DE102009060285A1

DE102009060285A1 - Verfahren zur Bestimmung eines NH3-Beladungsstandes eines Speichers eines SCR-Katalysatorsystems, SCR-Katalysatorsystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102009060285A1
Application number: DE102009060285A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. 38442 Herr; André Dr. 19258 Horn; Stefan Dipl.-Ing. 38550 Wendenburg; Martina Dr.-Ing. 38106 Gottschling; Arne Dipl.-Ing. 38531 Brömer; Stefan Dr. 38444 Resch; Ralf 38462 Krause; Harald Dipl.-Ing. 38442 Loeck
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zur Bestimmung eines NH3-Beladungsstandes eines Speichers (34) eines Ammoniakspeichersystems (32) eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystems (28), wobei der Speicher (34) ein NH3-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak (NH3) reversibel zu binden vermag, und mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestattet ist. Es ist vorgesehen, dass während eines Wärmeeintrags in den Speicher (34) und/oder Wärmeaustrags aus dem Speicher (34) wenigstens eine, ein Aufheizverhalten und/oder ein Abkühlverhalten des Speichers (34) charakterisierende Zustandsgröße des Speichers (34) erfasst wird und der NH3-Beladungsstand des Speichers (34) in Abhängigkeit von der wenigstens einen Zustandsgröße bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines NH₃-Beladungsstandes eines Speichers eines Ammoniakspeichersystems, insbesondere eines Reduktionsmittelspeichers, eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystems. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes SCR-Katalysatorsystem und ein entsprechendes Fahrzeug.
Verbrennungsmotoren, die zeitweise oder überwiegend mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden, produzieren Stickoxide NO_x (hauptsächlich NO₂ und NO), die NO_x-reduzierende Maßnahmen erforderlich machen. Eine motorische Maßnahme, um die NO_x-Rohemission im Abgas zu reduzieren, stellt die Abgasrückführung dar, bei der ein Teil des Abgases des Verbrennungsmotors in die Verbrennungsluft rückgeführt wird, wodurch die Verbrennungstemperaturen gesenkt und somit die NO_x-Entstehung reduziert wird. Die Abgasrückführung ist jedoch nicht immer ausreichend, um gesetzliche NO_x-Grenzwerte einzuhalten, weswegen zusätzlich eine aktive Abgasnachbehandlung erforderlich ist, welche die NO_x-Endemission senkt. Eine bekannte NO_x-Abgasnachbehandlung sieht den Einsatz von NO_x-Speicherkatalysatoren vor, die im mageren Betrieb (bei λ > 1) Stickoxide in Form von Nitraten speichern und in kurzen Intervallen mit einer fetten Abgasatmosphäre (λ < 1) die gespeicherten Stickoxide desorbieren und in Gegenwart der im fetten Abgas vorhandenen Reduktionsmittel zu Stickstoff N₂ reduzieren.
Als weiterer Ansatz zur Konvertierung von Stickoxiden in Abgasen magerlauffähiger Verbrennungsmotoren ist der Einsatz von Katalysatorsystemen bekannt, die nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR für selective catalytic reduction) arbeiten. Diese Systeme umfassen zumindest einen SCR-Katalysator, der in Gegenwart eines dem Abgas kontinuierlich zugeführten Reduktionsmittels, üblicherweise Ammoniak NH₃, die Stickoxide des Abgases in Stickstoff und Wasser umwandelt. Dabei kann das Ammoniak aus einer wässrigen Ammoniaklösung dem Abgasstrom zudosiert werden oder aus einer Vorläuferverbindung, beispielsweise Harnstoff, im Wege der Thermolyse und Hydrolyse erhalten werden. Ein neuer vielversprechender Ansatz für die Ammoniakspeicherung im Fahrzeug stellen NH₃-Speichermaterialien dar, die Ammoniak in Abhängigkeit von der Temperatur reversibel binden. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang Metallamminspeicher bekannt, beispielsweise MgCl₂, CaCl₂ und SrCl₂, die Ammoniak in Form einer Komplexverbindung speichern, um dann beispielsweise als MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x beziehungsweise SrCl₂(NH₃)_x vorzuliegen. Aus diesen Verbindungen kann durch Zufuhr von Wärme das Ammoniak wieder freigesetzt werden. Vorteil der Metallamminspeicher ist, dass diese Verbindungen eine große Menge Ammoniak in sehr geringen Volumina speichern können. So bindet beispielsweise ein Mol SrCl₂ acht Mol NH₃. Zudem lassen diese Verbindungen eine gut kontrollierbare Freisetzung des Ammoniaks zu und sind sehr sicher.
Um eine schnellere Startbereitschaft zu erzielen, ist bekannt, neben einem oder zwei Hauptspeichern einen vergleichsweise kleinvolumig dimensionierten Startspeicher vorzusehen, der üblicherweise eine elektrische Heizeinrichtung aufweist. Der Hauptspeicher kann entweder mit einer elektrischen Heizeinrichtung oder mit einer mit Motorkühlwasser versorgten Heizeinrichtung beheizt werden. Der aufgrund seines geringen Volumens schnell aufgeheizte und betriebsbereite Startspeicher übernimmt in der Aufwärmehase die NH₃-Versorgung des SCR-Katalysators. Seine Beheizung erfolgt solange, bis im Hauptspeicher der Betriebsdruck aufgebaut ist. Erst wenn auch der thermisch trägere Hauptspeicher seine Betriebstemperatur und seinen Betriebsdruck aufgebaut hat, wird die gesamte NH₃-Versorgung von diesem übernommen. Der Startspeicher wird dann mit NH₃ aus dem Hauptspeicher beladen und besitzt somit bei jedem Systemstart einen praktisch identischen NH₃-Füllstand.
DE 10 2006 061 370 A1 beschreibt ein ähnliches System, bei dem der Hauptspeicher ein NH₃-Speichermaterial mit relativ hohem NH₃-Dampfdruck aufweist, insbesondere SrCl₂, und ein kleinvolumiger Betriebspeicher vorgesehen ist, der ein NH₃-Speichermaterial mit vergleichsweise geringerem NH₃-Dampfdruck enthält, insbesondere MgCl₂. Durch die unterschiedlichen Dampfdrücke wird der Stofftransport vom SrCl₂-Speicher zum MgCl₂-Speicher unterstützt, so dass die Auffüllung des letzteren beschleunigt wird. Bei diesem System erfolgt die NH₃-Dosierung ausschließlich aus dem Betriebsspeicher, der seinerseits aus dem Hauptspeicher aufgefüllt wird.
Aus EP 1 977 817 A1 ist ein dem vorstehend beschriebenen System entsprechende Ausführung bekannt, bei dem in Abhängigkeit von einem aktuellen Ammoniakbedarf eine erforderliche Heizleistung zur Beheizung des Hauptspeichers berechnet wird.
