DE102013203578A1

DE102013203578A1 - Verfahren zur Überwachung eines Abgasnachbehandlungssystems

Info

Publication number: DE102013203578A1
Application number: DE102013203578.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Franz; Andreas Holzeder; Tobias Pfister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer ersten SCR-Katalysatoreinrichtung (11) und wenigstens einer, in Abgasströmrichtung stromabwärts angeordneten zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung (12). Stromaufwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung (11) ist wenigstens eine Dosiereinrichtung (14) für Reaktionsmittel für die SCR-Katalysatoreinrichtungen (11, 12) vorgesehen. Stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung (12) ist wenigstens ein NOx-Sensor (15; 16) angeordnet. Erfindungsgemäß wird bei einer Betriebsphase, bei der in der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung (12) im Wesentlichen keine Umsetzung von NOx stattfindet, aus Messsignalen des NOx-Sensors (15; 16) auf die Funktion der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung (11) geschlossen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer ersten SCR-Katalysatoreinrichtung und wenigstens einer zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft, sowie ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode.
Stand der Technik
Um die immer strengeren Abgasgesetzgebungen insbesondere für Kraftfahrzeuge zu erfüllen, ist es notwendig, den Gehalt von Stickoxiden (NOx) im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen zu verringern. Hierfür sind SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction) bekannt, die im Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordnet sind, wobei die SCR-Katalysatoren die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduzieren. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH₃) als Reduktionsmittel bzw. Reaktionsmittel benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Für die Bereitstellung von Ammoniak wird üblicherweise eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgasstrang mithilfe einer Dosiereinrichtung eingespritzt wird. Aus dieser Lösung spaltet sich NH₃ ab, das im SCR-Katalysator als Reduktionsmittel wirken kann. Um in dem SCR-Katalysator hohe Umsatzraten bei der Reduktion der Stickoxide zu erzielen, muss der SCR-Katalysator so betrieben werden, dass er ständig bis zu einem gewissen Niveau mit dem Reduktionsmittel Ammoniak befüllt ist.
Heute bekannte SCR-Katalysatoren speichern NH₃ an der Katalysatoroberfläche. Die NOx-Konversion im SCR-Katalysator ist umso erfolgreicher, umso größer das Reduktionsmittelangebot im Katalysator ist. Solange die Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators für NH₃ noch nicht ausgeschöpft ist, wird zu viel dosiertes Reduktionsmittel gespeichert. Wenn die Dosiereinheit weniger Reduktionsmittel zur Verfügung stellt als für die Konversion der aktuell im Abgas vorhandenen Stickoxide notwendig ist, wird das gespeicherte Reduktionsmittel für die Konversion der Stickoxide verbraucht und damit der NH₃-Füllstand verringert.
Zur Erzielung höherer Umsatzraten bei der Stickoxidreduktion im Abgasstrang sind bereits Systeme bekannt, die zwei separate SCR-Katalysatoreinrichtungen einsetzen. Die Versorgung der hintereinander geschalteten SCR-Katalysatoreinrichtungen erfolgt üblicherweise derart, dass in Abgasrichtung gesehen stromaufwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung eine Dosiereinrichtung für Reaktionsmittel vorgesehen ist. Über diese Dosiereinrichtung wird der erste SCR-Katalysator mit Reduktionsmittel versorgt. Ein Teil des zugeführten Reduktionsmittels wird nicht bei der Katalysereaktion im ersten SCR-Katalysator verbraucht und auch nicht im ersten SCR-Katalysator gespeichert, so dass dieser Teil des zugeführten Reduktionsmittels die erste SCR-Katalysatoreinrichtung als sogenannter NH₃-Schlupf wieder verlässt. Über diesen NH₃-Schlupf wird die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung mit Reduktionsmittel versorgt, so dass auch für die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung ausreichend Reduktionsmittel zur Verfügung steht. Die Ermittlung der erforderlichen Dosierrate für eine optimale Abgasnachbehandlung erfolgt üblicherweise in einer elektronischen Steuereinheit, in der optimierte Strategien für den Betrieb des SCR-Systems hinterlegt sind.
