DE19727268C1 - Verfahren zur Überwachung der Reduktionsmitteldosierung bei einem SCR-Katalysator - Google Patents

Verfahren zur Überwachung der Reduktionsmitteldosierung bei einem SCR-Katalysator

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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Überwachung der Redukti­ onsmitteldosierung bei einem SCR-Katalysator gemäß den Ober­ begriffen der Patentansprüche 1, 6 und 12.
Eine deutliche Verringerung der NOx-Emission einer Diesel­ brennkraftmaschine oder einer Diesel-Verbrennungsanlage läßt sich durch Anwendung des sogenannten Selective-Catalytic- Reduction-Verfahrens erreichen. Beim SCR-Verfahren wird ein Reduktionsmitel in das Abgas an einer Stelle vor einem SCR- Katalysator eingespritzt, so daß an dem Katalysator insbeson­ dere die chemischen Reaktionen
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O
ablaufen können. Ein geeignetes Reduktionsmittel ist bei­ spielsweise Ammoniak. Aus Gründen der Handhabbarkeit wird Am­ moniak in wässriger Lösung dosiert oder eine wässrige Lösung von Harnstoff dosiert, welche nach Hydrolyse Ammoniak für den SCR-Prozeß bereitstellt. Die Dosierung erfolgt durch Zeit­ steuerung des Öffnens eines Dosierventils. Die Reduktionsmit­ tellösung wird von einer Pumpe und einem Druckregler mit de­ finiertem Druck am Ventil bereitgestellt. Die Reduktionsmit­ teldosierung muß kontinuierlich überwacht werden, da eine Überdosierung Ammoniakemission verursacht, eine Unterdosie­ rung aber einen hohen NOx-Austoß zur Folge hat.
Zur Regelung des NOx-Reduktionssystems können Abgassensoren eingesetzt werden. Diese Sensoren können Störungen in der Do­ sierung aber nur durch Messung von NOx und NH3-Konzentration nach dem SCR-Katalysator nur mit zeitlicher Verzögerung de­ tektieren, da abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftma­ schine der Katalysator durch seine Speicherfähigkeit die Aus­ wirkung der Störung auf die NOx oder NH3-Konzentration nach dem Katalysator verzögert.
Ein Verfahren zur Verminderung der Stickoxidkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine mit Hilfe eines im Abgastrakt hinter dem SCR-Katalysator angeordneten Detektors ist in der DE 43 34 071 C1 beschrieben. Der Detektor weist dabei ein so­ wohl auf Stickstoffmonoxid als auch auf Ammoniak ansprechen­ des Sensorelement auf. Der von der Stickstoffmonoxid- und Am­ moniakkonzentration abhängige Widerstand oder die elektrische Leitfähigkeit des Sensorelements wird gemessen und dem Abgas eine solche Menge des Reduktionsmittels zugesetzt, bei der der elektrische Widerstand des Sensorelements am größten bzw. die elektrische Leitfähigkeit am kleinsten ist.
