DE102009060288A1

DE102009060288A1 - Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems eines SCR-Katalysatorsystems sowie Ammoniakspeichersystem

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Publication number: DE102009060288A1
Application number: DE102009060288A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. 38442 Herr; André Dr.-Ing. 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 Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems (32) eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystems (28), wobei das Ammoniakspeichersystem (32) zumindest einen, mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestatteten Hauptspeicher (34) umfasst, der ein NH3-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak (NH3) reversibel bindet, und zur Desorption von NH3 aus dem NH3-Speichermaterial der Hauptspeicher (34) mit der Heizeinrichtung (38) beheizt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystems. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Ammoniakspeichersystem für ein SCR-Katalysatorsystem.
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 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 Molekül SrCl₂ acht Moleküle NH₃. Zudem lassen diese Verbindungen eine gut kontrollierbare Freisetzung des Ammoniaks zu und sind sehr sicher.
Für den Betrieb eines auf Metallamminen basierenden Ammoniakspeichersystems ist ein bestimmter NH₃-Dampfdruck in der das NH₃-Speichermaterial enthaltenden Speicherkartusche erforderlich. Bei Inbetriebnahme des Systems, insbesondere einem Kaltstart, wird die über eine Heizeinrichtung zugeführte Wärmemenge zunächst zum Aufheizen des Speichers und damit dem Aufbau des entsprechenden Systemdrucks benötigt, so dass eine gewisse Zeit vergeht, ehe das System betriebsbereit ist.
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. Dieses System erlaubt im Falle einer unerwünschten Aufheizung, beispielsweise infolge von Sonneneinstrahlung bei abgestelltem Fahrzeug, die schnelle Aufnahme des aus dem Hauptspeicher freigesetzten NH₃ durch den Betriebsspeicher.
Wie bereits erwähnt, kann die Beheizung des Hauptspeichers elektrisch oder mit Motorkühlwasser erfolgen. Das mit Kühlwasser beheizte System hat den Vorteil, dass nur der elektrische Leistungsbedarf des Startspeichers einen direkten Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Bilanz hat. Jedoch lässt sich hiermit nur ein vergleichsweise langsamer Temperatur- und Druckaufbau im System erreichen und der Bauraumbedarf ist relativ groß.
Bei dem elektrisch beheizten System wird der erforderliche Betriebsdruck im Hauptspeicher am schnellsten erreicht, wenn dieser mit der vollen installierten Leistung kontinuierlich beheizt wird. Diese Strategie hat allerdings verschiedene Nachteile (siehe zum Beispiel Tue Johannessen: 6th International CTI-Forum, 30.01.2008):

– Zunächst steigt nach dem Abschalten der Beheizung der Druck im Hauptspeicher weiter an und erreicht Werte, die oberhalb des Betriebsdrucks liegen. Dies bedeutet, dass insbesondere während kurzer Betriebsphasen mehr Wärme eingebracht wird als eigentlich erforderlich.
– Zudem steigt die erforderliche Aufheizzeit und die mittlere Heizleistung mit abnehmenden NH₃-Füllstand im Hauptspeicher stark an. Dieser negative Effekt des geringen NH₃-Füllstandes wird durch die geringere Wärmekapazität des niedrig befüllten Speichers nur teilweise kompensiert. Abhängig von der installierten Heizleistung und der Größe des Hauptspeichers ist es ab einem bestimmten unteren NH₃-Füllstand somit nicht mehr möglich, den Hauptspeicher innerhalb einer kurzen Betriebsdauer aufzuheizen.
– Nachteilig ist ferner, dass der hohe Energiebedarf für die Aufheizung vollständig in den standardisierten Testzyklus zur Erfassung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch fällt, so dass sich die CO₂-Bilanz verschlechtert. Dies spiegelt jedoch nicht die wahre Bilanz für längere Betriebszeiten wieder, da nach Erreichen des Betriebsdrucks der Energiebedarf für das System sehr gering ist.

Aus DE 199 35 920 A1 ist ein SCR-Katalysatorsystem basierend auf einer wässrigen Harnstofflösung als NH₃-abspaltende Substanz bekannt. Um die bei –11°C frierende Harnstofflösung oberhalb des Schmelzpunktes zu halten, erfolgt eine Beheizung mithilfe eines Kühlwasserstroms des Motors. Aufgrund der thermischen Instabilität der Harnstofflösung wird eine Erwärmung auf Temperaturen oberhalb von 60°C durch Einsatz von Thermostatventilen verhindert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems eines SCR-Katalysatorsystems basierend auf einem reversibel Ammoniak bindenden NH₃-Speichermaterial vorzuschlagen, das gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Energiebilanz aufweist. insbesondere soll die zur Freisetzung des Ammoniaks aus dem Speichermaterial erforderliche Heizleistung auf das notwendige Maß bemessen werden und so genannte Drucküberschwinger vermieden werden. Es soll ferner ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes Ammoniakspeichersystem für ein SCR-Katalysatorsystem bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und durch ein Ammoniakspeichersystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf das Betreiben eines Ammoniakspeichersystems eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion arbeitenden Katalysatorsystems. Dabei umfasst das Ammoniakspeichersystem zumindest einen, mit einer Heizeinrichtung ausgestatteten Hauptspeicher, welcher ein NH₃-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak reversibel bindet. Zur Desorption von NH₃ aus dem NH₃-Speichermaterial wird der Hauptspeicher mittels der Heizeinrichtung beheizt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Beheizung des zumindest einen Hauptspeichers unter Verwendung eines im Hauptspeicher vorliegenden Drucks als Führungsgröße gesteuert erfolgt. Dabei wird eine über die Heizeinrichtung des Hauptspeichers eingebrachte Wärmemenge so bemessen, dass sich ein vorbestimmter Solldruck, der insbesondere dem Betriebsdruck entsprechen kann, im Hauptspeicher entsprechend einem temperaturabhängigen Druckmodell einstellt. Das verwendete Druckmodell berechnet eine Druckänderung im Hauptspeicher in Abhängigkeit von der Temperatur beziehungsweise von einer Temperaturänderung des Hauptspeichers voraus.