Derzeit existiert kein Konzept, um einen NH₃-Füllstand eines Ammoniakspeichers für SCR-Katalysatorsysteme zu ermitteln. Die Kenntnis des Füllstandes ist jedoch zur Prognose der Reichweite eines Fahrzeugs wichtig. Auch besteht ein Interesse, frisch eingesetzte Speicherkartuschen hinsichtlich ihres korrekten Füllstandes zu kontrollieren.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Ermittlung des NH₃-Beladungszustandes (Füllstand) neuer und in Betrieb befindlicher Ammoniakspeicher mit guter Zuverlässigkeit und geringem Systemaufwand möglich ist. Es soll ferner ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes SCR-Katalysatorsystem und ein entsprechendes Fahrzeug bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren, ein SCR-Katalysatorsystem und ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Bestimmung eines NH₃-Beladungszustandes eines Speichers eines Ammoniakspeichersystems in einem nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystem. Der Speicher enthält ein NH₃-Speichermaterial, das temperaturabhängig Ammoniak NH₃ reversibel zu binden (absorbieren oder adsorbieren) vermag. Dabei ist der Speicher mit einer Heizeinrichtung ausgestattet, um diesen auf seine Betriebstemperatur beziehungsweise seinen Betriebsdruck zu bringen. Erfindungsgemäß wird während eines (aktiv durch die Heizeinrichtung bewirkten) Wärmeeintrags in den Speicher und/oder während eines (spontan nach Abschaltung der Beheizung erfolgenden) Wärmeaustrags aus dem Speicher wenigstens eine Zustandsgröße des Speichers erfasst, die ein Aufheizverhalten und beziehungsweise ein Abkühlverhalten des Speichers charakterisiert. In Abhängigkeit von der wenigstens einen Zustandsgröße wird der NH₃-Beladungszustand des Speichers bestimmt. Dabei macht sich die Erfindung zunutze, dass das Aufheizverhalten und das Abkühlverhalten des Speichers von seiner Wärmekapazität abhängt, die ihrerseits von dem Beladungszustand des Speichers beziehungsweise des in diesem enthaltenen Speichermaterials abhängt. Beispielsweise weisen NH₃-angereicherte Metallamminkomplexe eine sehr viel höhere spezifische Wärmekapazität auf, als ihre NH₃-abgereicherte oder ihre NH₃-freie Form. Dieses schlägt sich in einem veränderten Aufheizverhalten beziehungsweise Abkühlverhalten nieder, welches somit als Indikator für den Beladungszustand genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist, dass das Verfahren die Bestimmung des absoluten Beladungszustandes erlaubt und nicht nur eine relative Beladungsänderung seit Systemstart. Auf diese Weise kann auch bei einer neu eingesetzten Speicherkartusche ihr tatsächlicher NH₃-Beladungszustand mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass keine konstruktiven Maßnahmen zu seiner Durchführung erforderlich sind.
In bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird die wenigstens eine, das Abkühlverhalten und/oder das Aufheizverhalten des Speichers charakterisierende Zustandsgröße während einer Betriebsphase beobachtet, in der dem Speicher kein Ammoniak entnommen wird. Auf diese Weise vereinfachen sich die Zusammenhänge zwischen dem NH₃-Beladungszustand und der beobachteten Zustandsgröße. Insbesondere kommt hier eine Beheizungsphase des Speichers bei Systemstart oder eine Abkühlphase des Speichers nach Abstellen des Systems in Betracht.
In bevorzugter Ausführung des Verfahrens handelt es sich bei der wenigstens einen, das Aufheizverhalten beziehungsweise das Abkühlverhalten des Speichers charakterisierenden Zustandsgröße um eine temperaturbezogene Größe und/oder eine druckbezogene Größe. Da die üblichen Speichersysteme häufig bereits über entsprechende Temperatur- und/oder Drucksensoren verfügen oder ohne weiteres mit diesen nachgerüstet werden können, ist die Erfassung dieser Zustandsgrößen ohne wesentlichen konstruktiven Aufwand durchführbar. Vorzugsweise wird eine druckbezogene Größe erfasst, da der Speicherdruck mit sehr hoher Homogenität im Speicher vorliegt, während die Speichertemperatur örtlich und/oder zeitlich stärker fluktuiert.
Insbesondere kann die wenigstens eine Zustandsgröße aus der Gruppe gewählt werden umfassend eine Temperaturänderung im Speicher; eine Druckänderung im Speicher; eine Zeitspanne und/oder kumulierte Heizleistung bis zur Erreichung einer vorbestimmten Temperatur im Speicher; eine Zeitspanne und/oder kumulierte Heizleistung bis zur Erreichung eines vorbestimmten Drucks im Speicher; eine nach einer vorbestimmten Zeit und/oder vorbestimmten kumulierten Heizleistung erreichte Temperatur im Speicher und/oder einen nach einer vorbestimmten Zeit und/oder vorbestimmten kumulierten Heizleistung erreichten Druck im Speicher.
Gemäß einer besonderen Ausführung des Verfahrens wird in Abhängigkeit der wenigstens einen Zustandsgröße die Wärmekapazität des Speichers bestimmt und in Abhängigkeit von der Wärmekapazität der NH₃-Beladungszustand des Speichers ermittelt. Wie bereits ausgeführt, stellt die Wärmekapazität des Speichers einen sehr genauen Indikator für seinen Beladungszustand dar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Ermittlung des NH₃-Beladungszustandes des Speichers rechnerisch unter Anwendung gespeicherter Rechenvorschriften und/oder Algorithmen. Derartige Rechenvorschriften lassen sich aus den bekannten Gesetzen der Thermodynamik ohne weiteres ableiten und stellen den Zusammenhang zwischen der beobachteten Zustandsgröße und dem NH₃-Beladungszustand des Speichers mit guter Genauigkeit dar.
In alternativer Ausführung erfolgt die Ermittlung des Beladungszustandes des Speichers unter Anwendung gespeicherter Kennfelder (worunter vorliegend auch Kennlinien als Spezialfall verstanden werden). Derartige Kennfelder lassen sich empirisch in Versuchsreihen ermitteln, in denen die interessierende Zustandsgröße in Abhängigkeit von dem NH₃-Beladungszustand ermittelt wird. Wird dann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Zustandsgröße erfasst, kann aus dem entsprechenden Kennfeld ohne weiteres der zugehörige NH₃-Beladungszustand des Speichers ausgelesen werden. Vorteil der Anwendung empirisch ermittelter Kennfelder ist, dass keine rechnerischen Näherungen angewendet werden müssen. Vielmehr kann der Zusammenhang exakt für genau das verwendete Ammoniakspeichersystem ermittelt werden.
Darüber hinaus ist denkbar, Kombinationen aus dem rechnerischen Ansatz unter Anwendung von Rechenvorschriften und dem empirischen Ansatz unter Anwendung von Kennfeldern einzusetzen. Beispielsweise kann die Wärmekapazität des Systems unter Anwendung einer geeigneten Rechenvorschrift berechnet werden und der NH₃-Beladungszustand aus einem Kennfeld ausgelesen werden, der den Beladungszustand in Abhängigkeit von der Wärmekapazität darstellt.
Mit großem Vorteil kann die erfindungsgemäße Bestimmung des NH₃-Beladungszustandes des Speichers zur Prognose einer voraussichtlichen Reichweite eines mit dem SCR-Katalysatorsystem ausgestatteten Fahrzeugs durchgeführt werden. Auf diese Weise kann an einen Fahrer und/oder an ein Onboard-Diagnosesystem (OBD-System) ein Signal ausgegeben werden, das zur Auswechslung des Speichers auffordert.
