigten Ausführungsform ausgeführten Vorgänge.
  • Der Innenverbrennungsmotor 10, welcher eine Mehrzahl von Zylindern aufweist, von denen ein Zylinder in 1 gezeigt wird, wird durch ein elektronisches Mo torsteuergerät 12 gesteuert. Der Motor 10 weist einen Verbrennungsraum 30 und Zylinderwände 32 mit einem darin angeordneten und mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Kolben 36 auf. Der Verbrennungsraum 30 steht mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Abgaskrümmer 48 über ein Einlaßventil 52 bzw. ein Auslaßventil 54 in Verbindung. Der Ansaugkrümmer 44 wird auch so dargestellt, daß mit ihm ein Kraftstoffinjektor 80 verbunden ist, um flüssigen Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW aus dem Steuergerät 12 abzugeben. Die durch das Signal FPW gesteuerte Kraftstoffmenge und der Zündzeitpunkt sind beide einstellbar. Kraftstoff wird dem Kraftstoffinjektor 80 über ein an sich bekanntes (nicht gezeigtes) Diesel-Kraftstoffsystem, welches einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein (nicht gezeigtes) Kraftstoffverteilerrohr aufweist, zugeführt. Der in dem Kraftstoffsystem enthaltene Kraftstoff weist verschiedene Verunreinigungen auf und insbesondere unterschiedliche Mengen von Schwefel. Wie hierin beschrieben, führt Schwefel ständig zu Nachteilen im Zusammenhang mit der Beeinträchtigung von Katalysatoren durch Schwefel. Versuche, schwefelfreien Kraftstoff zu erhalten, waren bisher in den USA und in Europa erfolglos. Jedoch wurden erfindungsgemäß und wie hierin beschrieben ein System und ein Verfahren, bei denen die Wirkungen der Beeinträchtigung des Schwefels auf Katalysatoren minimiert werden können, gefunden und vorteilhaft genutzt.
  • Es wird erneut auf 1 Bezug genommen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Motor so gestaltet sein, daß der Kraftstoff direkt in den Zylinder des Motors eingespritzt wird, was dem Fachmann als ein Motor mit Direkteinspritzung bekannt ist. Das heißt, der Injektor 80 würde so angeordnet sein, daß er Kraftstoff direkt in den Zylinder 30 einspritzt.
  • Ein Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniak, Harnstoff oder Dieselkraftstoff, wird in einem mit dem Abgaskrümmer 48 stromab vom ersten Katalysator 95 und vom zweiten Katalysator 97 verbundenen Speichergefäß 130 eingelagert. Zunächst ist der Katalysator 95 ein Oxidationskatalysator, der einen Teil des einströmenden NO in NO2 verwandelt. Entsprechend ist Katalysator 97 ein Lean-NOx-Katalysator, welcher NOx in einer sauerstoffreichen Umgebung zu reduzieren vermag. In einem Beispiel ist der Katalysator 97 ein Harnstoff-SCR(selektive ka talytische Reduktion)-Katalysator. Der Wirkungsgrad des Katalysators 97 nimmt in Gegenwart eines reduzierenden Wirkstoffes zu und schwankt, wie nachstehend hierin beschrieben, in der Temperatur.
  • Das Steuerventil 134 steuert die Menge des den in die Katalysatoren 95 und 97 eintretenden Abgasen hinzugefügten Reduktionsmittels. In einem Beispiel ist das Reduktionsmittel Ammoniak, eine Harnstofflösung oder Dieselkraftstoff. Die Pumpe 132 setzt das dem Steuerventil 134 zugeführte Reduktionsmittel unter Druck. Die Pumpe 132 und das Steuerventil 134 werden beide durch das Steuergerät 12 gesteuert. Der NOx-Sensor 140 wird als stromab vom Katalysator 97 mit dem Auspuffkrümmer 48 verbunden dargestellt. Der Temperatursensor 142, der mit dem Katalysator 97 verbunden ist, liefert eine Angabe der Temperatur (T) des Katalysators 97. Alternativ kann die Katalysatortemperatur (T), wie später hierin unter besonderer Bezugnahme auf 6 beschrieben, geschätzt werden. Analog kann die erste Katalysatortemperatur (Tp) aus dem Sensor 143 ausgelesen oder unter Verwendung von dem Fachmann bekannten, auf der Abgastemperatur beruhenden Verfahren geschätzt werden.
  • Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Reduktant nicht stromauf des Katalysators 97, sondern stromab vom Katalysator 95 eingespritzt werden. In diesem Fall würde die Lage des Reduktantinjektors zwischen dem Katalysator 95 und dem Katalysator 97 liegen. Alternativ kann der Reduktantinjektor stromauf vom Oxidationskatalysator liegen.
  • Das Steuergerät 12 wird in 1 als ein an sich bekannter Mikrocomputer gezeigt, welcher aufweist: eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs/Ausgangsanschlüsse 104, einen elektronischen Speicherchip 106, einen Direktzugriftsspeicher 108 und einen an sich bekannten Datenbus. Das Steuergerät 12 erhält zusätzlich zu den oben erörterten Signalen verschiedene Signale aus mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren, hierin eingeschlossen: Motorkühlmitteltemperatur (ECT) aus dem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen Temperatursensor 112, eine Messung des Krümmerdrucks (MAP) aus einem mit dem Ansaugkrümmer 44 verbundenen Krümmerdrucksensor 116, eine Messung (AT) des Krümmerdrucks aus dem Temperatursensor 117, und ein Motordrehzahlsignal (RPM) aus dem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Motordrehzahlsensor 118. Der stromauf gelegene NOx-Sensor 139 liefert auch ein Signal an das Steuergerät 12, das eine Angabe der im Abgas erzeugten NOx-Menge (sowohl NO wie auch NO2) liefert. Alternativ kann dieser Sensor weggelassen werden, und das Steuergerät kann auf der Grundlage von Betriebsbedingungen, wie z.B. Motordrehzahl und Motorlast, eine Schätzung der durch den Motor erzeugten NOx generieren. Analog kann ein dritter NOx Sensor 141 optional stromab vom Oxidationskatalysator und stromauf vom SCR-Katalysator angeordnet werden.
  • Wie im folgenden umfassender beschrieben, ist es durch Aufrechterhalten eines Verhältnisses von nahezu 1:1 zwischen NO und NO2 vor dem Katalysator möglich, eine hohe Umwandlung sowohl von NO wie auch von NO2 auch in Gegenwart von Schwefel zu erhalten. Mit anderen Worten wird die Qualitätsverschlechterung des Katalysators durch Schwefel verzögert, wenn die Abgase so, wie oben beschrieben, geführt werden. Ein Vorteil davon ist die Fähigkeit, Kraftstoff zu tolerieren, der höhere Schwefelwerte aufweist, und gleichzeitig kann nach wie vor ein robustes Abgasreinigungssystem geliefert werden. Zusätzlich bringt eine Zuführgas-NOx-Zusammensetzung von 50 % NO und 50 % NO2 die schnellste NOx-Reduktionsreaktionsrate im SCR-Katalysator, wodurch die höchsten Werte von NOx-Umwandlungswirkungsgraden ermöglicht werden. Wenn jedoch der stromauf gelegene Oxidationskatalysator (der in einem Beispiel dieses bevorzugte Verhältnis zwischen NO und NO2 stromauf vom SCR-Katalysator schafft) beeinträchtigt wird, dann kann eine Beeinträchtigung durch Schwefel im stromab gelegenen Katalysator eintreten.
  • 2 zeigt experimentelle Daten eines SCR-Katalysators über verschiedene Temperaturen. Insbesondere zeigt die Figur NOx-Umwandlung von ungefähr 150°C bis ungefähr 550°C. Die durch eine Dreiecklinie angegebenen Datenpunkte zeigen NO-Umwandlung (NO2), die folgenden Datenpunkte, die durch eine Quadratlinie angegeben werden, zeigen NOx-Umwandlung für ein Gemisch von ungefähr 1:1 von NO:NO2. Entsprechend zeigt 2, daß, indem im Abgas ein unge fähres molares Verhältnis zwischen NO und NO2 von 1:1 gehalten wird, die NOx-Umwandlung optimiert werden kann.