In seiner einfachsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient somit ein Druckmodell, das als Rechenvorschrift oder in Form eines Kennfeldes hinterlegt sein kann, als Steuerungsmittel zur Steuerung der über die Heizeinrichtung eingebrachten Wärmemenge, so dass sich der Solldruck entsprechend der Prognose des Druckmodells einstellt. Auf diese Weise wird erstens erreicht, dass die über die Wärmemenge eingebrachte Energie auf das erforderliche Maß abgestimmt wird und somit an den tatsächlichen, zur Einstellung des Betriebsdrucks erforderlichen Bedarf angepasst wird. Hierdurch lässt sich die Energiebilanz verbessern und somit der Kraftstoffverbrauch und der CO₂-Ausstoß verringern. Gleichzeitig werden unerwünschte Drucküberschwinger oberhalb des angestrebten Drucks vermieden. Schließlich wird der Gesamtenergieeintrag bis zum Erreichen des Solldrucks über eine längere Betriebsdauer erstreckt, wodurch sich die Energiebilanz für kurze Betriebsdauern und in standardisierten Testzyklen verbessert. Zudem kann mit Vorteil der Energiebeitrag pro Zeiteinheit auf einen maximalen, unterhalb der maximal möglichen Leistung liegenden Wert beschränkt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung bestimmt das verwendete Druckmodell die Änderung des Drucks im Hauptspeicher in Folge der durch die Heizeinrichtung erzeugten Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von einem Dampfdruck des NH₃-Speichermaterials. Der Zusammenhang zwischen dem Dampfdruck von Ammoniak p_NH3 und der Temperatur 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.
Hieraus lässt sich die zeitliche Druckänderung im Hauptspeicher gemäß Gleichung 2 ableiten, die bevorzugt als Druckmodell unter Berücksichtigung des Dampfdrucks des NH₃-Speichermaterials im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommt.
Auf diese Weise fließt das temperaturabhängige Dissoziationsgleichgewicht des Speichermaterials in die Vorausberechnung der Druckänderung ein, wodurch Drucküberschwinger besonders wirksam verhindert werden können.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens fließt in das Druckmodell neben der Änderung des Drucks in Folge der Temperaturerhöhung auch die Änderung des Drucks in Folge eines NH₃-Zu- und/oder -Abflusses des Hauptspeichers ein. Auf diese Weise kann berücksichtigt werden, wie sich der Druck ändert, wenn dem Hauptspeicher eine bestimmte Stoffmenge NH₃ entnommen wird, um diese dem Abgassystem zuzuführen. Vorzugsweise erfolgt die Berechnung der Druckänderung unter Berücksichtigung des Stoffflusses unter Verwendung eines Druckmodells gemäß Gleichung 3, worin V_frei ein freies Gasvolumen im Hauptspeicher und n_NH3 die NH₃-Stoffmenge bedeuten. Dabei kann das freie Gasvolumen V_frei neben dem Volumen des Hauptspeichers auch die Volumina von Leitungen sowie die Poren im NH₃-Speichermaterial berücksichtigen.
Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die Temperatur des Hauptspeichers, die in das verwendete Druckmodell beispielsweise gemäß Gleichung 2 oder 3 einfließt, ihrerseits unter Verwendung eines Temperaturmodells vorausberechnet wird, das in seiner einfachsten Form wenigstens eine Abhängigkeit der Temperatur von der eingebrachten Wärmemenge berücksichtigt. Insbesondere kann als Temperaturmodell Gleichung 4 verwendet werden, worin C_Speicher die Wärmekapazität des Hauptspeichers und Q_zu die über die Heizeinrichtung zugeführte Wärmemenge bedeutet. Auf diese Weise kann die voraussichtliche Entwicklung der Temperatur im Speicher mit guter Genauigkeit vorausberechnet werden.
Die Genauigkeit des Temperaturmodells kann noch dadurch erhöht werden, dass neben der Temperaturänderung in Folge der eingebrachten Wärmemenge zusätzlich ein Wärmeverlust an die Umgebung und/oder die Reaktionsenthalpie der NH₃-Desorption des NH₃-Speichermaterials berücksichtigt wird. Hier kann insbesondere Gleichung 5 Einsatz als Druckmodell finden, in welcher der erste Term des Klammerausdrucks die eingebrachte Wärmemenge, der zweite Term den Wärmeaustausch mit der Umgebung und der dritte Term der Klammer die Desorptionsenthalpie berücksichtigt. In Gleichung 5 bedeutet α der Wärmeübergangskoeffizient zwischen einem Speichermantel des Hauptspeichers und der Umgebung, A eine Oberfläche des Speichermantels, T_Mantel die Temperatur des Speichermantels, T_Umgebung die Umgebungstemperatur, n_NH3 die NH₃-Stoffmenge in der Gasphase des Hauptspeichers und ΔH_r die Reaktionsenthalpie der NH₃-Desorption.