Aus der DE 42 17 552 C1 ist eine Abgasbehandlungseinrichtung für Verbrennungsmotoren mit einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reaktion von Stickoxiden aus Abgasen, insbeson­ dere aus Abgasen von Kraftfahrzeugdieselmotoren mit über­ stöchiometrischer Zugabe von NH3 oder NH3- freisetzenden Stoffen bekannt. Sie weist einen ersten, die im Abgas enthal­ tene NH3-Konzentration erfassenden Sensor auf, der die Zugabe der NH3-Menge bei Erreichen eines vorgegebenen oberen Schwel­ lenwertes unterbricht. Ein zweiter Sensor erfaßt das im Kata­ lysator adsorbierte NH3. Bei Erreichen eines vorgegebenen un­ teren Schwellenwertes wird die NH3-Zugabe wieder freigegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren anzugeben, mit denen die Reduktionsmitteldosierung kontinuierlich überwacht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Pa­ tentansprüche 1, 6 und 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildun­ gen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Zugabe des Reduktionsmittels in das heiße Abgas vor dem SCR-Katalysator hat aufgrund der dabei auftretenden Verdamp­ fungswärme eine Änderung der Temperatur zur Folge. Der Tempe­ raturverlauf während des Dosiervorganges wird überwacht, aus­ gewertet und daraus eine Aussage über die Funktionstüchtig­ keit der Dosiereinrichtung abgeleitet.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf einfache Weise möglich, die Dosiereinrichtung, insbesondere das Dosierventil auf Betriebsfähigkeit zu überwachen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgen­ den Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer mit einem SCR-Katalysator ausgerüsteten Abgasanlage einer Dieselbrennkraftma­ schine,
Fig. 2 einen typischen Verlauf des Ausgangssignales eines Temperatursensors bei Reduktionsmitteldosierung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer mit einem SCR-Katalysator und einem elektrisch beheiztem Mischer ausgerüsteten Abgasanlage einer Dieselbrennkraftmaschine und
Fig. 4 einen typischen Signalverlauf des ohmschen Widerstan­ des der Mischerheizung bei Reduktionsmitteldosierung.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Abgasanlage einer Die­ selbrennkraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 11 und, einen Abgastrakt 12 mit einem darin angeordneten SCR-Katalysator 13 bekannten Aufbaus auf. Dem SCR-Katalysator 13 vorgelagert ist eine Dosiereinrichtung, bestehend aus einem Reduktionsmittel­ behälter 14, einer Pumpe 15 und einem Dosierventil 16. Die Pumpe 15 fördert das in dem Reduktionsmittelbehälter 14 be­ findliche Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniak oder am­ moniakfreisetzende Stoffe, welches in das Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators 13 mittels des Dosierventils 16 einge­ spritzt wird. Das Dosierventil 16 wird über nicht näher be­ zeichnete Leitungen von einer Steuereinheit 17 angesteuert. Diese Steuereinheit 17 sorgt dafür, daß dem Abgas eine be­ stimmte, aktuell notwendige Menge des Reduktionsmittels zuge­ führt werden kann. In der Darstellung ist die Steuereinheit 17 als separate Einheit gezeigt, es ist aber möglich, die Funktion dieser Steuereinheit in das Steuergerät der Brenn­ kraftmaschine zu integrieren.
Die Reduktionsmitteldosierung erfolgt nur, wenn die Abgastem­ peratur hoch genug ist, um die Reduktionsmittellösung zu ver­ dampfen und Harnstoff zu hydrolysieren. Die Temperatur des Abgases wird an einer Stelle vor dem SCR-Katalysator mittels eines Temperatursensor 18 gemessen. Beim Dosiervorgang wird das Reduktionsmittel oder die Reduktionsmittellösung in das heiße Abgas gespritzt. Aufgrund der Verdampfungswärme des Lö­ sungsmittels entzieht jeder Dosierimpuls der Umgebung Wärme. Trifft der Reduktionsmittelstrahl auf den Abgastemperatursen­ sor 18, so wird dieser abgekühlt. Dieser Temperatursprung kann von der Steuereinheit 17 erkannt werden, da die Sensor­ temperatur sich durch Verdampfen des Reduktionsmittels oder der Reduktionsmittellösung direkt auf der Sensoroberfläche schneller ändert als durch Änderungen des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine.
Der obere Teil der Fig. 2 zeigt einen typischen Verlauf des Ausgangssignals des Temperatursensors 18 bei Reduktionsmit­ teldosierung. Auf der Abszisse ist die vom Temperatursensor 18 erfaßte Temperatur T, auf der Ordinate die Zeit t aufge­ tragen. Der untere Teil der Fig. 2 zeigt den zeitlichen Ver­ lauf des Ventilstromes I, mit dem das Dosierventil 16 ange­ steuert wird.