Heute bekannte Dosierstrategien für SCR-Systeme verfügen über eine sogenannte Füllstandsregelung, die einen Arbeitspunkt in Form eines Sollwerts für den NH₃-Füllstand in einem SCR-Katalysator einstellt. Dieser Arbeitspunkt wird so gewählt, dass der NH₃-Füllstand hoch genug ist, um sowohl eine hohe NOx-Konversionsrate als auch einen Puffer für kurzfristig auftretende NOx-Spitzen zu gewährleisten. Der Füllstand sollte aber andererseits auch so weit wie möglich von der maximalen Speicherfähigkeit entfernt sein, um einen NH₃-Schlupf aus dem System zu vermeiden.
Im Rahmen der sogenannten On-Board-Diagnose (OBD) wird eine Diagnose aller emissionsrelevanten Bauteile eines Kraftfahrzeugs gefordert. Dies umfasst die Überwachung aller Abgasnachbehandlungskomponenten sowie der eingesetzten Sensorik. Im Zuge von Diagnosefunktionen für die Stickoxid-Abgasnachbehandlung wird die Einhaltung der zulässigen OBD-Grenzwerte für die Stickoxidemissionen des Kraftfahrzeugs überwacht. Bei Abgasanlagen mit nur einem SCR-Katalysator wird zu Diagnosezwecken heute üblicherweise die NOx-Konversionsrate des SCR-Katalysators mithilfe eines stromabwärts des Katalysators angeordneten NOx-Sensors bestimmt. Dazu wird in geeigneten Betriebspunkten der NOx-Massenstrom als Sensorwert stromabwärts des SCR-Katalysators und als Sensor- oder Modellwert stromaufwärts des SCR-Katalysators integriert. Nach Erreichen einer NOx-Massenschwelle wird daraus die NOx-Konversionsrate berechnet. Der Katalysator gilt als defekt, wenn die Konversionsrate unterhalb eines systemspezifischen Grenzwerts liegt. Dieser Grenzwert wird üblicherweise aus einem Modellwirkungsgrad der Dosierstrategie abgeleitet, die den im jeweiligen Betriebspunkt erwarteten NOx-Umsatz beschreibt. Moderne SCR-Systeme verfügen daher zumindest über einen NOx-Sensor stromabwärts des SCR-Katalysators. Derzeit übliche NOx-Sensoren zeigen eine Querempfindlichkeit für NH₃, wobei das Sensorsignal ein Summensignal aus NOx und NH₃ zeigt. Ein Anstieg des Sensorsignals kann daher sowohl auf einer sinkenden NOx-Konversionsrate, also einem Anstieg der NOx-Konzentration, als auch auf einem Durchbruch von reinem Ammoniak, also einem Anstieg der NH₃-Konzentration, beruhen. Eine direkte Unterscheidung von NOx und NH₃ ist nicht möglich.
Neben der Einhaltung der zulässigen OBD-Grenzwerte fordert die Gesetzgebung auch eine Überwachung der einzelnen Komponenten eines Abgasnachbehandlungssystems. Folglich sollte bei einem Katalysatorsystem mit mehr als einem SCR-Katalysator jeder Katalysator einzeln im Hinblick auf seine Funktionsfähigkeit überwacht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasnachbehandlungssystems bereitzustellen, das bei einem SCR-System mit mehr als einer SCR-Katalysatoreinrichtung die Überwachung der einzelnen SCR-Katalysatoreinrichtungen erlaubt und insbesondere die Überwachung der in Abgasströmrichtung ersten SCR-Katalysatoreinrichtung. Bei einem SCR-System mit mehreren Katalysatoren, das die OBD-Grenzwerte überschreitet, soll mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens der defekte Katalysator im System eindeutig identifiziert werden können. Beispielsweise soll damit erkannt werden können, ob einer der SCR-Katalysatoren so weit gealtert ist, dass die geforderten Umsatzraten nicht mehr gegeben sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer ersten SCR-Katalysatoreinrichtung und wenigstens einer zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung gelöst, wie es sich aus dem Anspruch 1 ergibt. Bevorzugte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem Abgasnachbehandlungssystem aus, das wenigstens eine erste SCR-Katalysatoreinrichtung und wenigstens eine zweite SCR-Katalysatoreinrichtung aufweist, die in Abgasströmrichtung stromabwärts angeordnet ist. Die erste SCR-Katalysatoreinrichtung ist also der Brennkraftmaschine zugewandt. Stromaufwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung ist wenigstens eine Dosiereinrichtung für das erforderliche Reaktionsmittel vorgesehen. Hierbei wird die erste SCR-Katalysatoreinrichtung mit mindestens so viel Reaktionsmittel beaufschlagt, dass hinter der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung ein NH₃-Schlupf entsteht. Dieses NH₃ gelangt in die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung und steht hier für die Katalysereaktion zur Verfügung. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin wenigstens ein NOx-Sensor erforderlich, der stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird bei einer Betriebsphase, bei der in der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung im Wesentlichen keine Umsetzung von NOx stattfindet, aus einer Auswertung von Messsignalen des NOx-Sensors auf die Funktion der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung geschlossen. Hierdurch ist es möglich, bei einem Defekt im gesamten SCR-Katalysatorsystem, beispielsweise bei nicht eingehaltenen Grenzwerten, den tatsächlich defekten SCR-Katalysator eindeutig zu identifizieren. Es ist lediglich ein NOx-Sensor stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung erforderlich. Es ist beispielsweise nicht erforderlich, einen zweiten NOx-Sensor zwischen der ersten und der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung einzubauen. Das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren kann damit bei derzeit üblichen SCR-Systemen eingesetzt werden, wobei der gegebenenfalls vorhandene Defekt oder die gegebenenfalls vorhandene Einschränkung der Funktion im System eindeutig identifiziert werden kann, ohne dass eine zusätzliche Sensorik, die mit weiteren Kosten verbunden wäre, erforderlich wäre.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhafterweise aus den Messsignalen des NOx-Sensors, der stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung angeordnet ist, eine NOx-Konversionsrate bestimmt, die mit einer erwarteten, insbesondere modellierten, NOx-Konversionsrate für die erste SCR-Katalysatoreinrichtung verglichen wird. Aus dem Vergleich bzw. aus gegebenenfalls vorhandenen Abweichungen wird auf eine gegebenenfalls vorhandene Beeinträchtigung der Funktion der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung geschlossen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens handelt es sich bei der Betriebsphase, bei der in der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung im Wesentlichen keine Umsetzung von NOx stattfindet, um einen Temperaturbereich, in dem die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung eine suboptimale Betriebstemperatur und die erste SCR-Katalysatoreinrichtung eine im Wesentlichen optimale Betriebstemperatur aufweist. Der Temperaturbereich für die erste SCR-Katalysatoreinrichtung ist also sozusagen der optimale Temperaturbereich, in dem eine akzeptable Umsetzungsrate erreicht wird. Hierauf bezieht sich der Ausdruck „im Wesentlichen“. Dieser Temperaturbereich ist unter Anderem abhängig von der Bauart der Sonde und kann beispielsweise zwischen 270 und 340 °C liegen. Außerhalb dieses Bereichs sinkt die Umsetzungsrate deutlich ab. Bekanntermaßen ist die erzielbare NOx-Konversionsrate in einem SCR-Katalysator unter anderem von der Katalysatortemperatur abhängig. Insbesondere bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, beispielsweise unterhalb von 200° Celsius, ist die NOx-Konversionsrate im Allgemeinen gering. Bei einer Temperatur unterhalb von 200° Celsius kann angenommen werden, dass ein Großteil der in den Katalysator einströmenden Stickoxide den Katalysator ohne weitere Reaktion durchströmt und wieder verlässt. Bei solchen niedrigen Temperaturen findet im Wesentlichen keine Umsetzung der Stickoxide statt. Die vorliegende Erfindung macht sich dieses Verhalten von SCR-Katalysatoren zunutze, um eine Diagnose während einer Betriebsphase durchzuführen, in der die Umsetzung von Stickoxiden in der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung zu vernachlässigen ist. In der genutzten Betriebsphase ist die Betriebstemperatur der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung so niedrig, dass in diesem Katalysator praktisch keine NOx-Konversion stattfindet. Mit besonderem Vorteil kann für diese Betriebsphase die Aufwärmphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart genutzt werden. Die erste SCR-Katalysatoreinrichtung erwärmt sich aufgrund ihrer motornahen Einbauposition wesentlich schneller und erreicht die optimale Betriebstemperatur früher als die nachgeschaltete zweite SCR-Katalysatoreinrichtung. Diese Phase wird erfindungsgemäß genutzt, um auf der Basis der Signale des NOx-Sensors stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung auf die Funktion der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung rückzuschließen. In dieser Phase entsprechen die am NOx-Sensor gemessenen Emissionen im Wesentlichen den Werten, die stromabwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung erwartet werden. In der erfindungsgemäß genutzten Aufwärmphase erfolgt vorteilhafterweise die Taupunktendefreigabe möglichst schnell, damit die entsprechenden Berechnungen der Umsatzraten frühzeitig erfolgen können. Die Taupunktendefreigabe sollte vorteilhafterweise abgeschlossen sein, bevor die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
Das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren kann beispielsweise bei SCR-Systemen mit zwei hintereinander geschalteten üblichen SCR-Katalysatoren eingesetzt werden. Das gesamte Katalysatorvolumen kann auf zwei hintereinander geschaltete Katalysatorbüchsen verteilt sein. Mit Vorteil kann das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren aber beispielsweise auch bei SCR-Systemen eingesetzt werden, deren erste SCR-Katalysatoreinrichtung ein Partikelfilter mit SCR-Beschichtung ist. Die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung kann hierbei beispielsweise ein üblicher SCR-Katalysator sein.
Das Abgasnachbehandlungssystem kann neben den SCR-Katalysatoreinrichtungen auch noch weitere Katalysatoren umfassen. Beispielsweise kann stromaufwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung ein Diesel-Oxidationskatalysator und/oder stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung ein sogenannter Clean-up-Katalysator, der zur Entfernung von Ammoniak aus dem Abgas vorgesehen ist, angeordnet sein. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens bei einem Abgasnachbehandlungssystem, das einen solchen Clean-up-Katalysator stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung aufweist, hat den besonderen Vorteil, dass ein NOx-Sensor, der stromabwärts des Clean-up-Katalysators angeordnet ist, im Wesentlichen nur NOx misst, und nicht NH₃, das durch den Clean-up-Katalysator entfernt wurde. Bei dem Messsignal des NOx-Sensors tritt also keine Verfälschung durch NH₃ auf, sodass die Auswertung der Messsignale erleichtert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Überwachungsverfahren insbesondere bei einem Fehlerverdacht im Abgasnachbehandlungssystem durchgeführt. Das Überwachungsverfahren kann beispielsweise als zweite Instanz innerhalb einer Eskalationsstrategie verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit beispielsweise eingesetzt werden, wenn eine andere Diagnosevariante, die bezüglich der geeigneten Betriebspunkte weniger eingeschränkt als das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren ist, die aber nicht eindeutig zwischen einem Defekt in der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung und in der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung unterscheiden kann, einen Fehler signalisiert. Wenn nach der ersten Diagnosevariante ein Fehlerverdacht vorliegt, kann der Fehlerverdacht in der mehrstufigen Strategie durch das erfindungsgemäße Verfahren gegebenenfalls bestätigt werden und zugleich kann die tatsächlich defekte SCR-Katalysatoreinrichtung identifiziert werden.
