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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur katalytisch unterstützten Entfernung von Stickoxiden (NOx) aus Brennkraftmaschinenabgasen ist es bekannt, dem Abgas der Brennkraftmaschine wässerige Harnstofflösung als ein Ammoniak (NH3) enthaltendes Reduktionsmittel zuzugeben. Im heißen Abgas wird durch Thermolyse und/oder Hydrolyse NH3 als eigentliches selektives Reduktionsmittel in Bezug auf die NOx-Reduktion an einem so genannten SCR-Katalysator freigesetzt. Dabei ergibt sich das Problem, eine für die angestrebte Reinigungswirkung passende Zugaberate für das Reduktionsmittel zu ermitteln, wobei außerdem eine Überdosierung, die einen unerwünschten Schlupf von NH3 zur Folge haben kann, vermieden werden sollte.
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Zur Lösung dieser Probleme wird in der
EP 1 348 477 A1 vorgeschlagen, eine Verbrauchsrate von im Katalysator gespeichertem NH
3 und eine NOx-Reinigungsrate zu ermitteln und in Abhängigkeit von diesen Größen im Zusammenhang mit einem Füllstand von im Katalysator gespeichertem NH
3 die Reduktionsmittelzugabe zu steuern.
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Aus der Offenlegungsschrift
EP 0 554 766 A1 ist ein Verfahren zur NOx-Minderung in Abgasen durch gesteuerte überstöchiometrische Zugabe von NH
3 bekannt, bei welchem stromauf eines Katalysators NH
3 so lange zudosiert wird, bis die im Katalysator gespeichert NH
3-Menge einen oberen Schwellenwert erreicht hat. Das im Katalysator gespeicherte NH
3 wird durch Reaktion mit dem von der Brennkraftmaschine emittierten und dem Katalysator zugeführten NOx verbraucht, wodurch der Schadstoff NOx aus dem Abgas entfernt wird. Die NH
3-Zugabe wird wieder aufgenommen, wenn die im Katalysator gespeicherte NH
3-Menge einen unteren Schwellenwert erreicht hat.
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In diesen und weiteren bekannten, ähnlichen Verfahren erfolgt meist eine modellbasierte Verknüpfung von Messwerten und gespeicherten Kennwerten, beispielsweise für den SCR-Katalysator. Dabei werden eine NH3-Zuführrate und eine modellierte Verbrauchsrate durch eine laufend durchgeführte Integration bilanziert und die Reduktionsmittel-Dosierrate so gewählt, dass ein angestrebter NH3-Füllstand im Katalysator und damit ein angestrebter Katalysatorwirkungsgrad resultiert. Die indirekte, rechnerische Ermittlung des NH3-Füllstands ist jedoch nicht immer mit der gewünschten Genauigkeit möglich. Beispielsweise können sich durch Parameterveränderungen bedingte Fehler im Laufe der Zeit summieren, so dass der modellierte NH3-Füllstand des Katalysators zunehmend schlechter dem tatsächlichen Wert entspricht und Fehldosierungen in Form einer Unter- oder Überdosierung resultieren. Folge hiervon ist eine verminderte Reinigungswirkung oder ein erhöhter NH3-Schlupf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator anzugeben, welches einen weiter verbesserten Stickoxidumsatz ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Einstellung einer Dosierrate für das Ammoniak enthaltende Reduktionsmittel, die an einen Wirkungsgrad des SCR-Katalysators in Bezug auf einen aktuellen Umsatz von Stickoxiden mit im SCR-Katalysator gespeichertem und/oder dem SCR-Katalysator zugeführtem Ammoniak geknüpft ist. Wie bestätigt werden konnte, ermöglicht eine an den Wirkungsgrad des NOx-Umsatzes geknüpfte Dosierraten-Einstellung praktisch schlupffrei höchste NOx-Umsatzwerte. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einstellung der Dosierrate der entsprechenden Dosiereinheit für das Reduktionsmittel in einem gesteuerten Dosierbetrieb mit einer wirkungsgrad-gesteuerten Einstellung der Dosierrate oder in einem geregelten Dosierbetrieb mit einer wirkungsgrad-geregelten Einstellung der Dosierrate vorgenommen wird. Die Wahl zwischen der wirkungsgrad-gesteuerten oder der wirkungsgrad-geregelten Dosierraten-Einstellung erfolgt wenigstens in Abhängigkeit vom ermittelten Ist-Wirkungsgrad und für vorgebbare Werte vorgebbarer Betriebsparameter der Abgasreinigungsanlage. Dabei wird unter einem Wirkungsgrad des NOx-Umsatzes ein relativer NOx-Umsatz verstanden, der sich als Quotient von in einem Zeitintervall zu unschädlichen Bestandteilen umgesetzter NOx-Menge und im selben Zeitintervall in den SCR-Katalysator einströmender NOx-Menge ergibt. Bei optimaler Betriebsweise des SCR-Katalysators lassen sich NOx-Umsatzwerte bzw. Wirkungsgrade von annähernd 100% erreichen. Unter der Dosierrate ist eine bevorzugt auf dasselbe Zeitintervall bezogene Menge von dem Abgas zugegebenen Reduktionsmittel zu verstehen. Die Dosierung des Reduktionsmittels erfolgt dabei bevorzug zeitlich getaktet, gegebenenfalls mit gewissen Dosierpausen. Wie sich erwiesen hat, ist es durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht, auf verfahrenstechnisch einfache und insbesondere zuverlässige Weise überwiegend Wirkungsgrade für den NOx-Umsatz zu erreichen, welche nahe am Maximalwert liegen, der unter den jeweiligen Betriebsbedingungen erzielbar ist. Speziell ist es möglich, dass der Ist-Wirkungsgrad vorgebbare Werte für einen Soll-Wirkungsgrad wenigstens annähernd erreicht.