Im Zusammenhang mit dem verwendeten Temperaturmodell sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, die Abhängigkeit der Wärmekapazität C_Speicher des Hauptspeichers von dem aktuellen NH₃-Füllstand zu berücksichtigen. Die Wärmekapazität nimmt mit sinkendem NH₃-Füllstand des Hauptspeichers ab, wodurch sich die Aufheizzeit verkürzt. Somit führt die Berücksichtigung der Füllstandsabhängigkeit der Wärmekapazität zu einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit der Temperaturberechnung. Diese Abhängigkeit kann insbesondere aus einer gespeicherten Kennlinie, die empirisch ermittelt werden kann, ausgelesen werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird ersichtlich, dass die Drucksteuerung im Hauptspeicher des NH₃-Speichersystems im Wesentlichen über eine nicht rückgekoppelte Steuerstrecke unter Verwendung von Druck- und Temperaturmodellen erfolgt. Zur Absicherung des verwendeten Temperaturmodells kann jedoch nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Temperaturmessung über zumindest einen im Hauptspeicher angeordneten Temperatursensor erfolgen und eine Korrektur der eingebrachten Wärmemenge über die im Hauptspeicher gemessene Temperatur erfolgen. In gleicher Weise kann zumindest ein Drucksensor zur Erfassung des gemessenen Drucks im Hauptspeicher oder im Leitungssystem installiert sein und die eingebrachte Wärmemenge über den gemessenen Druck p_ist korrigiert werden. Diese auch miteinander kombinierbaren Maßnahmen führen nicht nur zu einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit der Steuerung, sondern dienen auch zur Absicherung des Systems.
Die über die Heizeinrichtung in den Hauptspeicher eingebrachte Wärmemenge kann entweder kontinuierlich mit einer variablen Heizleistung der Heizeinrichtung zugeführt werden oder diskontinuierlich mit mehreren, zeitlich voneinander getrennten Heizintervallen der Heizeinrichtung. Beispiele hierzu werden in den Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren entfaltet seine Vorteile in besonderem Maße, wenn das Ammoniakspeichersystem neben dem zumindest einen Hauptspeicher zumindest einen, im Vergleich zum Hauptspeicher kleinvolumigeren Startspeicher umfasst, der ebenfalls ein NH₃-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak reversibel bindet. Zudem weist auch der Startspeicher eine Heizeinrichtung auf, insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung. Durch Verwendung des Startspeichers, der aufgrund seines geringen Volumens relativ schnell aufgeheizt ist und seinen Betriebsdruck aufweist, kann in der Startphase, in welcher der Hauptspeicher noch nicht betriebsbereit ist, eine schnelle NH₃-Versorgung des SCR-Katalysators sichergestellt werden. Da das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren eine verglichen mit dem Stand der Technik, in der eine konstante maximale Heizleistung eingebracht wird, etwas längere Aufheizphase des Hauptspeichers verursacht, kann dieser Effekt durch den Startspeicher ohne Nachteil kompensiert werden. Dabei wird das Volumen des Startspeichers entsprechend dimensioniert, so dass der Ammoniakbedarf während der Aufheizphase des Hauptspeichers vollständig aus dem Startspeicher gedeckt werden kann. Dabei werden insbesondere bei einem Kaltstart des Ammoniakspeichersystems sämtliche Speicher mit der jeweiligen Strategie beheizt und ein NH₃-Bedarf des SCR-Katalysators zunächst durch den Startspeicher gedeckt. Sobald der Hauptspeicher einen ausreichenden Druck aufweist, erfolgt die NH₃-Versorgung durch den Hauptspeicher, der zudem den Startspeicher erneut befüllt. Dabei kann die Wiederauffüllung des Startspeichers sofort während des Systembetriebs erfolgen oder zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise nach dem Abstellen des Fahrzeugs.
Das NH₃-Speichermaterial des zumindest einen Hauptspeichers 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-absorbierende 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. Die NH₃-Speichermaterialien des Haupt- und des Startspeichers können identisch oder unterschiedlich sein. Mit Vorteil kann der Hauptspeicher ein Material mit höherem NH₃-Dampfdruck aufweisen, wodurch die Wiederauffüllung des Startspeichers erleichtert wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Ammoniakspeichersystem für ein SCR-Katalysatorsystem, das zumindest einen mit einer Heizeinrichtung ausgestatteten Hauptspeicher umfasst, der ein NH₃-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak reversibel bindet, sowie eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren auszuführen. Dabei enthält die Steuereinrichtung insbesondere einen Steueralgorithmus zur Ausführung des Verfahrens in computerlesbarer Form, zumindest ein temperaturabhängiges Druckmodell und optional zumindest ein Temperaturmodell, wobei die Modelle in Form von Rechenvorschriften oder von Kennfeldern in computerlesbarer Form abgespeichert sind.
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 SCR-Katalysatorsystem, das ein erfindungsgemäßes Ammoniakspeichersystem umfasst;
2 einen zeitlichen Verlauf des NH₃-Dampfdrucks bei unterschiedlichen NH₃-Füllständen bei einer Beheizungsstrategie gemäß Stand der Technik und
3 zeitliche Verläufe des NH₃-Dampfdrucks und des kumulierten Energieeintrags bei einer Heizstrategie gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.