Die Erfindung umfasst schließlich ein Computerprogramm, das alle Schritte des beschriebenen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird, sowie ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Computerprogramm bzw. als Computerprogrammprodukt hat den Vorteil, dass dieses Programm ohne Weiteres auch bei bestehenden Kraftfahrzeugen mit den vorhandenen Hardwarekomponenten im Abgasstrang eingesetzt werden kann, um so die Vorteile bei der Überwachung des Abgasnachbehandlungssystems nutzen zu können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 beispielhafte Darstellungen der Komponenten von Abgasnachbehandlungssystemen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens geeignet sind;
2 schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der NH₃-Speicherfähigkeit und der Temperatur des SCR-Katalysators sowie des Einflusses einer thermischen Alterung des SCR-Katalysators;
3 schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der NOx-Konversionsrate in Abhängigkeit von der Temperatur des SCR-Katalysators, dem NH₃-Füllstand und der Raumgeschwindigkeit des Abgases im Katalysator;
4 schematische Darstellung der Regelgröße des NH₃-Füllstandes in einem Katalysatorsystem mit zwei hintereinander geschalteten SCR-Katalysatoren im Regelbetrieb und
5 beispielhaftes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In den 1A und 1B sind die Komponenten von zwei beispielhaften Abgasnachbehandlungssystemen einer Brennkraftmaschine gezeigt. Die Brennkraftmaschine selbst ist jeweils nicht dargestellt. Der Pfeil gibt die Abgasströmrichtung an. Das Abgas durchströmt zunächst einen Dieseloxidationskatalysator 10. Anschließend gelangt das Abgas in die erste SCR-Katalysatoreinrichtung 11, beispielsweise ein Partikelfilter mit SCR-Beschichtung (SCRF = SCR on Filter). Stromabwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung 11 ist eine zweite SCR-Katalysatoreinrichtung 12, insbesondere ein üblicher SCR-Katalysator, angeordnet. Daran schließt sich ein Clean-up-Katalysator 13 an, der zur Entfernung von Ammoniak aus dem Abgas vorgesehen ist. Stromaufwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtungen 11 ist eine Dosierstelle 14 für das Reaktionsmittel für die SCR-Katalysatoreinrichtungen 11 und 12 vorgesehen. Das Reaktionsmittel wird jeweils so dosiert, dass ein Teil des Reaktionsmittels die erste SCR-Katalysatoreinrichtung 11 ungenutzt passiert und in die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung 12 gelangt, um hier für die Katalysereaktion zur Verfügung zu stehen. Das in 1B dargestellte Abgasnachbehandlungssystem umfasst die gleichen Katalysatorkomponenten 10 bis 13. Der Unterschied zwischen den Abgasnachbehandlungssystemen in 1A und 1B liegt in der Anordnung der NOx-Sensoren. Bei dem Abgasnachbehandlungssystem in der 1A ist ein NOx-Sensor 15 stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung 12, aber vor dem Clean-up-Katalysator 13 vorgesehen. In der Konstellation gemäß 1B ist ein Stickoxidsensor 16 stromabwärts des Clean-up-Katalysators 13 angeordnet. Weiterhin kann stromaufwärts der Dieseloxidationskatalysatoren 10 jeweils ein weiterer Stickoxidsensor 17 vorgesehen sein, der die Stickoxide im Abgas unmittelbar nach dem Austritt aus der Brennkraftmaschine erfassen kann. Alternativ können die Stickoxidwerte direkt nach der Brennkraftmaschine auch durch eine Modellierung dieser Werte ermittelt werden. Wesentliche Komponenten für die Durchführung des erfindungsgemäßen Diagnose- bzw. Überwachungsverfahrens sind die erste und die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung 11 und 12, die Dosierstelle 14 sowie der stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung 12 angeordnete NOx-Sensor 15 oder 16.
2 illustriert den Zusammenhang zwischen der NH₃-Speicherfähigkeit (mNH3_max) eines SCR-Katalysators und der Temperatur im Katalysator (T_SCR) sowie den Einfluss einer thermischen Alterung des Katalysators. Der Verlauf 21 repräsentiert das NH₃-Speicherverhalten eines neuwertigen SCR-Katalysators in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators. Mit zunehmender Alterung, hier dargestellt durch den Pfeil 24, sinkt die NH₃-Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators, dargestellt anhand der Verläufe 22 und 23. Die maximale NH₃-Speicherfähigkeit eines SCR-Katalysators ist damit eine Funktion der Temperatur des SCR-Katalysators, wobei die maximale Speicherfähigkeit mit zunehmender thermaler Alterung des Katalysators über den gesamten Temperaturbereich abnimmt. Im Verlauf der Lebensdauer eines Katalysators kommt es damit zwangsläufig zu einer Einschränkung der Funktionsfähigkeit des Katalysators. Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, eine derart eingeschränkte Funktionsfähigkeit eines bestimmten Katalysators in einem SCR-Katalysatorsystem zu erkennen, wenn die thermale Alterung dazu führt, dass die geforderte NOx-Konversionsrate nicht mehr erreicht wird.