Daneben kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Füllstandskontrolle eines neu eingewechselten Speichers durchgeführt werden, insbesondere um zu überprüfen, ob dieser vorschriftsmäßig gefüllt ist. Auf diese Weise kann auch einer missbräuchlichen Manipulation begegnet werden, bei dem ein Fahrer durch Einsatz eines leeren Speichers das Diagnosesystem zu überwinden versucht. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Füllstandskontrolle einmalig nach Einwechselung des Speichers durchgeführt wird und eine erneute Kontrolle nicht vor Ablauf einer vorbestimmten Betriebsdauer oder vorbestimmten zurückgelegten Fahrstrecke ausgelöst werden kann.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein SCR-Katalysatorsystem mit zumindest einen SCR-Katalysator und einem Ammoniakspeichersystem, das zumindest einen mit einer Heizeinrichtung ausgestatteten Ammoniakspeicher aufweist, der ein NH₃-Speichermaterial, das temperaturabhängig Ammoniak reversibel zu binden vermag, enthält. Das SCR-Katalysatorsystem weist eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung insbesondere einen Steueralgorithmus zur Ausführung des Verfahrens in computerlesbarer Form umfassen sowie geeignete Rechenvorschriften und/oder Kennfelder, die ebenfalls in computerlesbarer Form abgespeichert sind.
Das NH₃-Speichermaterial des Speichers wird vorzugsweise aus der Gruppe der NH₃-komplexierenden Metallsalze, insbesondere der Alkali- und Erdalkalimetallsalze und Übergangsmetallsalze gewählt, wobei diese Gruppe vorzugsweise MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x und SrCl₂(NH₃)_x umfasst. Hauptvorteil dieser auch als Metallammine bezeichneten Gruppe ist ihre sehr hohe Ammoniakspeicherkapazität bei geringem Volumen und Gewicht. Es können jedoch ebenso NH₃-adsorbierende Feststoffe, wie säureaktivierte Aktivkohle oder Zeolithe eingesetzt werden, die im Gegensatz zu den Metallamminen NH₃ nicht chemisch absorbieren, sondern physikalisch adsorbieren. Entscheidend ist, dass die NH₃-Bindung reversibel ist.
Schließlich betrifft die Erfindung ein ein entsprechendes SCR-Katalysatorsystem umfassendes Fahrzeug.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen SCR-Katalysatorsystem nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
2 einen zeitlichen Verlauf des NH₃-Dampfdrucks in einem Ammoniakspeicher bei kontinuierlicher Beheizung und bei unterschiedlichen NH₃-Füllständen;
3 Temperatur-Druck-Gleichgewichtskurven für die erste und die zweite Zersetzungsstufe des NH₃-Speichermaterials SrCl₂(NH₃)_x;
4 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen SCR-Katalysatorsystem nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und
5 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen SCR-Katalysatorsystem nach einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Kraftfahrzeug, von dem hier lediglich ein Verbrennungsmotor 12 mit einer daran angeschlossenen Abgasanlage 14 dargestellt ist. Bei dem Verbrennungsmotor 12 handelt es sich um einen zumindest zeitweise oder permanent mager laufenden Motor, beispielsweise einen Dieselmotor. Er verfügt im dargestellten Beispiel über eine Einspritzanlage 16, die Kraftstoff direkt in Zylinder 18 des Motors einspritzt. Die Erfindung ist grundsätzlich jedoch auch für vorgemischbildende Verbrennungsmotoren geeignet. Die Verbrennungsluft wird dem Verbrennungsmotor 12 über einen Ansaugkanal 20 zugeführt und ist über eine Drosseleinrichtung 22 steuerbar.
Ein Abgas des Verbrennungsmotors 12 wird in einen Abgaskanal 24 der Abgasanlage 14 eingeleitet, wo an einer motornahen Position ein erster Katalysator 26 angeordnet sein kann, beispielsweise ein Oxidations- oder 3-Wege-Katalysator.
Die Abgasanlage 14 umfasst ferner ein nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion arbeitendes SCR-Katalysatorsystem 28, das einen SCR-Katalysator 30, nämlich einen NO_x-Reduktionskatalysator, und ein Ammoniakspeichersystem 32 aufweist. Das Ammoniakspeichersystem 32 umfasst zumindest einen Hauptspeicher 34 sowie einen im Vergleich zum Hauptspeicher kleinvolumigen Speicher 36, der als Startspeicher oder Betriebsspeicher ausgelegt sein kann. Die Speicher 34 und 36 umfassen jeweils ein nicht dargestelltes NH₃-Speichermaterial, das in der Lage ist, in Abhängigkeit von der Temperatur Ammoniak NH₃ reversibel chemisch oder physikalisch zu binden beziehungsweise zu desorbieren. Dies bedeutet, dass sich mit zunehmender Temperatur das thermodynamische Gleichgewicht von der gebundenen Form (der NH₃-angereicherten Form) zu der desorbierten Form (der NH₃-abgereicherten oder -freien Form) verschiebt, das heißt der NH₃-Dampfdruck steigt mit zunehmender Temperatur.
Der Zusammenhang zwischen dem Dampfdruck von Ammoniak p_NH3 und der Temperatur T lässt sich durch die thermodynamische Gleichung 1 beschreiben, worin ΔH_r die Reaktionsenthalpie der Desorption des verwendeten NH₃-Speichermaterials, ΔS_r die Reaktionsentropie der Desorption und R_m die universelle Gaskonstante (R_m = 8,314 J/mol·K) bedeuten.
Um das Ammoniakspeichersystem 32 auf seinen erforderlichen Betriebsdruck zu bringen, sind die Speicher 34 und 36 jeweils mit einer Heizeinrichtung 38 beziehungsweise 40 ausgestattet. Dabei kann es sich jeweils um elektrische Heizeinrichtungen handeln, die im Stand der Technik an sich bekannt sind, und beispielsweise eine im jeweiligen Innenraum der Speicher 34, 36 angeordnete Heizspirale enthalten können. Alternativ kann der Hauptspeicher 34 auch mit einer mit einem flüssigen Medium betriebenen Heizeinrichtung ausgestattet sein, beispielsweise einer mit einem Kühlwasser des Verbrennungsmotors 12 betriebenen Heizeinrichtung.
Bei dem NH₃-Speichermaterial der Speicher 34, 36 handelt es sich vorzugsweise um ein NH₃-komplexierendes Metallsalz, das auch als Metallammin bezeichnet wird. Beispielsweise kommen hier die Verbindungen MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x und SrCl₂(NH₃)_x in Frage, welche das gebundene NH₃ zum Teil stufenweise freisetzen. Beispielsweise setzt der Strontiumchloridamminkomplex, der pro Mol SrCl₂ bis zu acht Mol NH₃ speichern kann, sieben Mol NH₃ bei Erreichen einer Temperatur von etwa 60–80°C und das achte Mol NH₃ bei etwa 150°C frei. Haupt- und Startspeicher 34, 36 können das gleiche NH₃-Speichermaterial oder unterschiedliche enthalten.
