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