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 Startspeicher 36. Hauptspeicher 34 und Startspeicher 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. Um das Ammoniakspeichersystem 32 auf seinen erforderlichen Betriebsdruck zu bringen, sind der Hauptspeicher 34 und der Startspeicher 36 jeweils mit einer Heizeinrichtung 38 beziehungsweise 40 ausgestattet. Dabei handelt es sich im vorliegenden Fall jeweils um eine elektrische Heizeinrichtung, die im Stand der Technik an sich bekannt ist, und beispielsweise eine im jeweiligen Innenraum der Speicher 34, 36 angeordnete Heizspirale enthalten kann. Alternativ kann der Hauptspeicher 34 zwar mit einer mit einem flüssigen Medium betriebenen Heizeinrichtung ausgestattet sein, beispielsweise einer mit einem Kühlwasser des Verbrennungsmotors 12 betrieben und mit einer steuerbaren Kühlmitteldrosselstelle ausgestatteten Heizeinrichtung, jedoch entfalten sich die Vorteile der vorliegenden Erfindung am günstigsten im Falle einer elektrischen Beheizung des Hauptspeichers 34.
Bei dem NH₃-Speichermaterial von Haupt- und Startspeicher 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, das bis zu 8 Moleküle NH₃ speichern kann, sieben Molekühle NH₃ bei Erreichen einer Temperatur von etwa 60–80°C und das achte Molekühl NH₃ bei etwa 150°C frei. Haupt- und Startspeicher 34, 36 können das gleiche NH₃-Speichermaterial oder unterschiedliche enthalten.
Der Hauptspeicher 34 und der Startspeicher 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 Startspeicher 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) ausgestaltet sein kann. Alternativ kann die Zufuhrstelle in den Abgaskanal 14 als steuerbares Gasdosierventil ausgestaltet sein.
Im Hauptspeicher 34 kann zudem an einer oder an mehreren Positionen ein Temperatursensor 48 zur Erfassung einer Speichertemperatur T_Speicher angeordnet sein. Ebenfalls wahlweise kann ein Drucksensor 50 an einer oder an mehreren Positionen des Hauptspeichers 34 vorgesehen sein, welcher den Speicherdruck p_Speicher misst. Optional können entsprechende Sensoren auch im Leitungssystem 42 und/oder im Startspeicher 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 Signale 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 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 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.
Im Stand der Technik erfolgt die Beheizung des Hauptspeichers 34 üblicherweise durch einen kontinuierlichen Betrieb der Heizeinrichtung 38 mit der vollen installierten Leistung, um den Hauptspeicher 34 möglichst schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Diese Strategie hat mehrere Nachteile, die in 2 verdeutlicht sind, welche die zeitliche Entwicklung des NH₃-Dampfdrucks im Hauptspeicher bei kontinuierlicher Beheizung desselben mit der vollen installierten Heizleistung darstellt, wobei die Dampfdruckentwicklung vergleichend für einen NH₃-Füllstand des Hauptspeichers von 90% und von 60% gezeigt sind. In beiden Fällen wird die Beheizung beendet, wenn der erwünschte Betriebsdruck (angedeutet durch den horizontalen Balken) erreicht ist. Dies ist im Falle des praktisch vollen Speichers bei der Aufheizzeit 1 der Fall und bei dem nur teilbeladenen Speicher erst bei der Aufheizzeit 2 (siehe vertikale unterbrochene Linien). Es wird somit ersichtlich, dass die notwendige Aufheizzeit bis zum Erreichen des Betriebsdrucks mit abnehmendem Füllstand des Hauptspeichers stark ansteigt, so dass bei relativ niedrigen Füllständen das Erreichen des Betriebsdrucks innerhalb von kurzen Betriebsphasen gar nicht mehr realisiert werden kann. Insbesondere an dem für den vollbeladenen Speicher dargestellten Verlauf wird aus 2 zudem deutlich, dass auch nach Abstellen der Beheizung ein weiterer Anstieg des NH₃-Dampfdrucks oberhalb des angestrebten Betriebsdrucks stattfindet. Grund für diesen Drucküberschwinger ist einerseits, dass sich die eingebrachte Wärmenergie erst mit einer gewissen Verzögerung im Speicher verteilt. Zweitens benötigt das thermodynamische Dissoziationsgleichgewicht des Speichermaterials ebenfalls eine gewisse Zeit für seine Einstellung. Dies bedeutet, dass mehr Energie in Form von Wärme in das System eingetragen wurde, als zur Erzielung des Betriebsdrucks notwendig war, was zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs sowie der CO₂-Emissionen führt. Problematisch ist zudem, dass der gesamte Energieaufwand des Beheizens in einem relativ kurzen Zeitintervall erfolgt, wodurch sich die Verbrauchs- und Emissionswerte im Kurzstreckenbetrieb und in standardisierten Testzyklen verschlechtern.
Um diesen Problemen entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß ein intelligentes Energiemanagement für das Aufheizen des Hauptspeichers 34 eingesetzt. Insbesondere erfolgt das Beheizen über eine Steuerung der über die Heizeinrichtung 38 des Hauptspeichers 34 eingebrachten Wärmemenge, wobei der Speicherdruck als Führungsgröße dient. Dabei wird ein temperaturabhängiges Druckmodell eingesetzt, das die Druckänderung im Hauptspeicher 34 in Abhängigkeit von der vorzugsweise ebenfalls modellierten Temperatur des Hauptspeichers vorausberechnet. In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Temperaturmodell verwendet, das sich durch die folgende Gleichung 5 ausdrücken lässt:
Dieses Modell berücksichtigt einerseits die Temperaturänderung aufgrund der eingebrachten Wärmeenergie in Form des ersten Terms des Klammerausdrucks. Zudem wird der Wärmeaustausch mit der Umgebung, insbesondere der Wärmeverlust an die Umgebung, in Form des zweiten Terms des Klammerausdrucks berücksichtigt. Schließlich berücksichtigt der letzte Term der Klammer, dass ein Teil der zugeführten Wärmenergie für den Desorptionsvorgang von NH₃ aus dem Speichermaterial in Form der erforderlichen Desorptionsenthalpie fließt.