Der Hauptspeicher 34 und der Speicher 36 stehen jeweils mit einer Gaszufuhrleitung 42 in Verbindung, die stromauf des SCR-Katalysators 30 in den Abgaskanal 24 mündet. Dabei ist an einer Verbindungsstelle des Leitungssystems ein schaltbares Ventil 44 angeordnet, das entweder den Hauptspeicher 34 oder den Speicher 36 mit der Gaszufuhrleitung 42 verbindet. Das Ventil 44 kann beispielsweise als ein 3/2-Wege-Ventil ausgestaltet sein. Daneben kann eine weitere Ventilstellung vorgesehen sein, welche die beiden Speicher 34 und 36 miteinander verbindet, aber von der Leitung 42 trennt. Stromab des Ventils 44 ist eine steuerbare Drosseleinrichtung 46 zur variablen Einstellung des NH₃-Stroms angeordnet, das etwa als ein Drosselventil (Massflow-Regler) oder als steuerbares Gasdosierventil ausgestaltet sein kann.
Im Hauptspeicher 34 ist zudem an einer oder an mehreren Positionen ein Temperatursensor 48 zur Erfassung einer Speichertemperatur T_Speicher angeordnet. Außerdem ist ein Drucksensor 50 an einer oder an mehreren Positionen des Hauptspeichers 34 vorgesehen, welcher den Speicherdruck p_Speicher misst. Für die Ausführung des Verfahrens müssen nicht zwingend beide Sensoren vorhanden sein, vielmehr kann auch nur ein Temperatur- oder ein Drucksensor installiert sein. Zusätzlich können entsprechende Sensoren auch im Leitungssystem 42 und/oder im Speicher 36 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Die Signale der Sensoren 48 und 50 finden Eingang in eine Steuereinrichtung 52 zur Steuerung des Betriebs des Ammoniakspeichersystems 32. Die Steuereinrichtung 52 steuert in Abhängigkeit dieser und anderer Signale die Heizleistungen der elektrischen Heizeinrichtungen 38 und 40, die Stellung des Schaltventils 44 sowie die Stellung der Drosseleinrichtung 46.
Die Steuereinrichtung 52 ist im dargestellten Beispiel in ein Motorsteuergerät 54 integriert, kann jedoch auch als eigenständiges Gerät installiert sein. Das Motorsteuergerät 54 dient im Wesentlichen der Steuerung des Verbrennungsmotors 12 und steuert insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt die Öffnung der Drosseleinrichtung 22 sowie die Einspritzanlage 16. Zu diesem Zweck werden verschiedene Signal an das Motorsteuergerät 54 übermittelt, beispielsweise eine Motordrehzahl durch einen Drehzahlsensor, eine angeforderte Motorlast durch einen Pedalwertgeber, eine Motortemperatur durch einen Kühlwassertemperatursensor usw.. Darüber hinaus können verschiedene Gas- und Temperatursensoren im Abgaskanal 24 angeordnet sein, deren Signale ebenfalls Eingang in das Motorsteuergerät 54 oder die Steuereinrichtung 52 finden.
Das in 1 dargestellte Ammoniakspeichersystem 32 zeigt – bei Auslegung des kleinvolumigen Speichers 36 als Startspeicher – folgende Funktionsweise. Bei Inbetriebnahme des Systems nach einem Kaltstart liegt üblicherweise nicht der erforderliche Betriebsdruck vor, um eine ausreichende Ammoniakzufuhr stromauf des SCR-Katalysators 30 zu gewährleisten. Zu diesem Zweck erfolgt gleichzeitig eine Beheizung beider Speicher 34 und 36 jeweils über ihre Heizeinrichtung 38 beziehungsweise 40. Aufgrund seines geringen Volumens hat der Startspeicher 36 bereits nach kurzer Heizdauer seine erforderliche Temperatur und damit den Betriebsdruck erreicht. Sobald dies der Fall ist, wird das Ventil 44 in eine Stellung geschaltet, die nur den Startspeicher 36 mit der Gaszufuhrleitung 42 verbindet. In dieser Phase wird somit der gesamte Ammoniakbedarf des SCR-Katalysators 30 durch den Startspeicher 36 gespeist, wobei der NH₃-Massenstrom über das Drosselventil 46 gesteuert wird. Der NH₃-Bedarf des SCR-Katalysators 30 wird vorzugsweise betriebspunktabhängig ermittelt, so dass die Zufuhr über eine geeignete Ansteuerung des Ventils 46 bzw. Massflow-Reglers bedarfsgerecht erfolgt.
Sobald auch der Hauptspeicher 34 seinen Betriebsdruck erreicht hat, erfolgt eine Umschaltung der Ammoniakversorgung über das Ventil 44, so dass der Hauptspeicher 34 mit der Gaszufuhrleitung 42 verbunden ist. Nun kann die gesamte Ammoniakversorgung aus dem Hauptspeicher 34 gedeckt werden. Zudem erfolgt eine Auffüllung des Startspeichers 36 mit Ammoniak, die ebenfalls aus dem Hauptspeicher 34 gedeckt wird. Dabei kann entweder die Verbindung zwischen Haupt- und Startspeicher 34, 36 unmittelbar nach der Versorgungsumstellung auf den Hauptspeicher 34 erfolgen oder zu einem späteren Zeitpunkt, etwa nach Abschalten des Systems.
In alternativer Ausgestaltung ist der kleinvolumige Speicher 36 als Betriebsspeicher ausgelegt, der über den gesamten Betrieb die NH₃-Versorgung des SCR-Katalysators 30 übernimmt und seinerseits kontinuierlich oder diskontinuierlich durch den Hauptspeicher 34 mit NH₃ beladen wird. In diesem Fall können Hauptspeicher 34, Betriebsspeicher 36 und SCR-Katalysator 30 auch in Reihe geschaltet sein.
Nachfolgend wird die Bestimmung des NH₃-Beladungszustandes eines der Speicher des SCR-Katalysatorsystems 28 beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell für jeden der Speicher 34, 36 angewendet werden, ist jedoch für den Hauptspeicher 34 von besonderem Interesse, da der Start- oder Betriebsspeicher 36 ohnehin ständig aufgefüllt wird, weswegen sich die folgende Beschreibung lediglich auf den Hauptspeicher 34 bezieht.