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Die wirkungsgrad-gesteuerte Einstellung der Reduktionsmittel-Dosierrate erfolgt bevorzugt modellbasiert. Mittels eines Rechenmodells bzw. anhand vorgehaltener Kennlinien und/oder Kennfelder werden in Abhängigkeit von aktuellen Werten vorgebbarer Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors und/oder der Abgasanlage Werte für die Reduktionsmitteldosierrate vorgegeben, von denen erwartet werden kann, dass sie einen Wirkungsgrad des SCR-Katalysators ermöglichen, der einen vorgebbaren Soll-Wirkungsgrad wenigstens annähernd erreicht. Dabei wird bei der Dosierraten-Einstellung im gesteuerten Betrieb auf eine Rückführung eines ermittelten aktuellen Ist-Wirkungsgrad zur darauf basierenden Beeinflussung der Dosierraten-Einstellung verzichtet. Hingegen wird beim wirkungsgrad-geregelten Dosierbetrieb der ermittelte aktuelle Wert für den Ist-Wirkungsgrad in klassischer Weise auf die Eingangsseite eines Regelkreises zurückgeführt. Eine Abweichung vom Soll-Wirkungsgrad als Führungsgröße wird als Regelabweichung einem Regler zugeführt, der in einem Regelalgorithmus eine Stellgröße zur geregelten Einstellung der Dosierrate erzeugt.
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Es ist vorgesehen, dass auch im gesteuerten Betrieb der Ist-Wirkungsgrad für den aktuellen Stickoxid-Umsatz des SCR-Katalysators laufend ermittelt bzw. geschätzt wird. Dabei ist weiter in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Übergang vom gesteuerten Dosierbetrieb zum geregelten Dosierbetrieb erfolgt, wenn der ermittelte Ist-Wirkungsgrad um mehr als ein vorgebbares Maß vom Soll-Wirkungsgrad abweicht. Die einen Übergang vom gesteuerten Dosierbetrieb zum geregelten Dosierbetrieb triggernde Abweichung kann dabei sowohl positiv, als auch negativ sein, wobei für Abweichungen in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich hohe Triggerschwellen vorgesehen sein können. Häufig wird der gesteuerte Dosierbetrieb ein ausreichend gutes Ergebnis in Bezug auf den NOx-Umsatz liefern. Es können jedoch unvorhergesehene Störeinflüsse auftreten, welche in einem gesteuerten Dosierbetrieb nicht kompensiert werden können.