Die Steuereinheit betätigt das Dosierventil 16 durch Ein­ schalten zum Zeitpunkt t1 und Ausschalten des Ventilstromes I zum Zeitpunkt t2. Zur Detektion der aufgrund der Dosiermit­ telzugabe auftretenden Temperaturdifferenz ΔT wird mittels der Steuereinheit die Temperatur T1, möglichst kurz bevor der Reduktionsmittelstrahl nach erfolgter Ansteuerung des Dosier­ ventils 16 auf den Temperatursensor 18 auftrifft, erfaßt. Für die Festlegung des optimalen Zeitpunkts für die Messung des Sensorsignals T1 wird eine Verzögerungszeit Δt1 festgelegt, in welcher Ventilreaktionszeit, Laufzeit des Reduktionsmit­ telstrahles, Ansprechzeit des Temperatursensors usw. berück­ sichtigt werden können.
Die zweite Messung der Temperatur erfolgt nach Ablauf einer Verzögerungszeit Δt2 nach Abschalten des Ventilstromes I für das Dosierventil 16. Durch das verzögerte Messen der Tempera­ tur T2 nach dem Schließen des Dosierventils 16 zum Zeitpunkt t2 können neben der Ventilschließgeschwindigkeit auch wieder die Laufzeit des Reduktionsmittelstrahles, die Ansprechzeit des Temperatursensors usw. berücksichtigt werden.
Aus den gemessenen Temperaturwerten T1, T2 wird die Differenz ΔT = T1 - T2 gebildet und anschließend diese Temperaturdifferenz mit einem systemspezifisch festgelegten Mindestwert vergli­ chen. Überschreitet die Temperaturdifferenz ΔT den vorgegebe­ nen Mindestwert, so wird über die Steuereinheit 17 erkannt, daß ein Dosierimpuls erfolgt ist. Bleibt die ermittelte Tem­ peraturdifferenz ΔT unterhalb des Mindestwertes, so wird auf eine fehlerhafte Dosiereinrichtung geschlossen und dieses Er­ gebnis in einen Fehlerspeicher 19 der Steuereinrichtung 17 eingetragen und dem Führer des mit der Brennkraftmaschine 10 ausgerüsteten Fahrzeuges optisch/und akustisch angezeigt.
Bei ausreichender Empfindlichkeit des Temperatursensors 18 und ausreichender Leistung der Steuereinheit, insbesondere des darin enthaltenenen Steuerrechners kann der Verlauf des Temperatursprunges auch als Maß für die Länge des Dosierim­ pulses ausgewertet und damit bei konstantem Druck auf die eingespritzte Menge an Reduktionsmittel geschlossen werden. Beispielsweise können in einem Kennfeld eines Speichers 20 der Steuereinheit 17 in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz ΔT Werte für die Länge des Dosierimpulses oder der einge­ spritzten Menge abgelegt sein.
Durch die Heranziehung des Ausgangssignals des ohnehin zur Temperaturmessung im Abgastrakt der Brennkraftmaschine ange­ ordneten und zur Auslösung der Dosierung des Reduktionsmit­ tels verwendeten Temperatursensors ergibt sich eine kosten­ günstige Möglichkeit, die Dosiereinrichtung, insbesondere das Dosierventil auf seine Betriebsfähigkeit zu überwachen.
Ist das NOx-Reduktionssystem mit einer beheizten Einrichtung zum Mischen des Abgases mit dem Reduktionsmittel ausgestal­ tet, um dadurch eine möglichst gute Durchmischung und einen frühzeitigen Start der Dosierung zu gewährleisten, kann auch die Temperaturmessung an dem Teil, welches zur Regelung der Heizleistung dient, oder die Messung des ohmschen Heizungswi­ derstandes als Maß für die Temperatur zur Überwachung der Do­ sierung verwendet werden.
Die Fig. 3 zeigt in schematischer Weise den Aufbau einer solchen Abgasanlage, die im Unterschied zur Anlage nach Fig. 1 zusätzlich einen elektrisch beheizten Gasmischer 21 strom­ aufwärts des SCR-Katalysators 13 aufweist. Die restlichen Komponenten der Fig. 3 sind identisch mit den Komponenten der Fig. 1 und sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Gasmischer 21 weist einen zur Regelung der Heizleisung der elektrischen Heizeinrichtung dienenden, nicht explizit dargestellten Temperatursensor auf. Das Ausgangs­ signal dieses Temperatursensors kann analog der anhand der Fig. 1 beschriebenen Weise zur Überprüfung des Dosierventils 16 herangezogen werden.