3 illustriert die Abhängigkeit der NOx-Konversionsrate, dargestellt als der SCR-Wirkungsgrad η_SCR, in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators. Weiterhin sind die Einflüsse des NH₃-Füllstands und der Raumgeschwindigkeit (SV) des Abgases im Katalysator dargestellt. Der Zusammenhang zwischen dem SCR-Wirkungsgrad und der Temperatur, dem NH₃-Füllstand und der Raumgeschwindigkeit ist anhand der Verläufe 31, 32 und 33 dargestellt, wobei der Pfeil 34 einen abnehmenden NH₃-Füllstand und der Pfeil 35 eine zunehmende Raumgeschwindigkeit des Abgases andeuten. Der SCR-Wirkungsgrad sinkt also bei abnehmendem NH₃-Füllstand und bei zunehmender Raumgeschwindigkeit des Abgases jeweils in Abhängigkeit von der Temperatur im SCR-Katalysator. Insbesondere bei einer Temperatur im SCR-Katalysator unterhalb von 200° Celsius ist der Umsatz von NOx sehr gering.
4 illustriert die Regelung der Dosierstrategie im Hinblick auf die Regelgröße des NH₃-Füllstandes bei einem Katalysatorsystem mit zwei hintereinander geschalteten SCR-Katalysatoren, wobei nur eine Dosierstelle für Reduktionsmittel stromaufwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung vorgesehen ist. Dem ersten Katalysator (SCR1) wird über die Dosierstelle Ammoniak (dmNH3) zugeführt. Daraufhin stellt sich ein bestimmter NH₃-Füllstand (mNH3_SCR1) im ersten Katalysator ein. Mit dem Abgas gelangt eine bestimmte Menge von NOx (dmNOx) in den ersten Katalysator (SCR1). Diese Menge verringert sich durch die im ersten Katalysator stattfindende Katalysereaktion, so dass der NOx-Massenstrom dmNOx_1→2 den ersten Katalysator verlässt. dmNOx_1→2 ist von dem Wirkungsgrad im ersten Katalysator gemäß der Formel
abhängig. Der Massenstrom dmNOx_1→2 gelangt in die zweite Katalysatoreinrichtung (SCR2) und wird hier gemäß dem Wirkungsgrad im zweiten Katalysator gemäß der Formel
umgesetzt und verlässt als Massenstrom dmNOx₂ den zweiten Katalysator.
Das SCR-Katalysatorsystem wird mit einer solchen Dosierstrategie betrieben, dass sich beim ersten Katalysator SCR1 ein Reduktionsmittelschlupf, also dmNH3_1→2 einstellt, so dass dieses Reduktionsmittel in den zweiten Katalysator SCR2 gelangt, um hier einen vorgebbaren NH₃-Füllstand mNH3_SCR2 einzustellen, der für einen optimalen Betrieb des zweiten Katalysators SCR2 erforderlich ist. Dabei stellen sich die NH₃-Füllstände mNH3_SCR1 und mNH3_SCR2 in der ersten Katalysatoreinrichtung und in der zweiten Katalysatoreinrichtung gemäß den folgenden Formeln ein, wobei_cnv für „converted“, also „umgesetzt“, steht: mNH3_SCR1 = ∫(dmNH3 – dmNH3_SCR1,cnv)dt mNH3_SCR2 = ∫(dmNH3_1→2 – dmNH3_SCR2,cnv)dt dmNH3_1→2 stellt sich damit gemäß dmNH3_1→2 = dmNH3 – dmNH3_SCR1,cnv ein. Die NOx-Emissionen, die den zweiten Katalysator verlassen (dmNOx₂) ergeben sich aus der folgenden Formel:
Wie weiter oben bereits erläutert, hängt der Wirkungsgrad des jeweiligen SCR-Katalysators η_SCR von der Temperatur T_SCR, dem Füllstand mNH3 und der Raumgeschwindigkeit SV ab: η_SCR = f (T_SCR, mNH3, SV).