Füllstandsüberwachung des NH₃-Speichers
Um einen Füllstand des Hauptspeichers 34 zu ermitteln, macht sich die vorliegende Erfindung den Umstand zunutze, dass sich die Wärmekapazität des Speichers 34 mit dem Beladungszustand des NH₃-Speichermaterials ändert. Dieses ist in Tabelle 1 am Beispiel von SrCl₂(NH₃)_x gezeigt, aus der ersichtlich wird, dass das gesättigte Salz (NH₃-angereicherte Form) fast die zehnfache spezifische Wärmekapazität der NH₃-freien Form aufweist. Tabelle 1:

SrCl₂(NH₃)₈ SrCl₂ NH₃

spez. Wärmekapazität [J/mol·K] 707,4 76 35,8 (bei 25°C)

Molmasse [g/mol] 294,76 158,52 17,03
Es liegt somit eine Abhängigkeit der Wärmekapazität vom NH₃-Beladungszustand des Speichers 34 vor. Die Wärmekapazität des Speichers 34, die sich aus der Wärmekapazität des NH₃-Speichermaterials sowie sämtlicher konstruktiver Elemente (Speichermantel, Dämmstoffe, Heizeinrichtung und Sensoren) zusammensetzt, hat einen direkten Einfluss auf das Abkühl- und Aufheizverhalten des Speichers. Erfindungsgemäß wird daher während eines Wärmeeintrags in den Speicher 34 und/oder eines Wärmeaustrags aus demselben wenigstens eine Zustandsgröße des Speichers erfasst, die sein Aufheizverhalten und/oder sein Abkühlverhalten charakterisiert. In Abhängigkeit von der Zustandsgröße kann dann rechnerisch und/oder über Kennfelder der NH₃-Beladungszustand ermittelt werden. Insbesondere kommen als Zustandsgrößen temperaturbezogene oder druckbezogene Größen infrage, die mit dem Temperatursensor 48 beziehungsweise dem Drucksensor 50 erfasst werden können.
Insbesondere kann eine Temperaturänderung beziehungsweise ein Temperaturgradient im Speicher mit dem Temperatursensor 48 erfasst werden. Die Temperaturänderung lässt sich mit Gleichung 2 beschreiben, in welcher der erste Term des Klammerausdrucks die Temperaturänderung infolge einer mittels der Heizeinrichtung 38 zugeführten Wärmemenge berücksichtigt, der zweite Term den Wärmeaustausch mit der Umgebung und der dritte Term die Desorptions- beziehungsweise Absorptionswärme des NH₃-Speichermaterials. In Gleichung 2 bedeutet T_Speicher die Temperatur des Speichers 34, C_Speicher(Füllstand) die füllstandsabhängige Wärmekapazität des Speichers, Q_ZU die über die Heizeinrichtung 38 zugeführte Wärmemenge, α der Wärmeübergangskoeffizient zwischen einem Speichermantel und der Umgebung, A die Manteloberfläche des Speichers, T_Mantel die Temperatur des Speichermantels, T_Umgebung die Umgebungstemperatur, n_NH3 die NH₃-Stoffmenge und ΔH_r die Desorptions- beziehungsweise Absorptionsenthalpie des NH₃-Speichermaterials.
Die Temperaturänderung des Speichers während seiner Beheizung oder während seiner Abkühlung und die Änderung der freien NH₃-Stoffmenge in der Gasphase des zur Verfügung stehenden Poren- und Leitungsvolumen bewirken eine Druckänderung im Speicher 34. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise durch Gleichung 3 beschrieben werden, in welcher ΔS_r die Desorptions- beziehungsweise Absorptionsentropie des NH₃-Speichermaterials, R_m die universelle Gaskonstante und V_frei das freie Gasvolumen im Speicher 34, insbesondere in den Poren des Speichermaterials und in den Leitungen, bedeuten.
Da gemäß Gleichung 3 über die Temperaturänderung dT_Speicher/dt die füllstandsabhängige Wärmekapazität gemäß Gleichung 2 in die Druckänderung einfließt, eignet sich letztere ebenfalls als Zustandgröße, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Beobachtung des Abkühl- und Aufheizverhaltens des Speichers und der Bestimmung seines Beladungszustandes herangezogen werden kann.
Die Gleichungen 2 und 3 zeigen beispielhaft Möglichkeiten für die Beschreibung der Abhängigkeiten der Temperaturänderung beziehungsweise Druckänderung im Speicher 34 während seines Aufheizens oder Abkühlens. Durch Erfassung der Temperatur- und/oder Druckänderung kann somit die Wärmekapazität des Speichers C_Speicher berechnet werden und aus dieser die Wärmekapazität des Speichermaterials, woraus auf seinen NH₃-Beladungszustand geschlossen werden kann. Diese Gleichungen können in computerlesbarer Form in der Steuereinrichtung 52 abgespeichert sein und für die Ermittlung des NH₃-Beladungszustandes verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird diese Ermittlung während einer Aufheizphase und/oder einer Abkühlphase durchgeführt, das heißt in Betriebsphasen, in denen kein NH₃ aus dem Speicher 34 entnommen wird, um dieses in den Abgaskanal 24 zu dosieren. Hierdurch vereinfachen sich die Zusammenhänge.
In einer alternativen Ausgestaltung werden die Zusammenhänge zwischen Wärmezu- und -abfluss und der Temperatur- beziehungsweise Druckänderung im Speicher 34 bei definierten NH₃-Belandungszuständen empirisch ermittelt und in Kennfeldern abgespeichert, die in der Steuereinrichtung 52 in computerlesbarer Form hinterlegt werden.
2 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf des mit dem Drucksensor 50 erfassten NH₃-Dampfdrucks im Falle eines 60%igen und 90%igen NH₃-Füllstandes. Hier wurde die kontinuierliche Beheizung beendet, sobald der erwünschte Betriebsdruck (angedeutet durch den horizontalen Balken) erreicht war. Dies ist im Falle des praktisch vollen Speichers bei einer Aufheizzeit 1 der Fall und bei dem nur teilbeladenen Speicher erst bei der Aufheizzeit 2. Es wird somit ersichtlich, dass die notwendige Aufheizzeit bis zum Erreichen des Betriebsdrucks (oder eines anderen vorbestimmten Drucks) mit abnehmenden Füllstand des Speichers 34 stark ansteigt.
2 verdeutlicht, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung statt der Temperatur- oder Druckänderung auch eine Aufheizzeit (oder eine kumulierte, durch die Heizeinrichtung 38 eingebrachte Heizleistung) gemessen werden kann, bis zu der ein vorbestimmter Druck im Speicher aufgebaut wird, und in Abhängigkeit der so erfassten Aufheizzeit der NH₃-Beladungszustand des Speichers aus einem Kennfeld beziehungsweise einer Kennlinie ausgelesen werden kann. Ebenso kann eine Zeitspanne und/oder kumulierte Heizleistung bis zur Erreichung einer vorbestimmten Speichertemperatur erfasst und für die Ermittlung der Beladung herangezogen werden.
Die Diagnose kann während einer Aufheizphase oder Abkühlphase des Speichers 34 durchgeführt werden. Die Durchführung während der Abkühlphase bietet den Vorteil, dass dem Speicher keine Wärme mehr zugeführt wird. Da der Abkühlvorgang ein relativ langsamer Prozess ist, folgt die sich im Speicher ausbildende Temperatur- und/oder Druckänderung sehr gut dem Absorptions- und Desorptionsgleichgewicht der Gleichung 1. Das Diagnoseverfahren während der Abkühlphase wird in einer entsprechenden Nachlaufstrategie in der Steuereinrichtung 52 appliziert. Die Betrachtung der Zustandsgrößen während der Aufheizphase hat dagegen den Vorteil, dass die Auswertung während des Fahrzeugbetriebs durchgeführt werden kann.