  • 3 zeigt die NOx-Umwandlung, wenn das Abgas lediglich NO enthält. Insbesondere zeigt die Figur die NOx-Umwandlung von NO mit und ohne Schwefel. Die durch die Dreiecklinie angegebnen Daten zeigen die Katalysatorleistung, wenn das eingeführte Gas NO und keinen Schwefel enthält. Die durch die Quadratlinie angegebenen Daten zeigen die Katalysatorleistung mit Schwefel. Wie die Daten angeben, beeinflußt Schwefel die NOx-Umwandlung ungünstig, wenn das zugeführte Gas ausschließlich aus NO besteht.
  • 4 zeigt die NOx-Umwandlung mit und ohne Schwefel, wenn das Eingangsverhältnis zwischen NO und NO2 innerhalb eines vorbestimmten Bereichens gehalten wird (ca. 1:1). Die durch eine Rautenlinie angegebenen Daten stehen für Abgase ohne Schwefel, während die durch eine Quadratlinie angegebenen Daten für Schwefel enthaltende Abgase stehen. Wie 4 zeigt, können die Auswirkungen von Schwefel auf die NOx-Umwandlung reduziert werden, indem ein Verhältnis zwischen NO und NO2 von ca. 1:1 aufrechterhalten wird. Die Erfinder erkennen, daß bedeutende Vorteile auch dann noch erwartet werden können, wenn das Verhältnis zwischen NO und NO2 innerhalb von 50 % schwankt, jedoch kann ein Molarverhältnis von ca. 1:1 einen geforderten minimalen Wert von NO2 ergeben. Mit anderen Worten kann ein Verhältnis von bis zu 20:80, je nach Betriebsbedingungen, wie z.B. Temperatur, akzeptabel sein. Das heißt, es ist zwar wünschenswert, ein Verhältnis von nahezu 1:1 zu halten, es können aber gleichwohl vorteilhafte Ergebnisse erhalten werden, indem das Verhältnis innerhalb von ca. 50 % von 1:1 gehalten wird.
  • Wie oben in Bezug auf 1 beschrieben, verwendet die vorliegende Erfindung bei einer Ausführungsform einen stromauf gelegenen Oxidationskatalysator, um einen Teil des NO-Abgases in NO2 umzuwandeln. Insbesondere kann die Katalysatorzusammensetzung eingestellt werden, um sie an eine bestimmte Motorabgas-Charakteristik anzupassen. Auf diese Weise ist es möglich, zu erreichen, daß ein Verhältnis zwischen NO und NO2 von ca. 1:1 in den stromab gelegenen SCR- Katalysator eintritt. Es gibt jedoch weitere Verfahren, die verwendet werden können, um das gewünschte Verhältnis zwischen NO und NO2 bei dem in dem SCR-Katalysator eintretenden Gasen bereitzustellen. Beispielsweise kann bei dem System der stromauf gelegene Oxidationskatalysator weggelassen werden, und es können die Motorbetriebsbedingungen angepaßt werden, um das gewünschte Verhältnis zu liefern. Beispielsweise kann das Verhältnis dadurch erzielt werden, daß Parameter angepaßt werden, wie z.B. Abgasrückführungsmenge, Einspritzzeitpunkt, Luft-/Kraftstoffverhältnis oder sonstige Parameter bzw. Kombinationen dieser Parameter.
  • Wie oben beschrieben können verschiedene Verfahren verwendet werden, um zu versuchen, das gewünschte Verhältnis zwischen NO und NO2 am Eingang des SCR-Katalysators bereitzustellen. Aufgrund von Motoralterung, Fahrzeugalterung und verschiedener Umweltfaktoren können die Versuche, das gewünschte Verhältnis bereitzustellen, jedoch beeinträchtigt werden. Als Ergebnis kann die katalytische NOx-Umwandlung des SCR-Katalysators möglicherweise gegenüber Beeinträchtigung durch Schwefel empfindlich werden. Als Ergebnis liefert die Erfindung ein Diagnoseverfahren für das Erfassen der Beeinträchtigung des Lean-NOx-Katalysators. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Diagnosesystems wird in 5 beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf 5 wird nun eine Routine für die Durchführung der Katalysatordiagnose beschrieben. Im Prinzip werden drei Flags in den Blöcken 510, 512 bzw. 514 benutzt, um zu bestimmen, ob die Katalysatordiagnose zu aktivieren ist. Wenn das Ergebnis jedes dieser Flags angibt, daß eine Diagnose ausgeführt werden sollte, geht die Routine zu Block 516. Die Details dieser Blöcke werden nachstehend beschrieben.
