AT407581B - Verfahren zur überwachung der reduktionsmitteldosierung bei einem scr-katalysator - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft Verfahren zur Überwachung der Reduktionsmitteldosierung bei einem SCR-Katalysator gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1,6 und 12. 



   Eine deutliche Verringerung der NOx-Emission einer Dieselbrennkraftmaschine 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 insbesondere die chemischen Reaktionen 
4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O 
2N02 + 4NH3 + O2- 3N2 + 6H2O ablaufen können. Ein geeignetes Reduktionsmittel ist beispielsweise Ammoniak. Aus Gründen der Handhabbarkeit wird Ammoniak in wässeriger Lösung dosiert oder eine wässerige Lösung von Harnstoff dosiert, welche nach Hydrolyse Ammoniak für den SCR-Prozess bereitstellt. Die Dosie- rung erfolgt durch Zeitsteuerung des Öffnens eines Dosierventils.

   Die Reduktionsmittellösung wird von einer Pumpe und einem Druckregler mit definiertem Druck am Ventil bereitgestellt. Die Reduk- tionsmitteldosierung muss kontinuierlich überwacht werden, da eine Überdosierung Ammoniak- emission verursacht, eine Unterdosierung aber einen hohen NOx-Ausstoss zur Folge hat. 



   Zur Regelung des NOx-Reduktionssystems können Abgassensoren eingesetzt werden Diese Sensoren können Störungen in der Dosierung aber nur durch Messung von NOx und NH3-Konzent- ration nach dem SCR-Katalysator nur mit zeitlicher Verzögerung detektieren, da abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 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 Brennkraftma- schine 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 sowohl auf Stickstoffmonoxid als auch auf Ammoniak ansprechendes Sensorelement auf. Der von der Stickstoffmonoxid- und Ammoniak- konzentration abhängige Widerstand oder die elektrische Leitfähigkeit des Sensorelements wird gemessen und dem Abgas eine solche Menge des Reduktionsmittels zugesetzt, bei der der elektri- sche 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 überstöchiometrischer Zugabe von NH3 oder NH3- freisetzenden Stoffen bekannt. Sie weist einen ersten, die im Abgas enthaltene NH3-Konzentration erfassenden Sensor auf, der die Zugabe der NH3-Menge bei Erreichen eines vorgegebenen oberen Schwellenwertes unterbricht. Ein zweiter Sensor erfasst das im Katalysator adsorbierte NH3. Bei Erreichen eines vorgegebenen unteren Schwellenwertes wird die NH3-Zuga- be wieder freigegeben. 



   In der EP 0 515 857 A1 ist ein Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion von Abgasen aus Kraftfahrzeugdieselmotoren unter getakteter Zugabe von NH3 oder NH3-freisetzenden Stoffen bekannt, wobei die getaktete überstöchiometrische NH3-Zugabe in der Weise gesteuert wird, dass die Zugabe nach ihrem Start erst dann wieder unterbrochen wird, wenn an einer bestimmten Stelle im Katalysatorbett eine hohe NH3-Konzentration, die als Schwellenwert festgelegt ist, in der Gas- phase erreicht worden ist.

   Die NH3-Zugabe setzt erst wieder ein, wenn das im Katalysator gespeicherte NH3 weitgehend durch die Reaktion aufgebraucht worden ist, wobei dieser Zeitpunkt durch näherungsweise Berechnung des über die Periode seit Dosierungsbeginn oder auch Dosie- rungsende vom Motor produzierten NOx aus Motorkennfeld und Betriebszeit und unter Berück- sichtigung des durchschnittlichen Abscheidegrades bestimmt wird. 



   Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren anzugeben, mit denen die Reduktionsmitteldosierung kontinuierlich überwacht werden kann. 



   Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1,6 und 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. 



   Die Zugabe des Reduktionsmittels in das heisse Abgas vor dem SCR-Katalysator hat aufgrund der dabei auftretenden Verdampfungswärme eine Änderung der Temperatur zur Folge. Der 

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 Temperaturverlauf während des Dosiervorganges wird überwacht, ausgewertet und daraus eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit der Dosiereinrichtung abgeleitet. 



   Mit den erfindungsgemässen Verfahren ist es auf einfache Weise möglich, die Dosierein- richtung, insbesondere das Dosierventil auf Betriebsfähigkeit zu überwachen. 



   Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert, Dabei zeigt: 
Figur 1 ein Blockschaltbild einer mit einem SCR-Katalysator ausgerüsteten Abgasanlage einer 
Dieselbrennkraftmaschine, 
Figur 2 einen typischen Verlauf des Ausgangssignales eines Temperatursensors bei Reduk- tionsmitteldosierung, 
Figur 3 ein Blockschaltbild einer mit einem SCR-Katalysator und einem elektrisch beheiztem 
Mischer ausgerüsteten Abgasanlage einer Dieselbrennkraftmaschine und 
Figur 4 einen typischen Signalverlauf des ohmschen Widerstandes der Mischerheizung bei 
Reduktionsmitteldosierung. 



   Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Abgasanlage einer Dieselbrennkraftmaschine 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, be- stehend aus einem Reduktionsmittelbehälter 14, einer Pumpe 15 und einem Dosierventil 16. Die Pumpe 15 fördert das in dem Reduktionsmittelbehälter 14 befindliche Reduktionsmittel, beispiels- weise Ammoniak oder ammoniakfreisetzende Stoffe, welches in das Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators 13 mittels des Dosierventils 16 eingespritzt wird. Das Dosierventil 16 wird über nicht näher bezeichnete Leitungen von einer Steuereinheit 17 angesteuert. Diese Steuereinheit 17 sorgt dafür, dass dem Abgas eine bestimmte, aktuell notwendige Menge des Reduktionsmittels zugeführt 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 Brennkraftmaschine zu integrieren. 



   Die Reduktionsmitteldosierung erfolgt nur, wenn die Abgastemperatur hoch genug ist, um die Reduktionsmittellösung zu verdampfen und Harnstoff zu hydrolysieren. Die Temperatur des Abgases wird an einer Stelle vor dem SCR-Katalysator mittels eines Temperatursensor 18 gemes- sen. Beim Dosiervorgang wird das Reduktionsmittel oder die Reduktionsmittellösung in das heisse Abgas gespritzt. Aufgrund der Verdampfungswärme des Lösungsmittels entzieht jeder Dosier- impuls der Umgebung Wärme. Trifft der Reduktionsmittelstrahl auf den Abgastemperatursensor 18, so wird dieser abgekühlt Dieser Temperatursprung kann von der Steuereinheit 17 erkannt werden, da die Sensortemperatur sich durch Verdampfen des Reduktionsmittels oder der Reduktionsmittel- lösung direkt auf der Sensoroberfläche schneller ändert als durch Änderungen des Betriebszu- standes der Brennkraftmaschine. 



   Der obere Teil der Figur 2 zeigt einen typischen Verlauf des Ausgangssignals des Temperatur- sensors 18 bei Reduktionsmitteldosierung. Auf der Abszisse ist die vom Temperatursensor 18 erfasste Temperatur T, auf der Ordinate die Zeit t aufgetragen. Der untere Teil der Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ventilstromes I, mit dem das Dosierventil 16 angesteuert wird. 



   Die Steuereinheit betätigt das Dosierventil 16 durch Einschalten zum Zeitpunkt t1 und Aus- schalten des Ventilstromes I zum Zeitpunkt t2. Zur Detektion der aufgrund der Dosiermittelzugabe auftretenden Temperaturdifferenz AT wird mittels der Steuereinheit die Temperatur T1, möglichst kurz bevor der Reduktionsmittelstrahl nach erfolgter Ansteuerung des Dosierventils 16 auf den 
Temperatursensor 18 auftrifft, erfasst. Für die Festlegung des optimalen Zeitpunkts für die Messung des Sensorsignals T1 wird eine Verzögerungszeit At1 festgelegt, in welcher Ventilreaktionszeit, 
Laufzeit des Reduktionsmittelstrahles, Ansprechzeit des Temperatursensors usw. berücksichtigt werden können. 



   Die zweite Messung der Temperatur erfolgt nach Ablauf einer Verzögerungszeit At2 nach Ab- schalten des   Ventilstromes !  für das Dosierventil 16. Durch das verzögerte Messen der Temperatur 
T2 nach dem Schliessen des Dosierventils 16 zum Zeitpunkt t2 können neben der Ventilschliess- geschwindigkeit auch wieder die Laufzeit des Reduktionsmittelstrahles, die Ansprechzeit des 
Temperatursensors usw. berücksichtigt werden. 



   Aus den gemessenen Temperaturwerten T1, T2 wird die Differenz AT = T1-T2 gebildet und anschliessend diese Temperaturdifferenz mit einem systemspezifisch festgelegten   Mindestweri   

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 verglichen. Überschreitet die Temperaturdifferenz AT den vorgegebenen Mindestwert, so wird über die Steuereinheit 17 erkannt, dass ein Dosierimpuls erfolgt ist. Bleibt die ermittelte Temperatur- differenz AT unterhalb des Mindestwertes, so wird auf eine fehlerhafte Dosiereinrichtung geschlos- sen und dieses Ergebnis 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 enthaltenen Steuerrechners kann der Verlauf des Tempera- tursprunges auch als Mass für die Länge des Dosierimpulses ausgewertet und damit bei konstan- tem Druck auf die eingespritzte Menge an Reduktionsmittel geschlossen werden. Beispielsweise können in einem Kennfeld eines Speichers 20 der Steuereinheit 17 in Abhängigkeit der Tempera- turdifferenz AT Werte für die Länge des Dosierimpulses oder der eingespritzten Menge abgelegt sein. 