Um die Diagnose zu verbessern, können in vordefinierten Zeitintervallen weitere Diagnosezeitpunkte definiert werden, an denen der aktuelle Speicherdruck und/oder die aktuelle Speichertemperatur abgefragt wird. Auch diese Zustandsgrößen können mit geeigneten, in der Steuereinrichtung 52 hinterlegten Kennlinien und Kennfeldern abgeglichen werden und hieraus der Füllstand bestimmt werden.
Auswertung des Übergangs zwischen zwei Zersetzungsstufen
Die Freisetzung der in einem Metallamminsalz gespeicherten NH₃-Menge erfolgt in mehreren Zersetzungsstufen. Das SrCl₂(NH₃)_x-System beispielsweise weist zwei Zersetzungsstufen auf, wobei bei der ersten Zersetzungsstufe 7 mol NH₃ pro mol SrCl₂ und in der zweiten Zersetzungsstufe 1 mol NH₃ pro mol SrCl₂ freigesetzt werden. Bei der zweiten Zersetzungsstufe liegt die erforderliche Betriebstemperatur und Desorptionsenthalpie (Heizleistung) höher als bei der ersten Zersetzungsstufe. Aus energetischen Gründen ist es daher sinnvoll, den Speicher 34 nicht vollständig zu entleeren, sondern nur die erste Zersetzungsstufe für die NH₃-Versorgung des Katalysatorsystems 30 zu nutzen. So können bei dem Strontiumchlorid-Speichermaterial die 12,5% der in der zweiten Zersetzungsstufe freisetzbaren NH₃-Menge als Reserve im Speicher vorgehalten werden, um die Systemfunktion zu gewährleisten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann daher mit Vorteil derjenige NH₃-Füllstand bestimmt werden, der den Übergang von der ersten zur zweiten Zersetzungsstufe des verwendeten NH₃-Speichermaterials kennzeichnet.
3 zeigt am Beispiel für das Strontiumchloridsalz die Temperatur-Druck-Gleichgewichtskurven für das Speichermaterial in seiner ersten Zersetzungsstufe (SrC1₂(NH₃)_x mit x = 2 bis 8) und für seine zweite Zersetzungsstufe (SrCl₂(NH₃)). Um festzustellen, in welcher Zersetzungsstufe das Speichermaterial vorliegt, können nun die beiden Zustandsgrößen Speichertemperatur und Speicherdruck gemessen werden. Durch ein Abgleich mit einem abgespeicherten Druck-Temperatur-Kennfeld kann die Zersetzungsstufe ermittelt werden.
Dieses Verfahren wird noch genauer, wenn zur Bestimmung der Zersetzungsstufe zwei oder mehr „Stützpunkte” erfasst werden. Beispielsweise kann in einem ersten Schritt vor dem Systemstart überprüft werden, welcher Druck in dem Speicher bei der gegebenen Temperatur vorliegt. Anhand der in der Steuereinrichtung 52 hinterlegten Gleichgewichtskurven kann differenziert werden, ob der Punkt auf der Kurve für die erste oder die zweite Zersetzungsstufe liegt. Sodann wird durch Beheizung des Systems ein bestimmter Solldruck eingeregelt, der vorzugsweise im Bereich von 1,5 bis 3,5 bar liegt. Dieser Betriebsdruck ist in 3 anhand des horizontalen Balkens verdeutlicht. Wird nun die bei dem vorbestimmten Druck vorliegende Temperatur erfasst, kann wiederum anhand der abgespeicherten Kennlinien ermittelt werden, welcher Zersetzungsstufe der Punkt entspricht.
Da der Abkühlvorgang relativ langsam verläuft, folgt das System auch hier wieder sehr gut der Gleichgewichtskurve gemäß Gleichung 1, so dass das reale Messsystem gut mit dem Modell korreliert.
Sobald der Übergang auf die zweite Zersetzungsstufe diagnostiziert wird, wird durch die Steuereinrichtung 52 ein Kartuschenwechselsignal an den Fahrer und/oder an ein OBD-System ausgegeben. Da zu diesem Zeitpunkt noch eine Reserve von 12,5% der maximal speicherbaren NH₃-Menge vorliegt, kann auf dieser Basis eine Strecke bestimmt werden, die voraussichtlich bis zum nächsten Speicherwechsel mit dem Fahrzeug noch zurückgelegt werden kann. Auch diese Angabe kann dem Fahrer angezeigt werden.
Füllstandskontrolle nach Speicherwechsel
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch, um Plausibilitätsprüfungen durchzuführen, mit denen sichergestellt werden kann, dass bei einem Speicherwechsel nicht manipuliert werden kann. Beispielsweise muss verhindert werden, dass, nachdem ein Fahrer zum Speicherwechsel aufgefordert wurde, der entleerte Speicher aus seiner Halterung entfernt und derselbe Speicher sofort wieder eingesetzt wird, um einem OBD-System einen Speicherwechsel vorzutäuschen und das System wieder zu initialisieren.
In diesem Zusammenhang wird bei dem ersten Systemstart nach Einsetzen eines Speichers wiederum während eines Wärmeeintrags in diesen und/oder eines Wärmeaustrags aus diesem wenigstens eine das Aufheizverhalten und/oder das Abkühlverhalten des Speichers charakterisierende Zustandsgröße erfasst. Die erfasste Zustandsgröße wird dann im Rahmen einer Plausibilitätsprüfung mit geeigneten Kriterien überprüft, die sicherstellen, dass die Zustandsgröße mit einem NH₃-Beladungszustand des Speichers korreliert, der einer zumindest annähernd vollen Kartusche entspricht. Beispielsweise kann hier die Zeitspanne und/oder die kumulierte Heizleistung erfasst werden, bis ein vorbestimmter Druck im Speicher, insbesondere sein üblicher Betriebsdruck, erreicht ist. Mit Verweis auf 2 kann somit die erfasste Aufheizzeit bis zum Erreichen des Betriebsdrucks mit der Aufheizzeit 1, die für einen Speicher ermittelt wurde, dessen NH₃-Beladungszustand zumindest 90% beträgt, abgeglichen werden. Dabei kann ein Toleranzbereich Δt für die Aufheizzeit vorgegeben werden. Liegt die erfasste Aufheizzeit innerhalb des Toleranzbereichs Δt, so stellt das System einen ordnungsgemäß gefüllten Speicher fest und gibt ihn frei. Liegt die erfasste Aufheizzeit hingegen unterhalb des Toleranzbereichs, so wird der Fahrer weiterhin aufgefordert, den Speicher zu wechseln. Bei Unterschreitung eines vorbestimmten unteren kritischen Wertes für die Aufheizzeit oder eines anderen Kriteriums, kann sogar der Fahrzeugbetrieb gesperrt werden.
Alternativ zur erfassten Aufheizdauer oder kumulierten Aufheizleistung kann auch überprüft werden, ob ein Druckgradient und/oder der Verlauf des Drucks in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen.