Alternativ hierzu kann auch die Änderung des elektrischen Wi­ derstandes der Heizeinrichtung während des Dosiervorganges als Maß für die Temperaturänderung zur Überwachung der Dosie­ rung verwendet werden.
Der obere Teil der Fig. 4 zeigt den typischen Verlauf des elektrischen Widerstandes der Heizeinrichtung des Gasmischers bei Reduktionsmitteldosierung und der untere Teil der Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ansteuerstromes für das Do­ sierventil.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 werden in diesem Fall zu den angegebenen Zeitpunkten t1 + Δt1 und t2 + Δt2 nicht Temperaturwerte, sondern Werte für den ohmschen Widerstand der Heizeinrichtung erfaßt. Die Vor­ gehensweise der Auswertung der gemessenen Widerstandswerte ist entsprechend der Vorgehensweise zur Auswertung der Tempe­ raturwerte, wie sie oben beschrieben wurde. In dem Speicher 20 können dann abhängig von der Widerstandsdifferenz ΔR Werte für die Länge des Dosierimpulses oder der eingespritzten Men­ ge abgelegt sein.
Falls die Heizungeinrichtung des Gasmischers 21 mit einer schnellen Temperaturregelung ausgestattet ist, die bei Abküh­ lung des Temperatursensors aufgrund der Dosiermittelzugabe sofort die Heizleistung erhöht, der Heizstrom also ansteigt und sich damit ein annähernd konstanter Heizungswiderstand ergibt, kann die Heizleistung oder der Heizstrom als Maß für die Verdunstungswärme als Folge des Einspritzimpulses analog zur Temperaturmessung verwendet werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Überwachung der Reduktionsmitteldosierung bei einer Dieselbrennkraftmaschine oder einer Dieselverbren­ nungsanlage, wobei die Temperatur des Abgases mittels eines Temperatursensors erfaßt wird und oberhalb einer Grenztempe­ ratur dem Abgas mittels einer Dosiereinrichtung ein Redukti­ onsmittel an einer Stelle stromaufwärts eines im Abgasstrom angeordneten SCR-Katalysators unter Druck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. das Reduktionsmittel in der unmittelbaren Nähe des Temperatur­ sensors (18) zugeführt wird, so daß zumindest ein Teil des Re­ duktionsmittels auf den Temperatursensor (18) gelangt,
  • 2. der sich aufgrund der Reduktionsmitteldosierung durch Verdamp­ fungswärme einstellende Temperaturverlauf (T) mittels des Tem­ peratursensors (18) erfaßt wird und
  • 3. aus dem Temperaturverlauf (T) eine Aussage über die Funktions­ tüchtigkeit der Dosiereinrichtung (14, 15, 16) getroffen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • 1. daß die Temperaturwerte (T1, T2) vor und nach der Zugabe des Reduktionsmittels erfaßt werden,
  • 2. aus diesen Temperaturwerten (T1, T2) eine Temperaturdifferenz (ΔT) gebildet wird,
  • 3. die Temperaturdifferenz (ΔT) mit einem vorgegebenen Schwel­ lenwert verglichen wird und
  • 4. bei Überschreiten des Schwellenwertes auf eine erfolgte Dosie­ rung des Reduktionsmittels erkannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturwert (T1) erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit (Δt1) nach Beginn der Dosierung und der Temperaturwert (T2) erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit (Δt2) nach Ende der Dosierung erfaßt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturverlauf (T) während des Do­ siervorganges als Maß für die Länge des Dosiervorganges ausge­ wertet und daraus unter der Voraussetzung konstanten Einspritz­ druckes bei der Reduktionsmittelzugabe auf die eingespritzte Menge an Reduktionsmittel geschlossen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz (ΔT) Werte für die Länge des Dosierimpulses oder der eingespritzten Reduktionsmittelmen­ ge in einem Kennfeld eines Speichers (20) einer, den Dosiervor­ gang steuernden Steuereinheit (17) abgelegt sind.