   Durch die Heranziehung des Ausgangssignals des ohnehin zur Temperaturmessung im Abgas- trakt der Brennkraftmaschine angeordneten und zur Auslösung der Dosierung des Reduktions- mittels verwendeten Temperatursensors ergibt sich eine kostengünstige Möglichkeit, die Dosierein- richtung, insbesondere das Dosierventil auf seine Betriebsfähigkeit zu überwachen. 



   Ist das NOx-Reduktionssystem mit einer beheizten Einrichtung zum Mischen des Abgases mit dem Reduktionsmittel ausgestaltet, um dadurch eine möglichst gute Durchmischung und einen frühzeitigen Start der Dosierung zu gewährleisten, kann auch die Temperaturmessung an dem Teil, welcher zur Regelung der Heizleistung dient, oder die Messung des ohmschen Heizungs- widerstandes als Mass für die Temperatur zur Überwachung der Dosierung verwendet werden. 



   Die Figur 3 zeigt in schematischer Weise den Aufbau einer solchen Abgasanlage, die im Unterschied zur Anlage nach Figur 1 zusätzlich einen elektrisch beheizten Gasmischer 21 strom- aufwärts des SCR-Katalysators 13 aufweist. Die restlichen Komponenten der Figur 3 sind identisch mit den Komponenten der Figur 1 und sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Gasmischer 21 weist einen zur Regelung der Heizleisung der elektrischen Heizeinrichtung dienen- den, nicht explizit dargestellten Temperatursensor auf. Das Ausgangssignal dieses Temperatur- sensors kann analog der anhand der Figur 1 beschriebenen Weise zur Überprüfung des Dosier- ventils 16 herangezogen werden. 



   Alternativ hierzu kann auch die Änderung des elektrischen Widerstandes der Heizeinrichtung während des Dosiervorganges als Mass für die Temperaturänderung zur Überwachung der Dosie- rung verwendet werden. 



   Der obere Teil der Figur 4 zeigt den typischen Verlauf des elektrischen Widerstandes der Heiz- einrichtung des Gasmischers bei Reduktionsmitteldosierung und der untere Teil der Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ansteuerstromes für das Dosierventil. 



   Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 werden in diesem Fall zu den angegebenen Zeitpunkten   t1+At1   und t2+At2 nicht Temperaturwerte, sondern Werte für den ohmschen Widerstand der Heizeinrichtung erfasst. Die Vorgehensweise der Auswertung der ge- messenen 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   AR   Werte für die Länge des Dosierimpulses oder der eingespritzten Menge abgelegt sein. 



   Falls die Heizungeinrichtung des Gasmischers 21 mit einer schnellen Temperaturregelung aus- gestattet ist, die bei Abkühlung 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 Verduns- tungswärme als Folge des Einspritzimpulses analog zur Temperaturmessung verwendet werden. 

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Claims (13)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Überwachung der Reduktionsmitteldosierung bei einer Dieselbrennkraft- maschine oder einer Dieselverbrennungsanlage, wobei die Temperatur des Abgases mittels eines Temperatursensors erfasst wird und oberhalb einer Grenztemperatur dem <Desc/Clms Page number 4> Abgas mittels einer Dosiereinrichtung ein Reduktionsmittel an einer Stelle stromaufwärts eines im Abgasstrom angeordneten SCR-Katalysators unter Druck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass -das Reduktionsmittel in der unmittelbaren Nähe des Temperatursensors (18) zugeführ wird, so dass zumindest ein Teil des Reduktionsmittels auf den Temperatursensor (18 gelangt, -der sich aufgrund der Reduktionsmitteldosierung durch Verdampfungswärme einstellende Temperaturverlauf (T) mittels des Temperatursensors (18) erfasst wird und -aus dem Temperaturverlauf (T)

   eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit der Dosierein richtung (14,15,16) getroffen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, -dass die Temperaturwerte (T1,T2) vor und nach der Zugabe des Reduktionsmittels erfass werden, -aus diesen Temperaturwerten (T1.T2) eine Temperaturdifferenz (#T) gebildet wird, -die Temperaturdifferenz (#T) mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird und -bei Überschreiten des Schwellenwertes auf eine erfolgte Dosierung des Reduktionsmittel: erkannt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturwert (T1) ers nach Ablauf einer Verzögerungszeit (At1) nach Beginn der Dosierung und der Temperatur wert (T2) erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit (At2) nach Ende der Dosierung erfass wird.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dei Temperaturverlauf (T) während des Dosiervorganges als Mass für die Länge des Dosier vorganges ausgewertet und daraus unter der Voraussetzung konstanten Einspritzdruckes bei der Reduktionsmittelzugabe auf die eingespritzte Menge an Reduktionsmittel geschlos. sen wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Tempera. turdifferenz (#T) Werte für die Länge des Dosierimpulses oder der eingespritzten Reduk tionsmittelmenge in einem Kennfeld eines Speichers (20) einer, den Dosiervorganc steuernden Steuereinheit (17) abgelegt sind.
6. 6. Verfahren zur Überwachung der Reduktionsmitteldosierung bei einer Dieselbrennkraft maschine oder einer Dieselverbrennungsanlage, wobei die Temperatur des Abgases mittels eines Temperatursensors erfasst wird und oberhalb einer Grenztemperatur derr Abgas mittels einer Dosiereinrichtung ein Reduktionsmittel an einer Stelle stromaufwärts eines im Abgasstrom angeordneten SCR-Katalysators und eines zur Mischung des Ab gases mit dem Reduktionsmittel dienenden, elektrisch beheizten Gasmischers unter Druck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass -das Reduktionsmittel in der unmittelbaren Nähe der elektrischen Heizeinrichtung des Gas mischers (21) zugeführt wird, -der sich während der Reduktionsmitteldosierung aufgrund der Verdampfungswärme ein stellende elektrische Widerstand (R)

   der Heizeinrichtung erfasst wird und -aus dem Widerstandsverlauf (R) eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit der Dosier einrichtung (14,15,16) getroffen wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, -dass die Widerstandswerte (R1,R2) vor und nach der Zugabe des Reduktionsmittels erfass werden, -aus diesen Widerstandswerten (R1,R2) eine Widerstandsdifferenz (AR) gebildet wird, -die Widerstandsdifferenz (AR) mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wirc und -bei Überschreiten des Schwellenwertes auf eine erfolgte Dosierung des Reduktionsmittel; erkannt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert (R1) ers nach Ablauf einer Verzögerungszeit (t1) nach Beginn der Dosierung und der Wider standswert (R2) erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit (At2) nach Ende der Dosierunc <Desc/Clms Page number 5> erfasst wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit (At1,At2) abhängig von mindestens einer der Grössen Ventilreaktionszeit eines das Reduk- tionsmittel abspritzenden Dosierventils (16), Laufzeit des Reduktionsmittelstrahles, An- sprechzeit des Temperatursensors (18) gewählt ist.
10. 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 Einspritz- druckes bei der Reduktionsmittelzugabe auf die eingespritzte Menge an Reduktionsmittel geschlossen wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Wider- standsdifferenz (AR) Werte für die Länge des Dosierimpulses oder der eingespritzten Reduktionsmittelmenge in einem Kennfeld eines Speichers (20) einer, den Dosiervorgang steuernden Steuereinheit (17) abgelegt sind.
12. 12. Verfahren zur Überwachung der Reduktionsmitteldosierung bei einer Dieselbrennkraft- maschine oder einer Dieselverbrennungsanlage, wobei die Temperatur des Abgases mittels eines Temperatursensors erfasst wird und oberhalb einer Grenztemperatur dem Abgas mittels einer Dosiereinrichtung ein Reduktionsmittel an einer Stelle stromaufwärts eines im Abgasstrom angeordneten SCR-Katalysators und eines zur Mischung des Ab- gases mit dem Reduktionsmittel dienenden, elektrisch beheizten Gasmischers unter Druck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass -das Reduktionsmittel in der unmittelbaren Nähe der elektrischen Heizeinrichtung des Gas- mischers (21) zugeführt wird,

    -der sich während der Reduktionsmitteldosierung aufgrund der Verdampfungswärme ein- stellende Heizstrom der elektrischen Heizeinrichtung erfasst wird und -aus dem Verlauf des elektrischen Heizstromes eine Aussage über die Funktionstüchtig- keit der Dosiereinrichtung (14,15,16) getroffen wird.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, -dass die Werte für den Heizstrom vor und nach der Zugabe des Reduktionsmittels erfasst werden, -aus diesen Werten eine Differenz gebildet und mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird und -bei Überschreiten des Schwellenwertes auf eine erfolgte Dosierung des Reduktionsmittels erkannt wird.