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Infolge der vorgesehenen Überwachung des aktuellen Katalysator-Wirkungsgrads ist es ermöglicht, solche Störeinflüsse festzustellen und darauf zu reagieren. Führen Störungen des gesteuerten Dosierbetriebs zu unerwarteten Abweichungen zwischen Soll-Wirkungsgrad und Ist-Wirkungsgrad oder ergeben sich anderweitige Fehler, wie beispielsweise ein Ausfall oder ein unplausibles Verhalten eines Sensors, so wird in den geregelten Dosierbetrieb übergegangen, in welchem meist ein Ausregeln der auftretenden Störgröße ermöglicht ist. Nach erfolgreichem Ausregeln der Störgröße, beispielsweise bei hinreichend stabilem Verhalten der die Dosierrate bestimmenden Stellgröße als Ausgangsgröße des Reglers oder bei Erzielen einer hinreichend geringen Regelabweichung kann ein Umschalten bzw. Zurückschalten in den gesteuerten Dosierbetrieb vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß ist es in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, zumindest dann vom geregelten Dosierbetrieb zum gesteuerten Dosierbetrieb überzugehen, wenn im geregelten Dosierbetrieb einem zeitlichen Verlauf mit im Wesentlichen zunehmender Dosierrate ein zeitlicher Verlauf mit im Wesentlichen abnehmendem Ist-Wirkungsgrad zugeordnet ist. Wie von den Erfindern festgestellt wurde, entspricht einem abnehmenden Ist-Wirkungsgrad bei gleichzeitig zunehmender Reduktionsmitteldosierrate einem Verhalten der Regelstrecke, welches für eine Überdosierung mit Oxidation des überschüssigen Ammoniaks typisch ist. Wie festgestellt werden konnte, kann ein solches unerwünschtes Störverhalten häufig nicht oder nur unbefriedigend ausgeregelt werden. Infolge des erfindungsgemäß vorgesehenen Übergangs zu einem gesteuerten Dosierbetrieb kann in dem beschriebenen Fall jedoch wieder eine für hohe NOx-Umsatzwerte geeignete Dosierrate eingestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dosierrate im gesteuerten Dosierbetrieb und/oder der Soll-Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Stickoxidmassenstrom in den SCR-Katalysator und von einer Temperatur des SCR-Katalysators vorgegeben werden. Dabei kann der Stickoxidmassenstrom in den SCR-Katalysator seinerseits wieder aus Kennfeldern für Motorbetriebsparameter wie Last, Drehzahl, Aufladegrad, Abgasrückführrate usw. ermittelt werden. Es ist jedoch bevorzugt, wenn der Stickoxidmassenstrom in den SCR-Katalysator aus Messwerten eines vor dem SCR-Katalysator angeordneten Stickoxidsensors ermittelt wird, wobei bevorzugt zugleich ein Abgasmassenstrom, ermittelt aus angesaugtem Luftmassenstrom und Kraftstoffverbrauchsstrom berücksichtigt wird. Eine Berücksichtigung einer gegebenenfalls im Laufe der Betriebszeit auftretenden alterungsbedingten Verschlechterung des Katalysator Wirkungsgrads kann bei der Festlegung der Dosierrate und/oder des Soll-Wirkungsgrads ebenfalls vorgesehen sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Ist-Wirkungsgrad aus Signalen eines stromaufwärts des SCR-Katalysators und Signalen eine stromabwärts des SCR-Katalysators angeordneten Stickoxidsensors ermittelt. Aus der Differenz der von dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Stickoxidsensor gelieferten Werte für die NOx-Konzentration im Abgas kann der NOx-Umsatz bzw. der Ist-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators zuverlässig ermittelt werden. Wie festgestellt werden konnte, ist mit einer messtechnischen Ermittlung der eingangsseitig des SCR-Katalysators vorhandenen NOx-Konzentration im Abgas eine zuverlässigere Wirkungsgradermittlung ermöglicht als mit einer modellbasiert ermittelten NOx-Konzentration. Durch die messtechnische Bestimmung des Ist-Wirkungsgrad ist daher eine erhöhte Genauigkeit der Dosierraten-Einstellung und ein verbesserter NOx-Umsatz ermöglicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist unter vorgebbaren Kaltstartbedingungen ein gesteuerter Kaltstart-Dosierbetrieb vorgesehen, bei welchem eine im Vergleich zum normalen gesteuerten Dosierbetrieb erhöhte Dosierrate eingestellt wird. Mit dieser Vorgehensweise wird der Erkenntnis Rechnung getragen, dass bei einem Kaltstart bzw. bei im Vergleich zum Normalbetrieb kaltem SCR-Katalysator einerseits dessen Wirksamkeit aus Temperaturgründen und andererseits aufgrund einer üblicherweise geringen Menge an eingespeichertem Ammoniak vermindert ist. Infolge der erhöhten Dosierrate kann eine für einen hohen NOx-Umsatz erforderliche Ammoniakspeichermenge rasch aufgebaut werden. Bevorzugt werden bei einem Kaltstart bzw. Warmlauf gleichzeitig insbesondere motorische Maßnahmen zur raschen Abgas- bzw. Katalysatoraufheizung ergriffen. Auf diese Weise steht nach einem Kaltstart in kurzer Zeit ein wirksamer SCR-Katalysator zur Verfügung. Als erhöhte Dosierrate kann beispielsweise vorübergehend die maximal mögliche Dosierrate oder ein vorgebbarer Anteil der maximal möglichen Dosierrate eingestellt werden. Dabei ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in einer Betriebsphase mit ununterbrochenem Betrieb des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors der Zustand eines gesteuerten Kaltstart-Dosierbetriebs höchstens einmal eingestellt wird. Sind die vorgebbaren Kaltstartbedingungen nicht mehr vorhanden, so wird bevorzugt in den normalen gesteuerten Dosierbetrieb übergegangen und eine erneute Einstellung des Kaltstart-Dosierbetriebs für die anschließende Betriebszeit verboten. Erst nach Abstellen des Motors wird dieser wieder freigeschalten. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die für einen Kaltstart bzw. einen Motorwarmlauf typischen Bedingungen im Allgemeinen lediglich einmal in einer Betriebsphase mit ununterbrochenem Motorbetrieb auftreten.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 ein schematisches Blockbild eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors mit einer angeschlossenen Abgasreinigungsanlage und
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2 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der erfindungsgemäß vorgesehenen Verfahrensführung beim Betreiben der Abgasreinigungsanlage.