Um die Genauigkeit der Temperaturberechnung noch zu erhöhen, kann die Wärmekapazität des Hauptspeichers C_Speicher als eine Funktion des NH₃-Füllstands vorgegeben werden. Dabei kann der NH₃-Füllstand am einfachsten über eine kumulative Berechnung der in den Abgaskanal 14 eindosierten NH₃-Menge erfolgen, wobei die NH₃-Messung beispielsweise über einen Massenflussregler oder ein Gasdosierventil erfolgen kann. Die Abhängigkeit der Wärmekapazität vom NH₃-Füllstand wird vorzugsweise in Form einer Kennlinie in der Steuereinrichtung 52 hinterlegt.
Anhand des Temperaturmodells kann die Entwicklung der Temperatur im Hauptspeicher 34 mit sehr hoher Genauigkeit vorausberechnet werden. Zur Absicherung des Modells kann das Signal des im Speicher 34 angeordneten Temperatursensors 48 erfasst werden und erforderlichenfalls mit einem Korrektureingriff in das Heizsystem 38 reagiert werden.
Auf das Temperaturmodell baut erfindungsgemäß ein Druckmodell zur Vorausberechnung der Druckentwicklung im Hauptspeicher 34 auf. Eine bevorzugte Rechenvorschrift ist mit Gleichung 3 wiedergegeben:
Durch den ersten Term der Gleichung wird die Druckänderung in Abhängigkeit von dem seinerseits temperaturabhängigen NH₃-Dampfdruck beschrieben. Zusätzlich kann durch den zweiten Term der Gleichung noch berücksichtigt werden, wie sich der Druck ändert, wenn dem System eine bestimmte Stoffmenge NH₃ entzogen wird, um diese dem Katalysator 30 zuzuführen, oder zur Auffüllung des Startspeichers 36. Da in der bevorzugten Ausführung während der Aufheizphase dem Hauptspeicher 34 kein NH₃ entzogen wird, kann auf die Berücksichtigung der Stoffmengenänderung verzichtet werden, wodurch sich die Beziehung vereinfacht. Ebenso wie das Temperaturmodell kann auch das Druckmodell durch Auswertung des Signals eines im Hauptspeicher 34 positionierten Drucksensors 50 erfolgen.
Die verwendeten Rechenvorschriften können als solche in computerlesbarer Form oder in Form von geeigneten, computerlesbaren Kennfeldern in der Steuereinrichtung 52 hinterlegt werden. Ebenso beinhaltet diese einen Algorithmus zur Ausführung der Steuerung.
3 zeigt im oberen Teil der Darstellung den zeitlichen Verlauf des NH₃-Dampfdrucks, wenn die Beheizung mit der erfindungsgemäßen modellbasierten Steuer- und Regelstrategie realisiert wird (durchgezogene Kurve), im Vergleich zu der Heizstrategie des Standes der Technik, bei der die Beheizung mit der maximalen installierten Heizleistung erfolgt (unterbrochene Kurve). Es wird deutlich, dass der Drucküberschwinger, der bei der Beheizung gemäß Stand der Technik beobachtet wird, bei der erfindungsgemäßen Heizstrategie praktisch vollständig vermieden wird. Zwar ist die bis zum Erreichen des Betriebsdrucks notwendige Heizdauer mit der erfindungsgemäßen Strategie gegenüber dem Stand der Technik verlängert, dies ist jedoch insofern tolerierbar, als in der Heizphase ohnehin die erforderliche NH₃-Menge ausschließlich dem Startspeicher 36 entnommen wird. Vor diesem Hintergrund erlaubt die Erfindung, die mittlere Heizleistung für den Hauptspeicher, insbesondere in kurzen Betriebsintervallen auf einen bestimmten Wert zu limitieren.
Im unteren Teil der 3 ist der kumulierte Energieeintrag in den Hauptspeicher 34 während seiner Beheizung dargestellt. Bei der herkömmlichen Vorgehensweise mit konstanter maximaler Beheizung (unterbrochene Kurve) steigt die kumulierte Energie linear an, bis der Betriebsdruck vorliegt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Beheizung ausgeschaltet, so dass die kumulierte Energie auf einem konstanten Wert verharrt. Demgegenüber zeichnet sich die erfindungsgemäße Energieentwicklung durch einen insgesamt flacheren Anstieg aus. Da die verwendeten Modelle den weiteren Anstieg des NH₃-Dampfdrucks nach Ausstellen der Heizleistung prognostizieren, kann erfindungsgemäß die Abstellung der Beheizung bereits kurz vor Erreichen des Betriebsdrucks erfolgen. Bis zu diesem Zeitpunkt, der später als im Stand der Technik erreicht wird, wird insgesamt eine geringere Energiemenge in das System eingebracht. Auf diese Weise wird ein Kraftstoffersparnis und eine Verminderung der CO₂-Emissionen erzielt.
Die erfindungsgemäße Beheizungsstrategie erlaubt einerseits, einen bestimmten maximalen mittleren Leistungsbedarf nicht zu überschreiten und andererseits, Drucküberschwinger nach Erreichen des Betriebsdrucks zu minimieren. Insbesondere bei kurzem Betrieb wird der Energieeintrag gesenkt.