  • Es wird nun auf Block 510 Bezug genommen. Die Routine setzt das Flag Nr. 1 aufgrund einer Feststellung, ob die NOx-Abgabe des Motors einem vorbestimmten Prozentsatz (X1) von NO entspricht. Insbesondere bestimmt die Routine im Schritt 5120 eine Schätzung des den Motor verlassenden NO auf der Grundlage von Motordrehzahl und Motorlast. Weiter bestimmt die Routine im Schritt 522 eine Schätzung des den Motor verlassenden NO2 auf der Grundlage von Motordrehzahl und Motorlast. Verschiedene weitere Parameter können auch bei diesen Motorkennfelder genutzt werden, um vom Motor ausgestoßenes NO und NO2 zu bestimmen, wie z.B. Motortemperatur, Einspritzzeitpunkt, Luft-/Kraftstoffverhältnis und verschiedene weitere Parameter. Auf der Grundlage der geschätzten NO und NO2 bestimmt die Routine im Schritt 524, ob das geschätzte Verhältnis zwischen NO und NO2 geringer oder gleich X1 ist. Lautet die Antwort im Schritt 524 „ja", setzt die Routine das Flag 1 nicht, und die Routine endet. Lautet die Antwort im Schritt 522 „nein", setzt die Routine das Flag Nr. 1, um Katalysatordiagnosen zu ermöglichen.
  • Es wird nun auf Block 512 Bezug genommen. Die Routine bestimmt jetzt, ob Flag Nr. 2 zu setzen ist. Allgemein stellt Block 512 sicher, daß die Temperatur des stromauf gelegenen Oxidationskatalysators innerhalb eines vorbestimmten Betriebsfensters liegt. Insbesondere bestimmt die Routine im Schritt 530, ob die geschätzte Oxidationskatalysator-Temperatur oder die gemessene Oxidationskatalysator-Temperatur (T_oxid_cat) höher oder gleich hoch ist wie eine obere Schwellentemperatur (X3) und höher als ein vorbestimmter unterer Temperaturschwellenwert (X2). Lautet die Antwort im Schritt 530 „nein", endet die Routine. Wenn dagegen die Antwort im Schritt 530 „ja" lautet, setzt die Routine das Flag Nr. 2, um Katalysatordiagnosen zu ermöglichen.
  • Unter Bezugnahme auf Block 514 wird nun eine Routine für das Setzen des Flags Nr. 3 beschrieben. Allgemein stellt Block 514 sicher, daß die NOx-Reduktion im Oxidationskatalysator aufgrund von Restkohlenwasserstoffen geringer ist als ein vorbestimmter Wert. Insbesondere ermittelt die Routine im Schritt 540 eine Schätzung von Restkohlenwasserstoffen auf der Grundlage von Motordrehzahl und Motorlast. Wie oben hinsichtlich der Schritte 520 und 522 beschrieben, können in diesem Motorkennfeld verschiedene andere Parameter verwendet werden. Anschließend bestimmt die Routine im Schritt 542, ob diese Kohlenwasserstoffrestmenge (HC) geringer ist als ein vorbestimmter Kohlenwasserstoffschwellenwert (X4). Lautet die Antwort im Schritt 542 „nein", endet die Routine. Wenn die Antwort im Schritt 542 „ja" lautet, setzt die Routine das Flag Nr. 3, um Katalysatordiagnosen zu ermöglichen.
  • Wenn sämtliche Flags 1, 2 und 3 gesetzt werden, um Katalysatordiagnosen zu ermöglichen, geht die Routine weiter zu Block 516.
  • Zunächst verwendet die Routine im Schritt 550 den NOx-Sensorwert des stromauf gelegenen NOx-Sensors (ß) und die Empfindlichkeit des Sensors (ξ), um eine Schätzung des Wertes des stromab gelegenen NOx-Sensors (γ1) zu berechnen. Anschließend bestimmt die Routine im Schritt 552, ob diese Schätzung des stromab gelegenen NOx-Sensorwertes größer ist als der tatsächliche stromab festgestellte NOx-Sensorwert (γ2). Lautet die Antwort im Schritt 552 „ja", zeigt die Routine eine Beeinträchtigung des Abgassystems an. Ansonsten endet die Routine.