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1 zeigt beispielhaft ein schematisches Blockbild eines Verbrennungsmotors 1 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage. Der Verbrennungsmotor 1 ist vorzugsweise als luftverdichtende Brennkraftmaschine, nachfolgend vereinfacht als Dieselmotor bezeichnet, ausgebildet. Das vom Dieselmotor 1 ausgestoßene Abgas wird von einer Abgasleitung 2 aufgenommen und durchströmt nacheinander einen Oxidationskatalysator 3, einen Partikelfilter 4 und einen NOx-Reduktionskatalysator 5. Oxidationskatalysator 3 und Partikelfilter 4 können auch eng benachbart in einem gemeinsamen Gehäuse, gegebenenfalls zusammen mit dem NOx-Reduktionskatalysator 5 angeordnet sein. Der Partikelfilter 4 ist vorzugsweise mit einer einen Rußabbrand und/oder eine NO-Oxidation fördernden katalytischen Beschichtung versehen. Stromab des NOx-Reduktionskatalysator 5 kann eine weiterer, nicht dargestellter Oxidationskatalysator zur Oxidation von durch den NOx-Reduktionskatalysator 5 schlüpfendem Reduktionsmittel vorgesehen sein.
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Zur Beheizung des Oxidationskatalysators 3 bzw. des Abgases kann wie dargestellt eine Heizeinrichtung 26 eingangsseitig des Oxidationskatalysators 3 in der Abgasleitung 2 angeordnet sein. Die Heizeinrichtung 26 kann als elektrisches Heizelement oder auch als ein Wärme liefernder Reformer oder Vorverbrenner ausgebildet sein. Eine Aufheizung des Abgases kommt insbesondere bei einer Regeneration des Partikelfilters 4 durch Rußabbrand in Betracht. Zur Feststellung der Notwendigkeit einer solchen Regeneration ist dem Partikelfilter 4 ein Differenzdrucksensor 22 zugeordnet, welcher ein bezüglich einer Partikelbeladung auswertbares Signal liefert. Ferner ist ein Abgasturbolader 6 vorgesehen, dessen Turbine vom Abgasstrom angetrieben wird und dessen Verdichter über eine Ansaugluftleitung 7 angesaugte Luft über eine Luftzufuhrleitung 11 dem Dieselmotor 1 zuführt. Der Abgasturbolader 6 ist vorzugsweise als so genannter VTG-Lader mit einer variablen Einstellung seiner Turbinenschaufeln oder als Wastegate-Lader ausgebildet. Zur Einstellung der dem Dieselmotor 1 zugeführten Luftmenge ist in der Luftzufuhrleitung 11 eine Drosselklappe 12 angeordnet. Zur Reinigung der Ansaugluft bzw. zur Messung der Ansaugluftmenge sind ein Luftfilter 8 bzw. ein Luftmassenmesser 9 in der Ansaugluftleitung 7 angeordnet. Ein in der Luftzufuhrleitung angeordneter Ladeluftkühler 10 dient zur Kühlung der verdichteten Ansaugluft. Weiterhin ist eine nicht dargestellte, über ein Abgasrückführventil einstellbare Abgasrückführung vorgesehen, mit welcher eine vorgebbare Menge rückgeführten Abgases der Ansaugluft zugegeben werden kann. Rückgeführtes Abgas kann über einen stromaufwärts von der Turbine des Abgastruboladers 6 abzweigenden Hochdruck-AGR-Pfad und/oder von einem stromabwärts des Partikelfilters 4 abzweigenden Niederdruck-AGR-Pfad zur Einlassseite des Dieselmotors 1 geführt werden. Dabei kann in vorteilhafter Weise zur Einstellung der NOx-Rohemission des Dieselmotors 1 bzw. der dem NOx-Reduktionskatalysator 5 zugeführten Abgasmenge das Verhältnis der über Hochdruck-AGR-Pfad und Niederdruck-AGR-Pfad abgezweigten Abgasmengen in einem vorgebbaren Verhältnis einstellbar sein.