Um das Einsetzen eines neuen Speichers in die Kartuschenhalterung feststellen zu können, kann in der Kartuschenhalterung ein geeigneter Mechanismus, beispielsweise ein Tastschalter oder ein optischer Signalgeber, integriert sein, der beim Einsetzen der Kartusche ausgelöst wird. Um Systemmanipulationen noch sicherer zu begegnen, kann in dem Steuerungsalgorithmus der Steuereinheit 52 ein Zähler (Timer) integriert sein, der nach einem Speicherwechsel zurückgesetzt wird und zu laufen beginnt. Wenn nach einem Speicherwechsel die vorstehend beschriebene Plausibilitätsprüfung einmal durchgeführt wurde, muss eine vorbestimmte Betriebsdauer und/oder eine vorbestimmte zurückzulegende Fahrstrecke erreicht werden, bevor die Füllstandskontrolle nach einem Speicherwechsel erneut ausgelöst werden darf.
Voraussetzung sollte allerdings sein, dass die initiale Füllstandskontrolle tatsächlich auch abgeschlossen werden konnte, was bei einem Kurzstreckenbetrieb nicht immer sichergestellt werden kann. Sollte daher die initiale Füllstandskontrolle nach einem Speicherwechsel beispielsweise aufgrund einer zu kurzen Betriebsdauer nicht abgeschlossen werden können, kann vorgesehen sein, die Plausibilitätsprüfung so oft durchzuführen, bis sie abgeschlossen werden kann.
Zusätzlich können noch Plausibilitätsprüfungen mit Hilfe von NO_x-Sensoren und/oder NH₃-Sensoren durchgeführt werden.
Verplombung des Speichers
Um weiter sicherzustellen, dass nur ordnungsgemäß befüllte Speicher verwendet werden, werden gemäß einer Ausführung der Erfindung die Speicherkartuschen nach ihrer Wieder- oder Erstbefüllung werksseitig verplombt. Zu diesem Zweck kann an der Speicherkartusche und/oder an der fahrzeugseitigen Kartuschenhalterung eine geeignete mechanisch betätigbare Vorrichtung vorhanden sein. Beim Einsetzen des Speichers in seine Halterung wird durch die Plombe an der Kartusche der Mechanismus an der Kartuschenhalterung betätigt. Dieser Vorgang sollte nur einmal möglich sein, um zu verhindern, dass bei einem Kartuschenwechsel eine nicht ordnungsgemäß gefüllte Kartusche eingesetzt werden kann.
Bei dem Verplombungsmechanismus an der Speicherkartusche kann es sich beispielsweise um einen federbelasteten Bolzen handeln, der beim Einsetzen der Kartusche eine definierte Kraft auf den Auslösemechanismus an der fahrzeugseitigen Kartuschenhalterung ausübt. Wenn dieser Bolzen einmal betätigt, insbesondere reingedrückt wurde, wird er arretiert. Diese Arretierung sollte nur mit Spezialwerkzeugen durch die für die Wiederbefüllung verantwortlichen Unternehmen gelöst werden können.
Speicherchip auf der Speicherkartusche
Als weitere Maßnahme, um bei einem Speicherwechsel zu gewährleisten, dass die leere Kartusche durch eine volle Kartusche ersetzt wird, ist nach einer weiteren Ausführung an der Kartusche ein Speicherchip angebracht, der der Steuereinrichtung 52 meldet, dass eine neue volle Speicherkartusche eingesetzt wurde. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können auf dem Chip zusätzliche Daten gespeichert werden, beispielsweise die gespeicherte NH₃-Menge, eine unter Einhaltung einer Reserve entnehmbare NH₃-Menge und/oder andere Daten. Weitere Angaben können beispielsweise Angaben zum Speichermaterial, insbesondere eine Druck-Temperatur-Kennlinie, Kennlinien zur Füllstandserfassung, Angaben zur Desorptionsenthalpie und/oder -entropie etc. umfassen.
Sobald die Speicherkartusche entleert ist beziehungsweise eine untere Füllstandsgrenze erreicht hat, wird dies auf dem Speicherchip registriert. Der Speicherchip wird dann nach einer Wiederbefüllung werksseitig zurückgesetzt.
Dichtigkeitsprüfung
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der Dichtigkeit des Ammoniakspeichersystems 32 des SCR-Katalysatorsystems 28, insbesondere des Leitungssystems 42, das insbesondere sämtliche Leitungen zwischen den verschiedenen Speichern 34, 36 und dem Abgaskanal 24 umfasst.
Eine erste Ausführung ist in 4 dargestellt, in welcher ein SCR-Katalysatorsystem 28 entsprechend 1 gezeigt ist, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Einige Elemente, beispielsweise die Steuereinrichtung 52, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 4 und 5 nicht dargestellt. Zusätzlich zu dem Drosselventil 46 umfasst das Gaszufuhrleitungssystem 42 gemäß 4 weitere Absperrorgane 56, 58, insbesondere Ventile oder Magnetventile, durch welche die Speicher 34, 36 von dem Leitungssystem 42 getrennt werden können. Mit 60 ist zudem ein Rückschlagventil bezeichnet. Um nun zu überprüfen, ob das Leitungssystem 42 eine ausreichende Dichtigkeit aufweist, wird ein vorbestimmter Überdruck in dem Leitungssystem 42 bei geschlossen Absperrorganen 46, 56, 58 aufgebaut. Die Trennung der Speicher 34 und 36 von dem Leitungssystem 42 ist erforderlich, damit keine Druckänderung durch einen eventuellen NH₃-Desorptions- oder Adsorptionsvorgang erfolgen kann. Sodann wird mittels eines im Gaszufuhrleitungssystem 42 installierten Drucksensors 62 überprüft, ob der Druck für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten werden kann. Ist dies der Fall, so wird mittels der Steuereinrichtung 52 das System als in Ordnung gekennzeichnet. Wird hingegen ein Druckabfall beobachtet, der eine vorbestimmte Toleranz überschreitet, wird eine Leckage erkannt und gemeldet und das System deaktiviert. Zusätzlich können noch Sicherheitsventile in das System integriert werden, die im Falle einer Leckage geschlossen werden, um einen Ammoniakaustritt in die Umgebung zu verhindern. Sodann wird durch die Steuereinrichtung 52 ein Signal an den Fahrer ausgegeben, das diesen auffordert, eine Werkstatt aufzusuchen.
In einer alternativen Ausführung eines Systems zur Dichtigkeitsprüfung des Gaszufuhrleitungssystems 42, welche in 5 dargestellt ist, sind die zu überprüfenden Abschnitte des Leitungssystems 42 mit einer doppelten Außenwand 64 ausgestaltet.
In einer Ausgestaltung liegt zwischen beiden Leitungswandungen ein Gas, beispielsweise Luft, bei einem vorbestimmten Druck vor, der mit dem Drucksensor 62 erfasst wird. Der zwischen den beiden Wandungen befindliche Zwischenraum sollte hermetisch von der Umgebung abgeschlossen sein, insbesondere nicht mit dem Abgaskanal 24 und den Speichern 34, 36 kommunizieren. Wird innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls eine Druckänderung festgestellt, die einem vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird das Vorliegen einer Leckage durch die Steuereinrichtung 52 festgestellt. Damit auch ein Loch im äußeren Mantel des doppelwandigen Rohres 64 detektiert werden kann, wird in den Zwischenraum ein von dem Umgebungsdruck abweichender Druck, also ein Unter- oder ein Überdruck angelegt.