Kontinuierliche und diskontinuierliche Heizstrategien
Die erforderliche Wärmemenge kann kontinuierlich mit einer variablen Heizleistung, wie in 3 dargestellt, oder diskontinuierlich in mehreren diskreten Paketen stufenweise in den Hauptspeicher 34 eingebracht werden. Hierbei sind verschiedene Varianten denkbar:

1. Es werden in bestimmten Zeitabständen genau definierte Wärmemengen in den Speicher 34 eingebracht. Hierzu können die Zeitabstände und die Wärmemengen in einem Modell in der Steuereinrichtung 52 hinterlegt sein. Durch die Pausen, in denen keine Beheizung erfolgt, kann sich die eingebrachte Wärmemenge in dem NH₃-Speichermaterial verteilen, wodurch es zu einer Vergleichmäßigung der Temperatur kommt. Durch diese Vorgehensweise kann der Druckaufbau im Speicher 34 noch exakter gesteuert werden.
2. Der Hauptspeicher 34 wird kontinuierlich mit einer variablen, modellbasierten Heizleistung oder diskontinuierlich durch Zufuhr von diskreten Wärmemengen anhand eines modellbasierten Temperaturkriteriums beheizt. Als Führungsgröße wird ein Temperaturkriterium verwendet, Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur wird die Beheizung deaktiviert oder die zugeführte Heizleistung reduziert. Hierdurch kann die Ausbreitung der Temperaturwelle im Speicher berücksichtigt werden. Zusätzlich werden noch die Werte von hinterlegten Kennlinien und Kennfeldern sowie die Signale der Sensoren 48 und 50 ausgewertet.
3. Der Hauptspeicher 34 wird kontinuierlich mit einer variablen, modellbasierten Heizleistung oder diskontinuierlich durch Zufuhr von diskreten Wärmemengen anhand eines modellbasierten Druckkriteriums beheizt. Als Führungsgröße wird ein Druckkriterium verwendet. Beim Erreichen eines bestimmten Druckes wird die Beheizung deaktiviert oder die zugeführte Heizleistung reduziert. Hierdurch kann die Ausbreitung der Temperaturwelle im Speicher berücksichtigt werden. Zusätzlich werden noch die Werte von hinterlegten Kennlinien und Kennfeldern sowie die Signale der Sensoren 48 und 50 ausgewertet.
4. Für die Beheizung des Hauptspeichers 34 wird eine Kombination der genannten Kriterien angewandt.
5. Sobald ein vorbestimmtes, unterhalb des Betriebsdrucks liegendes Druckniveau erreicht ist, wird über die Regelung die zugeführte Heizleistung reduziert, wodurch Drucküberschwinger noch stärker minimiert werden können.

NH₃-Bedafsabhängige Heizstrategien
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung können im Rahmen der vorgestellten Strategie für das Energiemanagement des Reduktionsmitteldosiersystems auch Daten eines im Fahrzeug vorhandenen Navigationssystems berücksichtigt werden. So kann in Abhängigkeit von der Länge einer geplanten Fahrstrecke und einem zu erwartenden Geschwindigkeitsprofil ein NH₃-Verbrauch prognostiziert werden. Basierend auf diesen Daten wird dann entschieden, ob nur der Startspeicher oder zusätzlich auch der Hauptspeicher 34 beheizt wird. Zusätzlich kann hierbei differenziert werden, ob der Hauptspeicher zur Bereitstellung des Reduktionsmittelbedarfs, das heißt im Falle eines Langstreckenbetriebs, bis auf den zur Versorgung des SCR-Katalysatorsystems erforderlichen Betriebsdruck beheizt wird oder auf ein vorbestimmtes geringeres Druckniveau, das ausreicht, um eine Widerbeladung des Startspeichers 36 bei abgestelltem Fahrzeug in der Abkühlphase zu ermöglichen. Anhand des unter Auswertung der Navigationsdaten prognostizierten NH₃-Verbrauchs können beispielsweise folgende Betriebsvarianten umgesetzt werden:

1. Geringer NH₃-Verbrauch: Unterschreitet der prognostizierte NH₃-Verbrauch einen vorbestimmten unteren Grenzwert, wird nur der Startspeicher 36 auf Betriebsdruck beheizt und die Versorgung allein aus diesem betrieben.
2. Mittlerer NH₃-Verbrauch: Überschreitet der prognostizierte NH₃-Verbrauch den vorbestimmten unteren Grenzwert und unterschreitet gleichzeitig einen vorbestimmten oberen Grenzwert, so werden sowohl Startspeicher 36 als auch Hauptspeicher 34 beheizt. Jedoch wird der Hauptspeicher 34 nur auf ein vorbestimmtes Druckniveau beheizt, welches die Beladung des Startspeichers 36 bei abgestelltem Fahrzeug ermöglicht.
3. Hoher NH₃-Verbrauch: Überschreitet der prognostizierte NH₃-Verbrauch den vorbestimmten oberen Grenzwert, so werden sowohl der Startspeicher 36 als auch der Hauptspeicher 34 beheizt. Dabei wird der Hauptspeicher 34 auf den für die Reduktionsmitteldosierung stromauf des SCR-Katalysators 30 erforderlichen Betriebsdruck geheizt. Die Wiederbeladung des Startspeichers 36 erfolgt während des Betriebs.

Anhand der mittels der Daten des Navigationssystems prognostizierten Fahrzeit kann eine zur Verfügung stehende Aufheizzeit für den Hauptspeicher 34 abgeleitet werden. Da die mindestens erforderliche Aufheizzeit und die Druckaufbaugeschwindigkeit vom NH₃-Füllstand in der Kartusche abhängen, kann diese Korrelation bei der Regelstrategie berücksichtigt werden. Unter Beachtung der hier genannten Parameter erfolgt die Beheizung des Hauptspeichers kontinuierlich oder diskontinuierlich.
Strategien für die Wiederbeladung des Startspeichers
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden zudem einige Regelstrategien für die Wiederbeladung des Startspeichers 36 ermöglicht. Sobald in dem Startspeicher 36 ein vorbestimmter unterer Schwellenwert für den NH₃-Füllstand erreicht wird, muss in jedem Fall eine Wiederbeladungsprozedur eingeleitet und der Hauptspeicher 34 beheizt werden. In einem solchen Fall hat die Einstellung des erforderlichen Wiederbeladungsdrucks im Hauptspeicher 34 Priorität gegenüber dem erfindungsgemäßen Energiemanagement. In einem solchen Fall kann eine kontinuierliche Beheizung des Hauptspeichers 34 mit der maximal installierten Heizleistung der Heizeinrichtung 38 durchgeführt werden, wie sie im Stand der Technik bekannt ist.
Bedingt durch das Kundennutzungsverhalten kann es vorkommen, dass innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls oder bis zu einer vorbestimmten minimalen Füllstandsgrenze des Startspeichers 36 keine ausreichende NH₃-Menge aus dem Hauptspeicher 34 in den Startspeicher 36 umgelagert werden kann. In einem solchen Fall kann vorzugsweise eine Notbeladungsprozedur eingeleitet werden. Hierbei wird anhand der Wärmemenge, die innerhalb der Betriebsphase in den Hauptspeicher 34 eingebracht wurde, auf Basis eines hinterlegten Modells prognostiziert, ob während des Fahrzeugstillstandes die Voraussetzung der Wiederbeladung des Startspeichers im Weg eines passiven Nachlaufs erreicht werden. Ergibt diese Berechnung, dass die Voraussetzungen vorliegen, wird nichts weiter unternommen. Wenn die Prognose jedoch ergibt, dass die in dem Hauptspeicher 34 eingebrachte Wärmemenge nicht ausreicht, wird der Hauptspeicher im Wege eines aktiven Nachlaufs weiter beheizt, um den Startspeicher 36 zu beladen.
Im Zusammenhang mit dem aktiven Nachlauf, das heißt der elektrischen Beheizung des Hauptspeichers 34 bei Fahrzeugstillstand, kann in vorteilhafter Weise der Ladungszustand einer Fahrzeugbatterie berücksichtigt werden. Insbesondere darf der Batterie nur soviel Energie entzogen werden, dass ein sicherer Fahrzeugstart gewährleistet werden kann. Zusätzlich kann auch der Druck in dem Startspeicher 36 berücksichtigt werden. Dabei wird die aktive Nachbeheizung des Hauptspeichers 34 erst gestartet, wenn der Druck und die Temperatur im Startspeicher 36 unterhalb vorbestimmter Schwellenwerte liegen, die gewährleisten, dass der Startspeicher 36 soweit abgekühlt ist, dass eine NH₃-Adsorption ermöglicht ist.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, nach Abstellen des Fahrzeuges das noch warme Motorkühlwasser in die (wasserbetriebene) Heizeinrichtung des Hauptspeicher 34 einzuleiten, um diesen aktiv nachzubeheizen. Diese Option ist bei dem mit Kühlwasser beheizten System insbesondere interessant, wenn bei einem Kurzstreckenbetrieb während des Fahrbetriebs nicht genug Wärme in den Hauptspeicher 34 eingebracht wurde.
Für den Fall, dass in den Startspeicher 36 eine kritische Füllstandsgrenze unterschritten wird und gleichzeitig eine Wiederbeladung des Startspeichers nach den oben beschriebenen Strategien nicht realisiert werden kann, kann die aktive Nachbeheizung des Hauptspeichers 34 durch eine externe Energieversorgung, beispielsweise ein 220-Volt-Netz erfolgen.
Ein weiterer Aspekt, der im Rahmen des erfindungsgemäßen Energiemanagements noch berücksichtigt werden kann, ist der Druckanstieg, der in dem Hauptspeicher 34 bei hohen Umgebungstemperaturen erfolgen kann. Insbesondere, wenn das Fahrzeug in der Sonne abgestellt wird und die Umgebungstemperatur oberhalb der Temperatur des Hauptspeichers liegt, wird diesem weiter Wärme zugeführt, wodurch der Speicherdruck weiter ansteigt. In einem solchen Fall können, wenn der Speicherdruck eine vorbestimmte Druckgrenze erreicht, Maßnahmen zur aktiven Wärmeabfuhr eingeleitet werden. Insbesondere kann in einem solchen Fall der Speicher mithilfe eines Gebläses, wie sie für die Motorkühlung bekannt sind, gekühlt werden. Durch die erzwungene Konvektion kann eine gute Wärmeabfuhr über die Mantelfläche des Hauptspeichers erzielt werden. Hierbei kann das Gebläse in Abhängigkeit von der Speichertemperatur und dem Speicherdruck des Hauptspeichers 34 gesteuert werden. Statt eines Gebläses kann auch ein Peltier-Element eingesetzt werden, um dem Speicher Wärme zu entziehen.