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Stromauf des NOx-Reduktionskatalysators 5 ist eine Zugabestelle mit einer Dosiereinheit 27 zur Zugabe eines Reduktionsmittels in das Abgas angeordnet. Die Versorgung der Dosiereinheit 27 mit dem Reduktionsmittel erfolgt aus einem hier nicht dargestellten Behälter. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Reduktionsmittel um wässrige Harnstofflösung handelt, die dem Abgas über die Dosiereinheit 27 dosiert zugegeben wird. Im heißen Abgas wird durch Thermolyse und/oder Hydrolyse NH3 freigesetzt, welches selektiv bezüglich der Reduktion von im Abgas enthaltenem NOx wirkt. Dementsprechend ist vorliegend der NOx-Reduktionskatalysators 5 als klassischer SCR-Katalysator auf V2O5/WO3-Basis oder als Zeolith-beschichteter, geträgerter SCR-Katalysator ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch zur Dosierung anderer Reduktionsmittel, die vorzugsweise Ammoniak in freier oder gebundener Form enthalten mit Vorteil anwendbar. Insbesondere bei Einsatz von wässriger Harnstofflösung als Reduktionsmittel kann zwischen der Dosiereinheit 27 und dem NOx-Reduktionskatalysator 5 eine nicht dargestellte Mischeinheit in der Abgasleitung 2 angeordnet sein, mit welcher durch die Dosiereinheit 27 bereits bevorzugt fein verteilt ins Abgas gesprühtes Reduktionsmittel mit Abgas zu einer möglichst homogenen Mischung vermischt wird.
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Dadurch können eine Tröpfchenverdampfung und die Freisetzung von NH3 gefördert werden.
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Zur Steuerung des Betriebs der Abgasreinigungsanlage sowie des Dieselmotors 1 ist eine in 1 nicht dargestellte Steuereinheit vorgesehen, die Informationen über Betriebsgrößen des Dieselmotors 1 und der Abgasreinigungsanlage erhält. Informationen über Motorbetriebsgrößen können z. B. ein abgegebenes Drehmoment oder eine Drehzahl betreffen. Die Steuereinheit umfasst vorzugsweise eine Recheneinheit und eine Speichereinheit sowie eine Ein-Ausgabeeinheit. Dadurch ist die Steuereinheit in der Lage, komplexe Signalverarbeitungsvorgänge vorzunehmen und den Betrieb des Dieselmotors 1 sowie der Abgasreinigungsanlage zu erfassen und zu steuern bzw. zu regeln. Hierfür notwendige Kennfelder sind vorzugsweise in der Speichereinrichtung abgelegt, wobei auch eine adaptive Anpassung der Kennfelder vorgesehen sein kann. Die Kennfelder betreffen hauptsächlich die maßgeblichen Betriebsgrößen des Abgases, wie Massenstrom, Rohemission, Temperatur in Abhängigkeit der Betriebsgrößen des Dieselmotors 1 wie Last, Drehzahl, Luftverhältniszahl etc. Ferner sind Kennfelder für die maßgeblichen Betriebsgrößen des Oxidationskatalysators 3, des Partikelfilters 4 und des SCR-Katalysators 5 vorgesehen. Hinsichtlich des SCR-Katalysators 5 betreffen diese Kennfelder insbesondere den NOx-Umsatz bzw. den Wirkungsgrad in Bezug auf den NOx-Umsatz und die NH3-Speicherfähigkeit in Abhängigkeit von den hierfür maßgebenden Einflussgrößen, wie beispielsweise Katalysatortemperatur, Abgasmassenstrom bzw. NOx-Massenstrom und NH3- bzw. Harnstoffdosierrate.
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Die Erfassung von Betriebszuständen bzw. Betriebsgrößen des Dieselmotors 1 sowie der Abgasreinigungsanlage und der zugeordneten Einheiten erfolgt vorzugsweise wenigstens teilweise mittels geeigneter Sensoren. Beispielhaft sind in 1 Drucksensoren 13 und 15 für einen Druck vor dem Verdichter und einen Druck vor der Turbine des Turboladers 6 sowie Temperatursensoren 14, 16, 18, 19, 21, 23 und 24 für jeweils eine Temperatur nach dem Ladeluftkühler 10, vor der Turbine, vor dem Oxidationskatalysator 3, vor und nach dem Partikelfilter 4 sowie vor und nach dem SCR-Katalysator 5 dargestellt. Weitere Sensoren, insbesondere zur Erfassung von Abgaskomponenten können ebenfalls vorgesehen sein. Beispielsweise sind ein Lambdasensor 17 sowie Sensoren 20 und 25 für den Stickoxid- und/oder NH3-Gehalt im Abgas vorgesehen. Die Signale der Sensoren werden von der Steuereinheit verarbeitet, so dass die wesentlichen Betriebsgrößen wertemäßig jederzeit vorliegen und der Betriebspunkt des Dieselmotors 1 falls notwendig so verändert werden kann, dass ein optimaler bzw. gewünschter Betrieb der Abgasreinigungsanlage ermöglicht ist.