Im Falle der doppelwandigen Ausführung der Rohrleitungen gemäß 5 können weitere Varianten zur Dichtigkeitsprüfung vorgesehen sein, die auf der direkten oder indirekten Detektion von eindringendem Ammoniak in den Zwischenraum basieren. Insbesondere kann in dem Zwischenraum ein stark NH₃-adsorbierendes Material angeordnet sein, das NH₃-endotherm, insbesondere aber exotherm adsorbiert. Eine Temperaturänderung, die mit einem Temperatursensor 66 in dem Zwischenraum detektiert wird und die nicht mit einer Änderung der Umgebungstemperatur korreliert, führt zu der Feststellung einer Leckage.
Alternativ kann ebenfalls ein stark NH₃-adsorbierendes Material in dem Zwischenraum des doppelwandigen Leitungssystems 64 angeordnet sein, das zu einer pH-Wertänderung infolge der Adsorption führt. Diese pH-Wertänderung kann mittels eines pH-Sensors (in 5 nicht dargestellt) erfasst werden.
In weiterer alternativer Ausführung kann ein NH₃-Sensor 68 in den Zwischenraum des doppelwandigen Leitungssystems 64 angeordnet sein, der eine direkte Messung der NH₃-Konzentration im Zwischenraum vornimmt.
Funktionsüberprüfung der Dosiereinrichtung
Um die beispielsweise als Drosselventil ausgestaltete Dosiereinrichtung 46 funktionell zu überprüfen, wird vorgeschlagen, in einem ersten Schritt bei geschlossener Dosiereinrichtung 46 einen Druckaufbau im Leitungssystem durchzuführen. Sobald nach einem Systemstart ein geeigneter Druckaufbau registriert wird, zeigt dies, dass gasförmiges NH₃ für die Dosierung im System vorhanden ist und dass eine Dichtigkeit des Ventils 46 vorliegt. Zudem kann während des Systembetriebs überprüft werden, ob ein vorbestimmter Druck im Leitungssystem 42 vorliegt.
Zusätzlich kann die Systemfunktion mithilfe einer Durchflussmessung der als Massflow-Regler ausgestalteten Dosiereinrichtung überwacht werden. Zusätzlich oder alternativ kann der NO_x-Umsatz am SCR-Katalysator 30 über NO_x-Sensoren überwacht werden, die im Abgaskanal 24 stromauf und/oder stromab des Katalysators 30 installiert sind.
Alternativ kann über die Detektion von NH₃ stromauf des SCR-Katalysators 30 mittels eines dort installierten NH₃-Sensors oder mittels einer NH₃-Querempfindlichkeit des NO_x-Sensors die korrekte Dosierfunktion der Dosiereinrichtung 46 überwacht werden.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Verbrennungsmotor
14: Abgasanlage
16: Einspritzanlage
18: Zylinder
20: Ansaugkanal
22: Drosseleinrichtung
24: Abgaskanal
26: erster Katalysator
28: SCR-Katalysatorsystem
30: SCR-Katalysator
32: Ammoniakspeichersystem
34: Hauptspeicher
36: Speicher (Startspeicher/Betriebsspeicher)
38: Heizeinrichtung
40: Heizeinrichtung
42: Gaszufuhrleitung
44: Ventil
46: Dosiereinrichtung (Drosselventil/Massflow-Regler)
48: Temperatursensor
50: Drucksensor
52: Steuereinrichtung
54: Motorsteuergerät
56: Ventil
58: Ventil
60: Rückschlagventil
62: Drucksensor
64: Doppelte Außenwand
66: Temperatursensor
68: NH₃-Sensor

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 102006061370 A1 [0005]
EP 1977817 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines NH₃-Beladungsstandes eines Speichers (34) eines Ammoniakspeichersystems (32) eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystems (28), wobei der Speicher (34) ein NH₃-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak (NH₃) reversibel zu binden vermag, und mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Wärmeeintrags in den Speicher (34) und/oder Wärmeaustrags aus dem Speicher (34) wenigstens eine, ein Aufheizverhalten und/oder ein Abkühlverhalten des Speichers (34) charakterisierende Zustandsgröße des Speichers (34) erfasst wird und der NH₃-Beladungsstand des Speichers (34) in Abhängigkeit von der wenigstens einen Zustandsgröße bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine, das Abkühlverhalten und/oder das Aufheizverhalten des Speichers (34) charakterisierende Zustandsgröße während einer Betriebsphase beobachtet wird, in der dem Speicher (34) kein Ammoniak entnommen wird, insbesondere während einer Beheizung des Speichers (36) bei Systemstart oder bei Abkühlung des Speichers (34) nach Abstellen des Systems.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zustandsgröße eine temperaturbezogene und/oder druckbezogene Größe ist, insbesondere eine druckbezogene Größe.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zustandsgröße eine Temperaturänderung im Speicher (34); eine Druckänderung im Speicher (34); eine Zeitspanne und/oder kumulierte Heizleistung bis zur Erreichung einer vorbestimmten Temperatur im Speicher (34); eine Zeitspanne und/oder kumulierte Heizleistung bis zur Erreichung eines vorbestimmten Drucks im Speicher (34); eine nach einer vorbestimmten Zeit und/oder vorbestimmten kumulierten Heizleistung erreichte Temperatur im Speicher (34) und/oder einen nach einer vorbestimmten Zeit und/oder vorbestimmten kumulierten Heizleistung erreichten Druck im Speicher (34) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der wenigstens einen Zustandsgröße eine Wärmekapazität des Speichers (34) bestimmt wird und in Abhängigkeit der Wärmekapazität des Speichers (34) der NH₃-Beladungsstand des Speichers (34) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des NH₃-Beladungsstandes des Speichers (34) rechnerisch unter Anwendung gespeicherter Rechenvorschriften erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des NH₃-Beladungsstandes des Speichers (34) unter Anwendung gespeicherter Kennfelder erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des NH₃-Beladungsstandes zur Prognose einer Reichweite eines mit dem SCR-Katalysatorsystem (28) ausgestatteten Fahrzeugs (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des NH₃-Beladungsstandes zur Füllstandskontrolle eines neu eingewechselten Speichers (34) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstandskontrolle einmalig nach Einwechselung des Speichers (34) durchgeführt wird und eine erneute Kontrolle nicht vor Ablauf einer vorbestimmten Betriebsdauer oder einer vorbestimmten zurückgelegten Fahrstrecke ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das NH₃-Speichermaterial des Speichers (34) aus der Gruppe der NH₃-komplexierenden Metallsalze, insbesondere der Alkali- und Erdalkalimetallsalze, vorzugsweise umfassend MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x und SrCl₂(NH₃)_x; und NH₃-adsorbierenden Feststoffen, insbesondere Aktivkohle und Zeolithen, gewählt ist.
SCR-Katalysatorsystem (28) mit zumindest einem SCR-Katalysator (30) und einem Ammoniakspeichersystem (32) das zumindest einen mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestatteten Speicher (34) umfasst, der ein NH₃-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak (NH₃) reversibel zu binden vermag, gekennzeichnet, durch eine Steuereinrichtung (52), die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Fahrzeug (10) mit einem SCR-Katalysatorsystem (28) nach Anspruch 12.