  • Des weiteren wird bei einem alternativen Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß ein Zähler verwendet, der bei jeder Bestimmung von „ja" im Schritt 572 inkrementiert wird. Wenn dann der Zähler einen vorbestimmten Zählerwert erreicht, wird eine Qualitätsverschlechterung des Katalysatorsystems beispielsweise über eine Kontrollampe im Armaturenbrett des Fahrzeuges angezeigt.
  • Mit anderen Worten löst die vorliegende Erfindung das Problem, das darin besteht, daß NOx-Sensoren nicht zwischen NO und NO2 zu unterscheiden vermögen. Noch anders gesagt, ist es durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, die Grenze der Auslesung des stromab gelegenen NOx-Sensors zu berechnen, wenn das Verhältnis zwischen NO und NO2 ungefähr in der Nähe von 1:1 gehalten wird, da die NOx-Sensoren aufgrund von chemischen Abläufen (masked fusion principles) verschiedene Empfindlichkeiten gegenüber NO und NO2 aufweisen können. Des weiteren wird der Fachmann angesichts der vorliegenden Erfindung erkennen, daß bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der stromauf gelegene NOx-Sensor durch auf Motorbetriebsbedingungen, wie z.B. Motordrehzahl und -last, beruhenden Schätzungen des zugeführten NOx-Gases ersetzt werden kann.
  • Die Steuerung des eingespritzten Reduktanten, im vorliegenden Beispiel Harnstoff, wird nach dem folgenden Ansatz ausgeführt. Um die einzuspritzende Harnstoffmenge zu bestimmen, wird das Verhältnis zwischen NO:NOx nach dem Oxidationskatalysator mit (x) bezeichnet, das zwischen 0 und 1 liegt. Des weiteren werden die NOx-Werte stromauf und stromab vom Oxidationskatalysator als B bzw. G bezeichnet. Dementsprechend wäre die theoretische Auslesung des stromab gelegenen Sensors x·B + (1 – x)B·E, worin E die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber NO2 ist. Die gemessenen NOx aus dem stromab gelegenen Sensor können als Gm bezeichnet werden. Daraus folgt: x·B + (1 – x)B·E = Gm. Eine Umstellung ergibt: x = (Gm + E·B)/(B·(1 – E)). Damit kann der NOx-Wert B entweder gemessen oder aufgrund von Motorbetriebsbedingungen geschätzt werden, und der Wert E wird aufgrund der Charakteristika der Sensorkonstruktion bestimmt, beispielsweise aufgrund der Sensorspezifikation. Wenn entsprechend der Wert x (der dem Verhältnis zwischen NO und NO2 am Eingang des SCR-Katalysators entspricht) ist, kann die stöchiometrische Reduktantmenge, beispielsweise Harnstoffmenge, bestimmt und eingespritzt werden.
  • Wenn beispielsweise eine 32,5 %ige wäßrige Lösung von Harnstoff angenommen wird, können die folgenden stöchiometrischen Reaktionen angenommen werden:
    1 Mol von NO (nutzt) → 1 Mol von NH3
    1 Mol von NO2 (nutzt → 4/3 Mol von NH3
  • Diese Berechnungen ergeben einen erforderlichen Massenstrom von Harnstoff in mg/sec als: Massenstrom_Harnstoff = .0177 (PNOx·Massenfluß_Auspuff_Gas)·(4 – x),
    worin wie oben x das molare Konzentrationsverhältnis von NO zu NO2 in dem in den SCR-Katalysator eintretenden Abgasstrom, PNOx die Abgas-NOx-Konzentration in PPM und Massenfluß_Auspuff_Gas die Massenflußrate von Abgasen in KG/min ist.
  • Der Steuerungsansatz wird spezifisch in 6 dargestellt. Block 610 meldet den NOx-Wert des Zuführgases in PPM als Parameter B an Block 614. Diese Zuführgas-NOx-Menge kann entweder gemessen oder geschätzt werden. Wenn sie geschätzt wird, kann die Menge als Funktion von Motordrehzahl und Motorlast in einem Kennfeld eingetragen und kalibriert werden.