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Kern der Erfindung ist eine Festlegung einer Dosierrate für die Harnstofflösung derart, dass ein möglichst hoher, zumindest jedoch ein den Anforderungen entsprechender NOx-Umsatz durch den SCR-Katalysator 5 ermöglicht ist. Es ist vorgesehen, dass ein Ist-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators 5 für einen aktuellen NOx-Umsatz mit im SCR-Katalysator 5 gespeichertem und/oder dem SCR-Katalysator 5 zugeführtem NH3 ermittelt wird. Hierzu werden vorliegend die Signale der Stickoxidsensoren 20 und 25 stromauf und stromab des SCR-Katalysators 5 ausgewertet. Die Zudosierung des Reduktionsmittels erfolgt erfindungsgemäß wenigstens in Abhängigkeit vom ermittelten Ist-Wirkungsgrad und für vorgebbare Werte vorgebbarer Betriebsparameter der Abgasreinigungsanlage in einem gesteuerten Dosierbetrieb mit einer wirkungsgrad-gesteuerten Einstellung der Dosierrate oder in einem geregelten Dosierbetrieb mit einer wirkungsgradgeregelten Einstellung der Dosierrate derart, dass der Ist-Wirkungsgrad einen vorgebbaren Soll-Wirkungsgrad wenigstens annähernd erreicht. Vorzugebende Werte für den Soll-Wirkungsgrad in Bezug auf den NOx-Umsatz des SCR-Katalysators 5 werden bevorzugt vorab empirisch in Abhängigkeit der wesentlichen Betriebsgrößen wie Abgasmassenstrom, NOx-Massenstrom, Temperatur des SCR-Katalysators 5 und gegebenenfalls weiteren Größen ermittelt und in Form eines Kennfeldes vorgehalten. Zur Realisierung der wirkungsgradgesteuerten bzw. wirkungsgradgeregelten Dosierraten-Einstellung wird auf einen Steuer- bzw. Regelalgorithmus zurückgegriffen, welche bevorzugt als Programme in der Steuereinheit gespeichert sind.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Vorgehensweise anhand eines in 2 dargestellten Blockdiagramms näher erläutert. Nach einem Start des Dieselmotors 1 wird, nachdem das Vorliegen vorgegebener Dosierfreigabebedingungen festgestellt wurde, ein wirkungsgrad-gesteuerter Dosierbetrieb 30 eingestellt. Für eine Dosierfreigabe kann beispielsweise ein ordnungsgemäßer Umlauf der Harnstofflösung, ein Einhalten eines vorgebbaren Dosierdrucks und eine Betriebsbereitschaft des Dosiersystems und der Abgassensoren abgeprüft werden.
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Im wirkungsgrad-gesteuerten Dosierbetrieb 30 wird sodann zunächst geprüft, ob vorgebbare Kaltstartbedingungen vorliegen und sofern dies der Fall ist, ein Zustandswechsel 33 vorgenommen und in einen Kaltstart-Dosierbetrieb 32 gewechselt. Zu diesen maßgebenden Bedingungen für einen Zustandswechsel 33 gehören beispielsweise ein Unterschreiten vorgebbarer Mindesttemperaturen im Abgassystem bzw. Kühlmittel- und/oder Schmierölversorgungssystem des Dieselmotors 1. Vorliegend werden die Kaltstartbedingungen zumindest dann als erfüllt angesehen, wenn die Temperatur des SCR-Katalysators 5 unterhalb einer vorgebbaren unteren Grenztemperatur von etwa 200°C liegt und gleichzeitig der ermittelte Ist-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators 5 den Soll-Wirkungsgrad für den vorliegenden Betriebszustand der Abgasreinigungsanlage um mehr als ein vorgebbares Maß unterschreitet. Zur Beurteilung des letzteren Kriteriums kann eine Differenz oder ein Verhältnis von Ist-Wirkungsgrad und Soll-Wirkungsgrad ausgewertet werden. Werden die vorgebbaren Kaltstartbedingungen als erfüllt angesehen, so wird der gesteuerte Kaltstart-Dosierbetrieb 32 eingestellt. Dabei ist vorgesehen, die Dosierrate auf einen vorgebbaren, vergleichsweise hohen Kaltstartdosierratenwert einzustellen. Die Kaltstartdosierrate wird um ein vorgebbares Maß höher als die Dosierrate im normalen wirkungsgrad-gesteuerten Dosierbetrieb 30 eingestellt. Bevorzugt ist der Kaltstartdosierratenwert durch eines separates Kennfeld in Abhängigkeit des in den SCR-Katalysator 5 einströmenden NOx-Massenstroms und der Temperatur des SCR-Katalysators 5 vorgegeben. Vorzugsweise entspricht der Kaltstartdosierratenwert einer in Bezug auf den NOx-Massenstrom überstöchiometrischen Zugabe von Harnstoff. Auf diese Weise ist es ermöglicht, rasch eine ausreichende Ammoniakmenge im SCR-Katalysator 5 einzuspeichern. Nach Erreichen seiner Anspringtemperatur ist daher ein den Bedingungen entsprechender maximaler NOx-Umsatz zumindest annähernd ermöglicht. Dabei kann es vorgesehen sein, durch motorische Maßnahmen, wie beispielsweise Umgehung des Ladeluftkühlers 10 und/oder eines AGR-Kühlers, Betätigung der Heizeinrichtung 26, Durchführung einer Kraftstoffnacheinspritzung, Drosselung der Ansaugluftmenge eine rasche Erwärmung des SCR-Katalysators 5 zu unterstützen.