Das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren nutzt solche Betriebsphasen, bei denen der Wirkungsgrad der zweiten Katalysatoreinrichtung η_SCR2 insbesondere aufgrund einer niedrigen Temperatur, also einer suboptimalen Betriebstemperatur des Katalysators, so gering ist, dass er zu vernachlässigen ist. In diesen Betriebsphasen hängt der Massenstrom der Stickoxide, die das SCR-Katalysatorsystem verlassen, also dmNOx₂, im Wesentlichen nur von der Stickoxid-Umsetzung im ersten Katalysator ab. Aus der Messung der Stickoxide stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators lassen sich damit Rückschlüsse auf die Funktion des ersten Katalysators bei derartigen Betriebsphasen ziehen. Besonders geeignet für eine solche Betriebsphase ist z.B. die Aufwärmphase des Abgasnachbehandlungssystems nach einem Kaltstart, wobei der erste Katalysator SCR1 aufgrund seiner motornahen Einbauposition schneller seine optimale Betriebstemperatur erreicht als der zweite Katalysator SCR2. In dieser Phase entsprechen die am NOx-Sensor gemessenen Emissionen in etwa den Werten, die hinter (stromabwärts) dem/des ersten Katalysator(s) SCR1 zu erwarten sind. Dieser Erwartungswert für die NOx-Emissionen hinter den jeweiligen SCR-Katalysatoren lassen sich beispielsweise aus den folgenden Formeln herleiten: NOx_hinterSCR1 = NOx_vorSCR1·(1 – eta_SCR1) NOx_hinterSCR2 = NOx_hinterSCR1·(1 – eta_SCR2) ≈ NOx_hinterSCR1 eta_SCR1 entspricht der im aktuellen Betriebspunkt erwarteten NOx-Konversionsrate von SCR1. Die NOx-Konversionsrate von SCR2 wird wegen der geringen Abgastemperatur mit eta_SCR2 ≈ 0 angenommen. Bei NOx_hinterSCR1 handelt es sich um einen Modellwert, der aus einer üblichen Regelstrategie für ein derartiges SCR-Katalysatorsystem hervorgeht. NOx_hinterSCR2 ist mithilfe des stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators angeordneten NOx-Sensors messbar. Bei einem neuwertigen oder nur gering gealterten ersten Katalysator SCR1 würde damit gelten: NOx_hinterSCR2 ≈ NOx_hinterSCR1
Der Messwert entspricht damit in etwa dem erwarteten Modellwert NOx_hinterSCR1. Somit kann davon ausgegangen werden, dass der erste SCR-Katalysator in Ordnung ist. Bei einem in der Funktion beeinträchtigten ersten Katalysator SCR1, der beispielsweise stark gealtert ist oder komplett ausfällt, würde gelten: NOx_hinterSCR2 >> NOx_hinterSCR1
Die tatsächlichen NOx-Emissionen bei einem gealterten und/oder beeinträchtigten ersten Katalysator SCR1 mit einem gegenüber dem Modellwert stark verringerten SCR-Wirkungsgrad sind also erheblich größer als von der Dosierstrategie angenommen wird. Damit lässt sich durch eine Messung der NOx-Emissionen stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators bei einer entsprechend geeigneten Betriebsphase feststellen, ob der erste SCR-Katalysator voll funktionsfähig oder in seiner Funktion mehr oder weniger stark beeinträchtigt ist. Bei einem Defekt im SCR-Abgasnachbehandlungssystem lässt sich damit der defekte SCR-Katalysator genau identifizieren.