  • Des weiteren meldet Block 612 die Auslesung eines Sensors 141 als Gm (die gemessenen NOx PPM) an Block 614. Block 614 berechnet anschließend den Wert x nach der oben abgeleiteten Gleichung und speist dann diesen Wert in Block 620 ein. Entsprechend berechnet Block 618 die Abgas-Massenflußrate basierend auf der Summe der Kraftstoffflußrate (mf) und der Luftmassenflußrate (Maf) und liefert diesen Wert an Block 620. Block 620 berechnet die gewünschte Harnstoffflußrate massflow urea für die stöchiometrische Reaktion zwischen NO, NO2 und Harnstoff. Diese gewünschte Flußrate wird durch einen Kalibriennrert in Block 622 angepaßt und dann dazu verwendet, um über das Ventil 134 den eingespritzten Harnstoff anzupassen.

Claims (11)

  1. Diagnosesystem für ein Abgassystem eines Diesel-Innenverbrennungsmotors, welches System dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: einen stromauf gelegenen Oxidationskatalysator für die Umwandlung eines Teils von einströmenden NO in NO2, einen stromab gelegenen Lean-NOx-Katalysator für die Umwandlung mindestens eines Teils der genannten, den genannten stromauf gelegenen Oxidationskatalysator verlassenen NO und NO2 in Stickstoff in Gegenwart eines Reduktants, einen stromab mit dem genannten Lean-NOX-Katalysator angeschlossenen Sensor, und ein Steuergerät zur Bestimmung, ob der genannte stromauf gelegene Oxidationskatalysator ein vorgewähltes Verhältnis im austretenden Gas von NO zu NO2 auf der Grundlage mindestens des genannten Sensors liefert, und für die Bestimmung, ob der genannte stromauf gelegene Katalysator innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs befindlich ist, und die Lieferung eines Hinweises auf eine Qualitätsverschlechterung des genannten stromauf gelegenen Katalysators auf der Grundlage der genannten Bestimmung.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte vorgewählte Verhältnis ein Verhältnis von NO zu NO2 im austretenden Gas im Bereich von ca. 50 % eines molaren Verhältnisses von 1:1 ist.
  3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Sensor ein NOx-Sensor ist.
  4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Reduktant Harnstoff enthält.
  5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte stromab gelegene Katalysator ein SCR-Katalysator ist.
  6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Angabe eine Kontrollampe auf dem Fahrzeugarmaturenbrett aufleuchten läßt.
  7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Steuergerät des weiteren aufgrund des genannten Sensors eine eingespritzte Reduktantmenge anpaßt, um ein stöchiometrisches Gemisch von stromab des genannten Katalysators eingespritztem Reduktant und NOx aufrechtzuerhalten.
  8. Diagnosesystem für ein Abgassystem eines Diesel-Innenverbrennungsmotors, welches System dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: einen stromauf gelegenen Oxidationskatalysator für die Umwandlung eines Teils von einströmenden NO in NO2, einen stromab gelegenen SCR-NOx-Katalysator für die Umwandlung mindestens eines Teils der genannten den genannten stromauf gelegenen Oxidationskatalysator verlassenen NO und NO2 in Stickstoff in Gegenwart eines Reduktants, einen stromab mit dem genannten Lean-NOx-Katalysator angeschlossenen Sensor, und ein Steuergerät für die Bestimmung, ob der genannte stromauf gelegene Oxidationskatalysator ein vorgewähltes Verhältnis von NO zu NO2 im austretenden Gas auf der Grundlage mindestens des genannten Sensors liefert, und für die Bestim mung, ob der genannte stromauf gelegene Katalysator innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs befindlich ist, und für die Lieferung eines Hinweises auf eine Qualitätsverschlechterung des genannten stromauf gelegenen Katalysators auf der Grundlage der genannten Bestimmung.
  9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte vorgewählte Verhältnis ein Verhältnis von NO zu NO2 im austretenden Gas im Bereich von ca. 50 % eines molaren Verhältnisses von 1:1 ist.
  10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Reduktant Harnstoff enthält.
  11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Angabe eine Kontrollampe auf dem Fahrzeugarmaturenbrett aufleuchten läßt.
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