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Werden vorgebbare Sprungbedingungen festgestellt, so wird in einem Zustandswechsel 34 in den normalen wirkungsgrad-gesteuerten Dosierbetrieb 30 gewechselt. Insbesondere ist es für einen Wechsel 34 in den normalen wirkungsgrad-gesteuerten Dosierbetrieb 30 zumindest erforderlich, dass der Ist-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators 5 um weniger als ein vorgebbares geringes Maß vom Soll-Wirkungsgrad abweicht. Es ist vorgesehen, dass nach Verlassen eines einmalig eingestellten Kaltstart-Dosierbetriebs 32 eine nochmalige Aktivierung dieser Betriebsart beim weiteren Motorbetrieb blockiert wird.
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Im wirkungsgrad-gesteuerten Dosierbetrieb 30 wird anhand eines Kennfeldes, welches eine Dosierrate in Abhängigkeit wesentlicher Betriebsparameter des Dieselmotors 1 und der Abgasanlage wiedergibt, die Dosierrate eingestellt. Es ist vorgesehen, dass diese Betriebsparameter wenigstens den in den SCR-Katalysator 5 einströmenden NOx-Massenstrom und die Temperatur des SCR-Katalysators 5 umfassen. Das entsprechende Kennfeld für die Dosierrate im wirkungsgrad-gesteuerten Betrieb 30 wird bevorzugt vorab empirisch ermittelt. Die im Kennfeld abgelegte Dosierrate ist dabei so ermittelt, dass bei den maßgebenden Bedingungen ein vorgebbarer Soll-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators 5 erreicht wird. Bevorzugt ist eine Dosierrate, welche einer höchstens stöchiometrischen Dosierung von Harnstoff derart entspricht, dass eingangsseitig des SCR-Katalysators 5 gleiche Werte für die NOx-Konzentration und die NH3-Konzentration vorliegen. Eine adaptive Anpassung bzw. Korrektur des Kennfeldes, beispielsweise aufgrund einer im Laufe der Betriebszeit erfolgenden alterungsbedingten Degradation des SCR-Katalysators 5 kann vorgesehen sein. Dadurch kann ein alterungsbedingter Aktivitätsverlust des SCR-Katalysators 5 bei der Dosierratenermittlung berücksichtigt werden, wodurch Überdosierungen aufgrund des Aktivitätsverlustes vermieden werden. Je nach vorherrschenden Betriebsbedingungen wird die zugeordnete Dosierrate für die Harnstofflösung aus dem Kennfeld ausgelesen und eingestellt. Es ist vorgesehen, dass der Ist-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators 5 in Bezug auf den NOx-Umsatz fortlaufend ermittelt und mit dem Soll-Wirkungsgrad verglichen wird. Der Ist-Wirkungsgrad wird dabei anhand der stromauf und stromab des SCR-Katalysators 5 vorliegenden NOx-Konzentrationen bzw. -Massenströme ermittelt. Dabei kann der in den SCR-Katalysator 5 einströmende NOx-Massenstrom aus einem Motorbetriebskennfeld ausgelesen werden oder sensorisch aus dem Signal des NOx-Sensors 20 in Verbindung mit dem Abgasmassenstrom ermittelt werden. Die NOx-Konzentration bzw. der NOx-Massenstrom stromab des SCR-Katalysators 5 wird bevorzugt aus den Signalen des stromabwärtigen NOx-Sensors 25 ermittelt.