6. Verfahren zur Überwachung der Reduktionsmitteldosierung bei einer Dieselbrennkraftmaschine oder einer Dieselverbren­ nungsanlage, wobei die Temperatur des Abgases mittels eines Temperatursensors erfaßt wird und oberhalb einer Grenztempe­ ratur dem Abgas mittels einer Dosiereinrichtung ein Redukti­ onsmittel an einer Stelle stromaufwärts eines im Abgasstrom angeordneten SCR-Katalysators und eines zur Mischung des Ab­ gases mit dem Reduktionsmittel dienenden, elektrisch beheiz­ ten Gasmischers unter Druck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. das Reduktionsmittel in der unmittelbaren Nähe der elektri­ schen Heizeinrichtung des Gasmischers (21) zugeführt wird,
  • 2. der sich während der Reduktionsmitteldosierung aufgrund der Verdampfungswärme einstellende elektrische Widerstand (R) der Heizeinrichtung erfaßt wird und
  • 3. aus dem Widerstandsverlauf (R) eine Aussage über die Funktion­ stüchtigkeit der Dosiereinrichtung (14, 15, 16) getroffen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
  • 1. daß die Widerstandswerte (R1, R2) vor und nach der Zugabe des Reduktionsmittels erfaßt werden,
  • 2. aus diesen Widerstandswerten (R1, R2) eine Widerstandsdifferenz (ΔR) gebildet wird,
  • 3. die Widerstandsdifferenz (ΔR) mit einem vorgegebenen Schwel­ lenwert verglichen wird und
  • 4. bei Überschreiten des Schwellenwertes auf eine erfolgte Dosie­ rung des Reduktionsmittels erkannt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert (R1) erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit (Δt1) nach Beginn der Dosierung und der Widerstandswert (R2) erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit (Δt2) nach Ende der Dosierung erfaßt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit (Δt1, Δt2) abhängig von mindestens ei­ ner der Größen Ventilreaktionszeit eines das Reduktionsmittel abspritzenden Dosierventils (16), Laufzeit des Reduktionsmit­ telstrahles, Ansprechzeit des Temperatursensors (18) gewählt ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsverlauf (R) während des Dosiervorganges als Maß für die Länge des Dosiervorganges ausgewertet und daraus unter der Voraussetzung konstanten Ein­ spritzdruckes bei der Reduktionsmittelzugabe auf die einge­ spritzte Menge an Reduktionsmittel geschlossen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der Widerstandsdifferenz (ΔR) Werte für die Länge des Dosierimpulses oder der eingespritzten Reduktionsmittelmen­ ge in einem Kennfeld eines Speichers (20) einer, den Dosiervor­ gang steuernden Steuereinheit (17) abgelegt sind.
12. Verfahren zur Überwachung der Reduktionsmitteldosierung bei einer Dieselbrennkraftmaschine oder einer Dieselverbren­ nungsanlage, wobei die Temperatur des Abgases mittels eines Temperatursensors erfaßt wird und oberhalb einer Grenztempe­ ratur dem Abgas mittels einer Dosiereinrichtung ein Redukti­ onsmittel an einer Stelle stromaufwärts eines im Abgasstrom angeordneten SCR-Katalysators und eines zur Mischung des Ab­ gases mit dem Reduktionsmittel dienenden, elektrisch beheiz­ ten Gasmischers unter Druck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. das Reduktionsmittel in der unmittelbaren Nähe der elektri­ schen Heizeinrichtung des Gasmischers (21) zugeführt wird,
  • 2. der sich während der Reduktionsmitteldosierung aufgrund der Verdampfungswärme einstellende Heizstrom der elektrischen Hei­ zeinrichtung erfaßt wird und
  • 3. aus dem Verlauf des elektrischen Heizstromes eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit der Dosiereinrichtung (14, 15, 16) ge­ troffen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
  • 1. daß die Werte für den Heizstrom vor und nach der Zugabe des Reduktionsmittels erfaßt werden,
  • 2. aus diesen Werten eine Differenz gebildet und mit einem vorge­ gebenen Schwellenwert verglichen wird und
  • 3. bei Überschreiten des Schwellenwertes auf eine erfolgte Dosie­ rung des Reduktionsmittels erkannt wird.
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