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: Startspeicher
38: Heizeinrichtung
40: Heizeinrichtung
42: Gaszufuhrleitung
44: Ventil
46: Drosselventil
48: Temperatursensor
50: Drucksensor
52: Steuereinrichtung
54: Motorsteuergerät

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 [0006]
DE 19935920 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems (32) eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystems (28), wobei das Ammoniakspeichersystem (32) zumindest einen, mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestatteten Hauptspeicher (34) umfasst, der ein NH₃-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak (NH₃) reversibel bindet, und zur Desorption von NH₃ aus dem NH₃-Speichermaterial der Hauptspeicher (34) mit der Heizeinrichtung (38) beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des zumindest einen Hauptspeichers (34) zur Desorption von NH₃ unter Verwendung eines im Hauptspeicher (34) vorliegenden Drucks (p_Speicher) als Führungsgröße gesteuert erfolgt, wobei eine über die Heizeinrichtung (38) des Hauptspeichers (34) eingebrachte Wärmemenge (Q) so bemessen wird, dass sich ein vorbestimmter Solldruck (p_Soll) im Hauptspeicher (34) entsprechend einem temperaturabhängigen Druckmodell, das eine Druckänderung in Abhängigkeit von einer Temperatur (T_Speicher) des Hauptspeichers (34) vorausberechnet, einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmodell die Änderung des Drucks (p_Speicher) infolge der Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von einem Dampfdruck des NH₃-Speichermaterials bestimmt, insbesondere gemäß Gleichung (2)
worin ΔH_r die Reaktionsenthalpie der NH₃-Desorption, ΔS_r die Reaktionsentropie der NH₃-Desorption, R_m die universelle Gaskonstante und T_Speicher die Temperatur des Hauptspeichers (34) bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmodell neben der Änderung des Drucks (p_Speicher) infolge der Temperaturerhöhung auch die Änderung des Drucks (p_Speicher) infolge eines NH₃-Zuflusses und/oder NH₃–Abflusses des Hauptspeichers (34) berücksichtigt, insbesondere gemäß Gleichung (3)
worin V_frei ein freies Gasvolumen im Hauptspeicher (34) und n_NH3 die Stoffmenge von NH₃ bedeutet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T_Speicher) des Hauptspeichers (34) unter Verwendung eines Temperaturmodells vorausberechnet wird, das wenigstens eine Temperaturänderung in Abhängigkeit der eingebrachten Wärmemenge (Q_zu) berücksichtigt, insbesondere gemäß Gleichung (4)
worin C_Speicher die Wärmekapazität des Hauptspeichers (34) und Q_zu die über die Heizeinrichtung (38) zugeführte Wärmemenge bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmodell neben der Temperaturänderung in Abhängigkeit der eingebrachten Wärmemenge (Q_zu) zusätzlich einen Wärmeaustausch mit der Umgebung und/oder die Reaktionsenthalpie (ΔH_r) der NH₃-Desorption aus dem NH₃-Speicheramterial berücksichtigt, insbesondere gemäß Gleichung (5),
worin α der Wärmeübergangskoeffizient zwischen einem Speichermantel des Hauptspeichers (34) und der Umgebung, A eine Oberfläche des Speichermantels, T_Mantel die Temperatur des Speichermantels, T_Umgebung die Umgebungstemperatur, n_NH3 die NH₃-Stoffmenge in der Gasphase des Hauptspeichers (34) und ΔH_r die Reaktionsenthalpie der NH₃-Desorption bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität (C_Speicher) des Hauptspeichers (34) in Abhängigkeit von einem NH₃-Füllstand des Hauptspeichers (34) berücksichtigt wird und insbesondere aus einer gespeicherten Kennlinie ausgelesen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur der eingebrachten Wärmemenge (Q_zu) über eine im Hauptspeicher (34) gemessene Temperatur (T_ist) und/oder über einen im Hauptspeicher (34) gemessenen Druck (p_ist) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge (Q_zu) kontinuierlich mit einer variablen Heizleistung der Heizeinrichtung (38) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge (Q_zu) diskontinuierlich mit mehreren, zeitlich voneinander getrennten Heizintervallen der Heizeinrichtung (38) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ammoniakspeichersystem (32) neben dem zumindest einen Hauptspeicher (34) zumindest einen, im Vergleich zum Hauptspeicher (34) kleinvolumigeren Startspeicher (36) umfasst, der ebenfalls ein NH₃-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak (NH₃) reversibel bindet, und eine Heizeinrichtung (40) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart des Ammoniakspeichersystems (32) der zumindest eine Startspeicher (36) beheizt wird und ein NH₃-Bedarf eines SCR-Katalysators (30) des Katalysatorsystems (28) durch den Startspeicher (32) gedeckt wird, während der zumindest eine Hauptspeicher (34) beheizt wird, und sobald der Hauptspeicher (34) einen ausreichenden Druck (p_Speicher) aufweist, die NH₃-Versorgung durch den Hauptspeicher (34) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das NH₃-Speichermaterial des zumindest einen Hauptspeichers (34) und des zumindest einen Startspeichers (36) unabhängig voneinander 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.
Ammoniakspeichersystem (32) für ein SCR-Katalysatorsystem (28), umfassend zumindest einen, mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestatteten Hauptspeicher (34), der ein NH₃-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak (NH₃) reversibel bindet, und eine Steuereinrichtung (52), die eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
Ammoniakspeichersystem (32) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (52) einen Steueralgorithmus zur Ausführung des Verfahrens in computerlesbarer Form, zumindest ein temperaturabhängiges Druckmodell und optional zumindest ein Temperaturmodell in Form von Rechenvorschriften oder von Kennfeldern umfasst.