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Wird bei wirkungsgrad-gesteuertem Dosierbetrieb 30 festgestellt, dass vorgebbare Sprungbedingungen vorliegen, so wird in einem Zustandswechsel 35 in den wirkungsgrad-geregelten Dosierbetrieb 31 gewechselt. Die Sprungbedingungen für den Zustandswechsel 35 umfassen dabei zumindest eine Betriebsbereitschaft des Reglers bzw. eine Verfügbarkeit von für den Reglerbetrieb erforderlichen Betriebsgrößen bzw. Sensorsignalen. Ferner wird in den wirkungsgrad-geregelten Dosierbetrieb 31 vorliegend nur dann gewechselt, wenn der ermittelte Ist-Wirkungsgrad um mehr als ein vorgebbares Maß vom Soll-Wirkungsgrad abweicht. Im wirkungsgrad-geregelten Dosierbetrieb 31 erfolgt eine geregelte Einstellung der Harnstoffdosierrate, bevorzugt gemäß einem im Steuergerät abgelegten Regelalgorithmus. Dem bevorzugt softwaretechnisch implementierten Regelkreis wird als Führungsgröße der analog zum wirkungsgrad-gesteuerten Dosierbetrieb 30 ermittelte Soll-Wirkungsgrad für den NOx-Umsatz am SCR-Katalysator 5 zugeführt. Außerdem erfolgt analog zum wirkungsgrad-gesteuerten Dosierbetrieb 30 eine fortlaufende Ermittlung des Ist-Wirkungsgrads des SCR-Katalysators 5. Eine aus dem Soll-Wirkungsgrad und dem Ist-Wirkungsgrad ermittelte Differenz wird dem vorzugsweise als PID-Regler arbeitenden Regelalgorithmus als Regelabweichung zugeführt und eine Stellgröße für die einzustellende Dosierrate ausgegeben und der Dosiereinheit 27 zugeführt. Der Regelalgorithmus kann dabei auch die Einstellung eines Vorsteuerwertes für die Dosierrate vorsehen, wodurch Schwingungen der Stellgröße vermindert werden und die Einstellgeschwindigkeit erhöht wird.
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Liegen vorgebbare Rücksprungbedingungen vor, so wird in einem Zustandswechsel 36 aus dem wirkungsgrad-geregelten Dosierbetrieb 31 wieder in den wirkungsgrad-gesteuerten Dosierbetrieb 30 zurückgesprungen. Der Zustandswechsel 36 wird vorzugsweise dann vorgenommen wenn Sensorsignalwerte eines oder mehrerer der Sensoren 14, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 23, 24 und 25 vorgebbaren Grenzen unter- bzw. überschreiten oder ein Ausfall eines oder mehrerer der genannten Sensoren detektiert wird. Bei einem erkannten schwerwiegenden Fehler, wie beispielsweise dem Ausfall einer Komponente des Dosiersystems kann auch in eine Fehlerbehandlungsroutine bzw. in einen Notlauf gesprungen werden. Vorliegend ist ein Zustandswechsel 36 aus dem wirkungsgradgeregelten Dosierbetrieb 31 in den wirkungsgrad-gesteuerten Dosierbetrieb 30 zumindest dann vorgesehen, wenn im geregelten Dosierbetrieb 31 einem zeitlichen Verlauf mit im Wesentlichen zunehmender Dosierrate ein zeitlicher Verlauf mit im Wesentlichen abnehmendem Ist-Wirkungsgrad zugeordnet ist. Ein solches Verhalten kann beispielsweise bei einem Fehler eines der NOx-Sensoren 20, 25 auftreten. Im Falle eines auf Ammoniak querempfindlichen NOx-Sensors 25 kann die genannten Rücksprungbedingung auch durch eine Überdosierung versacht sein, bei welcher bei zunehmender Dosierrate ein zunehmender Ammoniakschlupf auftritt, welcher fälschlicherweise als zunehmender Stickoxidkonzentrationswert und damit als abnehmender Wirkungsgrad interpretiert wird. Durch den Zustandswechsel 36 ist somit ein eventuell mögliches „Weglaufen” der Regelung verhindert und es können im erneut eingenommenen wirkungsgrad-gesteuerten Betrieb erneut definierte Bedingungen für hohe NOx-Umsatzwerte eingestellt werden.
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Insgesamt ist insbesondere durch den erfindungsgemäß unter vorgebbaren Bedingungen vorgenommenen Wechsel von wirkungsgrad-gesteuertem Dosierbetrieb 30 und wirkungsgrad-geregelten Dosierbetrieb 31 eine Erzielung von hohen, überwiegend sogar optimalen Stickoxidumsätzen am SCR-Katalysator 5 ermöglicht. Es versteht sich, dass für einen Zustandswechsel 33, 34, 35, 36 bevorzugt eine zeitliche Entprellung vorgesehen ist. Diese kann beispielsweise derart gestaltet sein, dass ein Zustandswechsel 33, 34, 35, 36 nur dann vorgenommen wird, wenn die für einen Zustandswechsel maßgebenden Bedingungen für eine vorgebbare Zeitspanne anliegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1348477 A1 [0003]
- EP 0554766 A1 [0004]