Die Realisierung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens kann in einer Steuergerätesoftware durch eine einfache Anpassung erfolgen. Dazu wird die Berechnung einer NOx-Konversionsrate (Effizienzberechnung) im Hinblick auf das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren insbesondere nur in den Betriebspunkten durchgeführt bzw. erfindungsgemäß ausgewertet, in denen für den ersten SCR-Katalysator ein guter und für den zweiten SCR-Katalysator ein sehr schlechter NOx-Umsatz vorhergesagt wird. Als NOx-Massenstrom stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators wird der Modellwert NOx_hinterSCR1 als Eingangswert für die Effizienzberechnung verwendet. In diesem Fall wird bei einem voll funktionsfähigen ersten SCR-Katalysator ein Wirkungsgrad nahe Null für den zweiten SCR-Katalysator berechnet werden. Bei einem defekten oder eingeschränkten ersten SCR-Katalysator würde der berechnete Wirkungsgrad für den zweiten SCR-Katalysator deutlich negative Werte annehmen.
Der Ablauf einer erfindungsgemäßen Diagnosefunktion ist in 5 dargestellt. Nach dem Start des Verfahrens im Schritt 41 wird geprüft, ob die Temperatur im zweiten SCR-Katalysator unterhalb der optimalen Betriebstemperatur für den zweiten SCR-Katalysator liegt (Schritt 42). Ist dies nicht der Fall, wird zum Schritt 41 gesprungen. Ist die Abfrage in Schritt 42 positiv, wird im Schritt 43 geprüft, ob die Temperatur für den Betrieb des ersten Katalysators in etwa im optimalen Bereich liegt. Ist dies nicht der Fall, wird zum Schritt 41 zurückgesprungen. Ist die Abfrage in Schritt 43 positiv, wird im Schritt 44 eine Wirkungsgradberechnung gestartet. Im Schritt 45 wird überprüft, ob der berechnete Wirkungsgrad für den zweiten SCR-Katalysator nahe Null ist. Ist dies der Fall, erfolgt die Schlussfolgerung 46, dass der erste SCR-Katalysator in Ordnung ist. Ist der Wirkungsgrad für den zweiten Katalysator deutlich unter Null (Schritt 47), ist im Schritt 48 zu folgern, dass der erste SCR-Katalysator defekt ist oder zumindest in seiner Funktion eingeschränkt ist. Sofern im Schritt 47 keine klare Aussage über den Wirkungsgrad des zweiten Katalysators bzw. über die Funktion des ersten Katalysators getroffen werden kann, wird wieder zum Start 41 zurückgesprungen.

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer ersten SCR-Katalysatoreinrichtung (11) und wenigstens einer, in Abgasströmrichtung stromabwärts angeordneten zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung (12), wobei stromaufwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung (11) wenigstens eine Dosiereinrichtung (14) für Reaktionsmittel für die SCR-Katalysatoreinrichtungen (11, 12) vorgesehen ist und wobei stromabwärts der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung (12) wenigstens ein NOx-Sensor (15; 16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Betriebsphase, bei der in der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung (12) im Wesentlichen keine Umsetzung von NOx stattfindet, aus Messsignalen des NOx-Sensors (15; 16) auf die Funktion der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung (11) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messsignalen des NOx-Sensors (15; 16) eine NOx-Konversionsrate bestimmt wird, die mit einer erwarteten, insbesondere modellierten, NOx-Konversionsrate für die erste SCR-Katalysatoreinrichtung (11) verglichen wird und aus dem Vergleich auf eine gegebenenfalls vorhandene Beeinträchtigung der Funktion der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung (11) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsphase ein Temperaturbereich ist, in dem die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung (12) eine suboptimale Betriebstemperatur und die erste SCR-Katalysatoreinrichtung (11) eine im Wesentlichen optimale Betriebstemperatur aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsphase eine Aufwärmphase nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste SCR-Katalysatoreinrichtung (11) ein Partikelfilter mit SCR-Beschichtung und die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung (12) ein SCR-Katalysator ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung (12) ein Katalysator (13) zur Entfernung von Ammoniak nachgeschaltet ist und dass der NOx-Sensor (16) vorzugsweise stromabwärts des Katalysator (13) zur Entfernung von Ammoniak angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Fehlerverdacht im Abgasnachbehandlungssystem durchgeführt wird.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird.