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Dokumentenidentifikation DE4315278A1 10.11.1994
Titel Verfahren und Einrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels in ein stickoxidhaltiges Abgas
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Schmelz, Helmut, Dipl.-Phys. Dr., 8210 Prien, DE
DE-Anmeldedatum 07.05.1993
DE-Aktenzeichen 4315278
Offenlegungstag 10.11.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.11.1994
IPC-Hauptklasse G05D 11/00
IPC-Nebenklasse G05D 11/08   G05D 21/00   B01D 53/36   F01N 3/18   F01N 9/00   F02D 43/00   
Zusammenfassung Zur katalytischen Umsetzung von in einem Abgas eines Dieselmotors enthaltenen Stickoxiden mit einem sogenannten DeNOx-Katalysator bei gleichzeitiger Anwesenheit eines Reduktionsmittels, meist Ammoniak, nach dem SCR-Verfahren ist es derzeit nicht bekannt, für alle Betriebszustände höchstmögliche Abscheidegrade für Stickoxide bei gleichzeitig vernachlässigbarem Reduktionsmittelschlupf zu erreichen.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die in das Abgas (10) eingebrachte Reduktionsmittelrate $I1 in Abhängigkeit von betriebsrelevanten Parametern des Abgases (10), des Katalysators (8) und ggf. des Motors (4) eingestellt wird. Hierdurch wird erreicht, daß bei der Zudosierung des Reduktionsmittels (16) die im Abgas (10) enthaltene Stickoxidrate $I2 der Druck- und Temperaturverlauf der katalytischen Aktivität k des Katalysators (8), die Adsorptions- und Desorptionscharakteristik des Katalysators (8) für das Reduktionsmittel (26) sowie Alterungs- und Vergiftungseffekte am Katalysator (8) berücksichtigt werden und mittels einer Kontrolleinheit (38) auf die in das Abgas einzubringende Reduktionsmittelrate $I3 zurückwirken.
Die Erfindung kann prinzipiell bei allen Verbrennungsmotoren, die mit Luftüberschuß betrieben werden, zur Stickoxidminderung im Abgas eingesetzt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels in ein stickoxidhaltiges Abgas eines Verbrennungsmotors mit einem in einer Abgasleitung eingebauten Katalysator zu Stickoxidminderung.

Der Einsatz fossiler Energieträger in Verbrennungsmotoren bei der Traktion wirft aufgrund des Schadstoffgehalts im Abgas große Probleme in Gebieten mit hohen Fahrzeugdichten, also vor allem in den Industriestaaten, auf. Als Schadstoffe sind unter anderem Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Oxide des Schwefels und Ruß zu nennen, die mit zu den bekannten Umweltproblemen, wie z. B. saurer Regen und Smog, beitragen.

Im Zuge eines steigenden Umweltbewußtseins und strenger gesetzlicher Auflagen bezüglich des Schadstoffausstoßes sind eine Vielzahl von Katalysatoren und Rußfilter entwickelt worden, die zur Verringerung des Ausstoßes der obengenannten Schadstoffe beitragen. Zur Verminderung der Schadstoffe im Abgas von Ottomotoren sind beispielsweise edelmetallhaltige Katalysatoren bekannt, an denen Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid mit Stickoxiden und Restsauerstoff zu Kohlendioxid, Stickstoff und/oder Wasser umgewandelt werden. Zur Verringerung des Schadstoffausstoßes von Dieselmotoren sind sogenannte Partikelfilter bekannt, die die im Abgas enthaltenen Rußpartikel zurückhalten und deren Beseitigung durch Abbrand im Partikelfilter erlauben. Des weiteren arbeitet man derzeit vielerorts an der Entwicklung eines geregelten Dieselkatalysators, mit dem es möglich sein soll, den Stickoxidgehalt im Abgas von Dieselmotoren erheblich zu senken. Dies ist aufgrund des hohen Restgehalts an Luftsauerstoff im Abgas mit den bekannten edelmetallhaltigen Katalysatoren, wie sie in Fahrzeugen mit Ottomotoren bei stöchiometrischer Verbrennung eingesetzt werden, nicht möglich.

Statt dessen sollen in Fahrzeugen mit Diesel- und Magermix-Motoren, also Motoren mit einer überstöchiometrischen Verbrennung, sogenannte DeNOxKatalysatoren verwendet werden, an denen die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit einem geeigneten Reduktionsmittel, meist Ammoniak, nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zu umweltfreundlichem Stickstoff und Wasser umgesetzt werden. Hierbei wird das Reduktionsmittel oder eine Vorstufe des Reduktionsmittels in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator in das Abgas eingebracht und tritt dann in vorzugsweise homogener Vermischung mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden in den Katalysator ein.

Weil die Verbrennungsmotoren bei der Traktion mit variabler Last und Drehzahl betrieben werden, was bedeutet, daß die pro Zeiteinheit erzeugten Stickoxidmengen und die Abgasmassenströme und -temperaturen großen Schwankungen unterliegen, ist derzeit keine Lösung bekannt, die in das Abgas einzubringende Reduktionsmittelmenge in einer Weise einzustellen, daß unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors hohe Abscheideraten für die Stickoxide bei gleichzeitig verschwindendem Reduktionsmittelschlupf erreicht werden. Erschwerend kommt hinzu, daß Ammoniak giftig ist und bereits bei Konzentrationen von nur etwa 5 ppm eine erhebliche Geruchsbelästigung für den Menschen darstellt. Aus diesem Grund ist ein Schlupf von Ammoniak unbedingt zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels in ein stickoxidhaltiges Abgas anzugeben, die die obengenannten Anforderungen erfüllen.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in das Abgas pro Zeiteinheit eingebrachte Reduktionsmittelmenge, im folgenden als Reduktionsmittelrate ≙R bezeichnet, in Abhängigkeit von betriebsrelevanten Parametern des Abgases, des Katalysators und gegebenenfalls des Motors eingestellt wird.

Bezüglich der Einrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Kontrolleinheit, dieser Kontrolleinheit zugeordnete Mittel zur Erfassung der betriebsrelevanten Parameter und eine der Kontrolleinheit zugeordnete Reduktionsmittelzuführungs-Einheit, mit der das Reduktionsmittel in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator in die Abgasleitung einbringbar ist, umfaßt sind, und daß die Kontrolleinheit die in das Abgas eingebrachte Reduktionsmittelrate ≙R in Abhängigkeit von den betriebsrelevanten Parametern einstellt.

Hierdurch wird erreicht, daß die in das Abgas eingebrachte Reduktionsmittelrate MR für alle Betriebszustände des Verbrennungsmotors, die durch eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Aus- und Bewertung der betriebsrelevanten Parameter charakterisiert werden, ausreicht, die Stickoxide vollständig katalytisch umzusetzen. Gleichzeitig wird die Reduktionsmittelrate MR aber auch so exakt eingestellt, daß ein Schlupf des Reduktionsmittels vermieden wird. Besonders durch die Einbeziehung der betriebsrelevanten Parameter des Katalysators wird diese exakte Einstellung der Reduktionsmittelrate ≙R erreicht.

Zur Bestimmung der pro Zeiteinheit vom Motor angelieferten Stickoxidmenge, im folgenden als Stickoxidrate MNOx bezeichnet, ist es vorteilhaft, wenn als betriebsrelevante Parameter des Motors einer oder mehrere der Parameter Luftmassenstrom, Regelstangenweg (Gaspedalstellung), Ladedruck und die Motordrehzahl verwendet werden. Die Erfassung dieser Parameter ist bei modernen elektronischen Dieselsteuerungen ohnehin meist üblich, so daß hierfür in den meisten Fällen kein zusätzlicher Aufwand entsteht. Hierdurch ist es möglich, die Stickoxidrate ≙NOx durch einen Vergleich der betriebsrelevanten Parameter aus den bekannten Kennfelddaten des Motors zu bestimmen. Diese Kennfelddaten sind vorzugsweise in der Kontrolleinheit abgelegt. Diese Vorgehensweise wird insbesondere dann genutzt, wenn kein Sensor als Mittel zur Messung der Stickoxidkonzentration in der Abgasleitung eingebaut ist.

Bei Vorhandensein eines Sensors zur Messung der Stickoxidkonzentration ist es vorteilhaft, wenn als betriebsrelevante Parameter des Abgases dessen Temperatur, Druck, Massenstrom und Stickoxidkonzentration verwendet werden. Dabei kann aus dem Massenstrom und der Stickoxidkonzentration des Abgases die am Katalysator ankommende Stickoxidrate ≙NOx bestimmt werden. Bei gleichzeitiger Kenntnis der Temperatur des Abgases kann, wie noch gezeigt wird, dann entsprechend dem Temperaturverlauf der katalytischen Aktivität des Katalysators eine geeignete Reduktionsmittelrate ≙R bestimmt und in das Abgas dosiert werden.

Unter Bezugnahme auf den vorhergehenden Absatz ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn als betriebsrelevante Parameter des Katalysators dessen Temperatur T, dessen katalytische Aktivität k und deren Druck- und Temperaturverlauf, dessen druck- und temperaturabhängige spezifische Speicherkapazität CR für das Reduktionsmittel und dessen physikalische Größen, z. B. Geometrie, Wärmeübergang, Gewicht der katalytisch aktiven Masse, verwendet werden. Diese Parameter können dabei in vorteilhafter Weise in die Kontrolleinheit implementierbar sein. Mittels dieser Parameter ist es der Kontrolleinheit bei entsprechender Ausbildung einerseits möglich, eine genaue Angabe über den momentanen Betriebszustand des Katalysators zu machen. Andererseits ist es hierdurch möglich, beispielsweise bei positiven Lastsprüngen des Motors, was im besonderen zu einem drastischen Anstieg der Abgastemperatur führt, eine genaue Aussage über die vom Katalysator pro Zeiteinheit desorbierende Reduktionsmittelmenge, im folgenden als Reduktionsmittel rate ≙D bezeichnet, zu machen. Ferner kann bei negativen Lastsprüngen, die eine Senkung der Abgastemperatur zur Folge haben, das dadurch zusätzlich verfügbare Speichervermögen des Katalysators für das Reduktionsmittel ermittelt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann primär entsprechend der im Abgas enthaltenen Stickoxidrate ≙NOx ein Zwischenwert für die in das Abgas einzubringende Reduktionsmittelrate ≙R bestimmt werden, der gegebenenfalls um eine vom Katalysator desorbierte Reduktionsmittelrate ≙D verringert oder um eine vom Katalysator adsorbierte Reduktionsmittelrate ≙A erhöht wird. Hierdurch wird die zur katalytischen Umsetzung der Stickoxide erforderliche Reduktionsmittelrate ≙R nicht ausschließlich entsprechend der im Abgas enthaltenen Stickoxidrate ≙NOx zudosiert, sondern wird im besonderen bei positiven Lastsprüngen des Verbrennungsmotors durch die vom Katalysator desorbierten Reduktionsmittelraten ≙D teilweise ersetzt. Dies vermeidet eine Überdosierung des Reduktionsmittels, wodurch ein Reduktionsmittelschlupf gerade bei positiven Lastsprüngen des Verbrennungsmotors vollständig vermieden wird. Dem gegenüber kann der Zwischenwert um die adsorbierte Reduktionsmittelrate ≙A erhöht werden, wodurch immer ausreichend viel Reduktionsmittel zur Umsetzung der Stickoxide vorhanden und des weiteren der Katalysator auf einem definierten Beladungszustand mit dem Reduktionsmittel gehalten ist.

Eine exakte Bestimmung der desorbierten und der adsorbierten Reduktionsmittelrate ≙D bzw. ≙A ist zur Vermeidung eines Reduktionsmittelschlupfes und zur gleichzeitigen Bereitstellung von zur vollständigen Umsetzung der Stickoxide ausreichenden Reduktionsmittelraten ≙R unbedingt erforderlich. Um dieses auszuführen, kann es vorgesehen sein, bei der Bestimmung von ≙D und ≙A zu berücksichtigen, daß die spezifische Speicherkapazität CR des Katalysators für das Reduktionsmittel mit steigender Abgastemperatur absinkt und mit steigendem Abgasdruck zunimmt.

Unter vorteilhafter Berücksichtigung der Tatsache, daß die katalytische Aktivität k für eine bestimmte Temperatur T(kmax) ein Maximum erreicht und beiderseits dieser Temperatur abfällt, ist es zweckmäßig, wenn der Zwischenwert mit sinkender Abgastemperatur abgesenkt und mit steigender Abgastemperatur angehoben wird, wenn die Abgastemperatur am Katalysator niedriger als die Temperatur T(kmax) ist, bei der der Katalysator maximale katalytische Aktivität kmax aufweist. Dies bedeutet entsprechend, daß der Zwischenwert mit steigender Abgastemperatur abgesenkt und mit sinkender Abgastemperatur angehoben wird, wenn die Abgastemperatur am Katalysator höher als die Temperatur T(kmax) ist.

Unter Berücksichtigung der weiteren Tatsache, daß die katalytische Aktivität k mit steigendem Abgasdruck (Absolutdruck) am Katalysator zunimmt, ist es zweckmäßig, den Zwischenwert mit steigendem Druckverlust am Katalysator (entspricht steigendem Absolutdruck) anzuheben und/oder mit fallendem Druckverlust abzusenken.

Weil bei hoher Last und hoher Drehzahl des Verbrennungsmotors hohe Abgasraumgeschwindigkeiten auftreten können, ist es vorteilhaft, wenn der Zwischenwert bei Überschreiten einer maximalen Raumgeschwindigkeit, für die der Katalysator ausgelegt ist, verringert wird. Durch diese Korrektur ist gewährleistet, daß das in das Abgas eindosierte Reduktionsmittel im Katalysator gespeichert und/oder bei der katalytischen Abreaktion mit den Stickoxiden verbraucht wird und nicht aufgrund zu hoher Abgasraumgeschwindigkeiten aus dem Katalysator ausgetragen wird. Dabei kann sich ein Korrekturfaktor bei Überschreiten der maximalen Raumgeschwindigkeit aus dem Verhältnis von der maximalen Raumgeschwindigkeit zur momentanen Raumgeschwindigkeit ergeben.

Um bei der Dosierung des Reduktionsmittels auch Alterungs- und Vergiftungseffekte des Katalysators zu berücksichtigen, ist es zweckmäßig, wenn der Zwischenwert mit zunehmender Betriebsdauer tB verringert wird. Hierdurch wird vermieden, daß ein Reduktionsmittelschlupf bei alterungsbedingt nachlassender katalytischer Aktivität des Katalysators und/oder nachlassendem Speichervermögen des Katalysators für das Reduktionsmittel auftritt, wie er aber ansonsten bei unveränderter primär entsprechend der im Abgas enthaltenen Stickoxidrate ≙NOx zudosierter Reduktionsmittelrate ≙R auftreten würde.

Um bei der obenstehend genannten Berücksichtigung der Alterungs- und Vergiftungseffekte des Katalysators noch besser temperaturbedingte Alterungseffekte am Katalysator zu berücksichtigen, ist es vorteilhaft, wenn der Zwischenwert entsprechend der mit der Betriebsdauer tB gewerteten Abgastemperaturen am Katalysator verringert wird. Auf diese Weise wird bei der Bestimmung der Reduktionsmittelrate ≙R berücksichtigt, welchen absoluten Temperaturen und Temperaturgradienten der Katalysator während des Betriebs ausgesetzt war.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, den Katalysator vor Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors vom Reduktionsmittel und von Kohlenwasserstoffen zu befreien. Hierdurch ist der gesamte Katalysator beim Start des Verbrennungsmotors "leer". Die Kontrolleinheit kann daher bei der Einstellung der Reduktionsmittelrate ≙R von einem genau definierten Anfangszustand bezüglich der Beladung des Katalysators mit dem Reduktionsmittel ausgehen, was zur Verbesserung der Reduktionsmitteldosierung beiträgt.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Reduktionsmittelzuführungs-Einheit ein mittels der Kontrolleinheit einstellbares Eindüsventil für eine wäßrige Harnstofflösung. Dies ist eine technisch einfache Lösung zur Zuführung des Reduktionsmittels. Eine wäßrige Harnstofflösung läßt sich einfach und gefahrlos im Fahrzeug mitführen und hydrolysiert einfach in einem sogenannten Hydrolysekatalysator zu Ammoniak, Kohlendioxid und Wasser. Der Katalysator umfaßt dann vorzugsweise in Strömungsrichtung des Abgases der Reihe nach einen Hydrolysekatalysator, einen DeNOx-Katalysator und gegebenenfalls einen Oxidationskatalysator, der als Ammoniak-Schlupfkiller und zur katalytischen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid verwendet wird.

Eine Einrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein. Eine dieser vorteilhaften Ausgestaltungen sieht vor, daß die Kontrolleinheit einen Speicher für alle möglichen für die Bestimmung der Reduktionsmittelrate ≙R relevanten Betriebszustände des Abgases, des Katalysators und gegebenenfalls des Motors umfaßt, und die Mittel zur Erfassung der betriebsrelevanten Parameter mit ihren Signalen einen entsprechenden Speicherwert für die Reduktionsmittelrate ≙R abrufen, wobei der Speicherwert an einem Ausgang der Kontrolleinheit zur Steuerung der Reduktionsmittelzuführungseinheit anliegt.

Eine alternative, ebenso vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß die Kontrolleinheit eine Mikroprozessor-Untereinheit umfaßt, die mittels eines Programms die Reduktionsmittelrate ≙R aus den mittels der Mittel erfaßten betriebsrelevanten Parameter des Abgases, des Katalysators und gegebenenfalls des Motors bestimmt. Auf diese Weise ist es möglich, die eigentliche Berechnung der Reduktionsmittelrate ≙R gemäß des zugrundeliegenden Expertenwissens software-mäßig durchzuführen, so daß die Bestimmung der Reduktionsmittelrate ≙R entgegen der vorangegangenen Ausgestaltung mit Kennfeldvergleich einfach und gegebenenfalls sogar durch Fuzzy-Logik durchgeführt werden kann. Besonders mittels Fuzzy-Logik können die vielfältigen betriebsrelevanten Parameter relativ zueinander und ihre absoluten Werte ihrem Wert für die Dosierung des Reduktionsmittels entsprechend gewichtet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von vier Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Abgasleitung eines 300 kW-ladeluftgekühlten Dieselmotors mit einer erfindungsgemäßen Dosierung eines Reduktionsmittels in ein stickoxidhaltiges Abgas;

Fig. 2 einen qualitativen Verlauf der katalytischen Aktivität eines DeNOx- Katalysators in Abhängigkeit von der Temperatur;

Fig. 3 einen qualitativen Verlauf der spezifischen Speicherkapazität CR eines DeNOx-Katalysators für ein Reduktionsmittel in Abhängigkeit von der Temperatur; und

Fig. 4 einen qualitativen Verlauf der katalytischen Aktivität k eines DeNOx- Katalysators in Abhängigkeit von der Gesamtbetriebszeit tB.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Abgasleitung 2 eines 300 kW-ladeluftgekühlten Dieselmotors 4 mit einer an den Dieselmotor 4 angeschlossenen Meßstelle 5. In der Abgasleitung 2 sind der Reihe nach eine Meßstelle 6, ein Katalysator 8 und eine weitere Meßstelle 20 eingebaut. In Strömungsrichtung eines Abgases 10 umfaßt der Katalysator 8 der Reihe nach eine Einlaufkammer 12, einen Hydrolysekatalysator 14, einen DeNOxKatalysator 16 und einen Oxidationskatalysator 18. Neben der Abgasleitung 2 sind an die Einlaufkammer 12 des Katalysators 8 eine Blaubrenner-Abgasleitung 22 und ein einstellbares Eindüsventil 24 für ein Reduktionsmittel 26 angeschlossen. Über die Blaubrenner-Abgasleitung 22 wird bedarfsweise heißes Abgas 36 eines Blaubrenners 28 in die Einlaufkammer 12 eingeleitet. Das Reduktionsmittel 26, im Ausführungsbeispiel eine wäßrige Harnstofflösung, wird in einem Reduktionsmitteltank 30 bevorratet und über eine Reduktionsmittelzuführungsleitung 32 dem Eindüsventil 24 zugeführt. Mittels des Eindüsventils 24 wird das Reduktionsmittel 26 innerhalb einer von Lochblechen 34 gegen die Wandungen der Einlaufkammer 12 begrenzten Zone in die Einlaufkammer 12 eingedüst. Das Abgas 10 und gegebenenfalls das Blaubrennerabgas 36 treten außerhalb dieser Zone in die Einlaufkammer 12 ein, durchdringen die Löcher in den Lochplatten 34 und reißen dabei das in die Einlaufkammer 12 eingedüste Reduktionsmittel 26 mit sich. Hierdurch wird verhindert, daß sich das Reduktionsmittel 26 auf den Wänden der Einlaufkammer 12 nachteiligerweise absetzt.

Zur Einstellung der in das Abgas einzudosierenden Reduktionsmittelrate ≙R ist eine Kontrolleinheit 38 mit einer Mikroprozessor-Untereinheit 40 vorgesehen. Über Eingänge E&sub1; bis E&sub4; erfaßt die Kontrolleinheit 38 betriebsrelevante Parameter, deren Kenntnis zu einer geeigneten erfindungsgemäßen Einstellung der Reduktionsmittelrate ≙R erforderlich sind. Mittels der Meßstelle 5, die eine Reihe von Sensoren umfaßt, werden der Luftmassenstrom, der Regelstangenweg (Gaspedalstellung), der Ladedruck und die Drehzahl des Motors 4 erfaßt. Diese Daten liegen am Eingang E&sub1; an. Am Eingang E&sub2; liegen die mittels der Meßstelle 6 gemessenen betriebsrelevanten Parameter des Abgases 10, hier dessen Temperatur, Druck und Massenstrom an. Im Ausführungsbeispiel werden Massenstrom und Druck aus den am Eingang E&sub1; vorliegenden Parametern des Motors 4 berechnet. Es wäre auch möglich, den Druck und auch den Massenstrom über separate Sensoren zu messen. Am Eingang E&sub3; liegt die mittels der weiteren Meßstelle 20 hinter dem Katalysator 8 gemessene Temperatur des Abgases 10 vor. Am Eingang E&sub4; liegen die betriebsrelevanten Parameter des Katalysators 8 vor, und zwar dessen katalytische Aktivität und deren Druck- und Temperaturverlauf, druck- und temperaturabhängige spezifische Speicherkapazität CR für das Reduktionsmittel 26 und physikalische Größen, wie z. B. Gewicht der katalytisch aktiven Masse, Geometrie und Wärmeübergang. Diese Parameter können beispielsweise auf einer Beipack- Diskette 44 zum Katalysator 8 abgelegt sein, und mittels eines Diskettenlaufwerks 42, das in der Kontrolleinheit 38 eingebaut, in die Mikroprozessor-Untereinheit 40 geladen werden (implementiert werden).

Über einen Ausgang A&sub1; wird das Eindüsventil 24 für das Reduktionsmittel 26 eingestellt. Die Einstellung der mittels des Eindüsventils 24 in das Abgas 10 eindosierten Reduktionsmittelrate ≙R erfolgt dabei in Abhängigkeit von den betriebsrelevanten Parametern des Motors 4, des Abgases 10 und des Katalysator 8, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Über einen Ausgang A&sub2; kann der Blaubrenner 28 bedarfsweise ein- und ausgeschaltet werden.

Beim Betrieb des Dieselmotors 4 wird mittels der Kontrolleinheit 38 durch Erfassung der mittels der Meßstelle 5 gemessenen Parameter am Eingang E&sub1; der Stickoxidgehalt im Abgas 10 bestimmt. Dies erfolgt im besonderen in der Mikroprozessor-Untereinheit 40, die durch Kennfeldvergleich der Parameter Luftmassenstrom, Regelstangenweg, Ladedruck und Motordrehzahl die Stickoxidrate ≙NOx hard- oder softwaremäßig bestimmt. Mittels der Messung der Temperatur des Abgases 10 an den Meßstellen 6, 20 wird mittels der Kontrolleinheit 38 die Temperatur des Katalysators 8 bestimmt, und zwar beispielsweise rechnerisch durch Mittelwertbildung oder durch Integration der Differentialgleichung für den Wärmeübergang des Katalysators 8. Durch Vergleich mit dem Druck- und Temperaturverlauf der katalytischen Aktivität k des Katalysators 8, der beispielsweise für die Temperatur gemäß Fig. 2 gegeben sein kann, wird die katalytische Aktivität bestimmt. Für die Temperatur T(kmax) und den Druck p(kmax), bei der der Katalysator 8 seine maximale katalytische Aktivität kmax aufweist, bedeutet dies, daß in der Kontrolleinheit 38 zunächst ein Zwischenwert der Reduktionsmittelrate ≙R gebildet wird, der bezogen auf die primär im Abgas 10 enthaltenen Stickoxidrate ≙NOx nur geringfügig unterstöchiometrisch ist. Für Temperaturen unterhalb oder oberhalb dieser Temperatur T(kmax) wird dieser Zwischenwert entsprechend dem Abfall der katalytischen Aktivität k (vgl. Fig. 2) verringert. Diese Anpassung des Zwischenwertes wird dabei mit der Anpassung an den Druckverlauf der katalytischen Aktivität überlagert. Der Druckverlauf ist dabei mit zunehmendem Absolutdruck am Katalysator ansteigend.

Unter Berücksichtigung des quantitativen Zusammenhangs zwischen der druck- und temperaturabhängigen spezifischen Speicherkapazität CR für das Reduktionsmittel 26 des Katalysators 8, wie deren möglicher Temperaturverlauf beispielsweise qualitativ in Fig. 3 dargestellt ist, kann mittels der Kontrolleinheit 38 die infolge von positiven zeitlichen Temperaturänderungen vom Katalysator 8 desorbierende Reduktionsmittelrate ≙D bestimmt werden. Um diese wird der zuvor gebildete Zwischenwert verringert, was dann der tatsächlich netto in den Katalysator 8 eingebrachten Reduktionsmittelrate ≙R entspricht. Dies bedeutet im besonderen, daß bei positiven Lastsprüngen des Dieselmotors 4, bei dem die Abgastemperatur, der Stickoxidgehalt und der Massenstrom des Abgases zum Teil drastisch ansteigen, die im Katalysator 8 zur Umsetzung der Stickoxide benötigte Reduktionsmittelmenge zunächst zumindest teilweise von der vom Katalysator 8 desorbierten Reduktionsmittelrate ≙D aufgebracht wird, wodurch zunächst entsprechend weniger Reduktionsmittel 26 mittels des Eindüsventils 24 in die Einlaufkammer 12 eingedüst wird. Analog wird bei negativen Lastsprüngen entsprechend der bevorstehenden Temperaturabsenkung und der verstärkten Adsorption von Reduktionsmittel 26 mehr Reduktionsmittel 26 zugeführt, als der ankommenden Stickoxidrate ≙NOx entspricht, um den Katalysator 8 jederzeit auf einem bevorzugten Füllstand, der im allgemeinen vom maximalen Füllstand abweicht, zu halten.

Während jedoch mit einer Anhebung der Dosierung des Reduktionsmittels 26 im Falle eines negativen Lastsprungs auf eine tatsächlich erfolgte Temperaturabsenkung am Katalysator 8 gewartet wird, erfolgt eine Zurücknahme der Dosierung des Reduktionsmittels 26 im Falle eines positiven Lastsprungs bereits bei einer Vergrößerung des Regelstangenwegs (Gaspedal weiter durchgetreten), ohne eine Zunahme der Temperatur T am Katalysator 8 abzuwarten. Die zu erwartende Temperaturerhöhung wird anhand der betriebsrelevanten Daten mittels der Kontrolleinheit 38 vorausberechnet. Einer Überladung des Katalysators 8 mit dem Reduktionsmittel 26 wird dadurch in diesen Fällen wirksam vorgebeugt.

Das mittels des Eindüsventils 24 in die Einlaufkammer eingebrachte Reduktionsmittel 26 wird dabei mittels des Abgases 10 in den Hydrolysekatalysator 14 geführt. Dort hydrolysiert die im Ausführungsbeispiel verwendete wäßrige Harnstofflösung zu Ammoniak, Kohlendioxid und Wasser. Die Hydrolyse wird durch im Hydrolyse- Katalysator 14 enthaltene Edelmetall-Bestandteile und die dort herrschende erhöhte Temperatur verursacht. Die Stickoxide werden zusammen mit dem Ammoniak durch die Kontaktierung am katalytisch aktiven Material des DeNOxKatalysators 16 zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Auch die Kohlenwasserstoffe werden hier bei Temperaturen über 300°C bereits zu einem großen Teil katalytisch umgesetzt. An dem dem DeNOxKatalysator 16 folgenden Oxidationskatalysator 18 wird eine katalytische Umsetzung der noch im Abgas 10 enthaltenen Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid sowie eine katalytische Nachverbrennung eines eventuell auftretenden geringen Ammoniakschlupfes erreicht.

Um Alterungs- und Vergiftungseffekte am Katalysator 8, im besonderen am DeNOxKatalysator 16, zu berücksichtigen, wird im Ausführungsbeispiel ein in Figur 4 dargestellter qualitativer Verlauf der katalytischen Aktivität k in Abhängigkeit von der Gesamtbetriebszeit tB beispielsweise über die betriebsrelevanten Parameter des Katalysators 8 in der Kontrolleinheit 38 implementiert und berücksichtigt. Dies führt dazu, daß die primär entsprechend der im Abgas enthaltenen Stickoxidrate ≙NOx in das Abgas zudosierte Reduktionsmittelrate ≙R, d. h. zunächst der Zwischenwert, mit zunehmender Gesamtbetriebszeit tB verringert wird. Dies kann soweit ausgestaltet werden, daß dem Betreiber des Dieselmotors 4 bei Erreichen einer Gesamtbetriebszeit tmax (vgl. Fig. 4), bei der der Katalysator beispielsweise nur noch die halbe Anfangsaktivität k&sub0; hat, von der Kontrolleinheit 38 eine Aufforderung zum Austausch des Katalysators 8 bekommt. Um dabei die während der Betriebszeit herrschende thermische Belastung des Katalysators 8 bezüglich der Alterung noch stärker zu berücksichtigen, kann zusätzlich oder alternativ der Zwischenwert entsprechend der mit der Betriebsdauer tB gewerteten Abgastemperaturen am Katalysator 8 verringert werden. Hierzu kann die Mikroprozessor-Untereinheit 40 beispielsweise das Integral über den zeitlichen Verlauf der Temperatur am Katalysator 8 berechnen.

Im Falle der Verfügbarkeit eines Ammoniak-Sensors an der Meßstelle 20 (oder eventuell ergänzt durch nicht dargestellte Meßstellen zwischen Katalysatorabschnitten) kann eine Kontrolle und gegebenenfalls eine Korrektur der Katalysatorparameter vorgenommen werden. Bei Unterschreitung eines festgelegten Grenzwertes kann ebenso eine Aufforderung zum Austausch des Katalysators 8 gemeldet werden.

Eine weitere Korrektur des zunächst gebildeten Zwischenwertes erfolgt im Ausführungsbespiel durch eine Berücksichtigung der Raumgeschwindigkeit des Abgases 10 im Katalysator 8. Dabei ist der Katalysator 8 auf eine maximale Raumgeschwindigkeit, die anhand seiner Geometrie abgeleitet wird, ausgelegt. Bei Überschreiten dieser maximalen Abgasraumgeschwindigkeit im Katalysator 8 wird dann der Zwischenwert verringert, wodurch vermieden wird, daß das Reduktionsmittel 26 mit dem Abgas 10 regelrecht durch den Katalysator 8 "hindurchgeblasen" wird und folglich als unerwünschter Ammoniakschlupf resultiert. Diese Verringerung kann beispielsweise gemäß dem Verhältnis von maximaler Raumgeschwindigkeit zu der momentan herrschenden Abgasraumgeschwindigkeit vorgenommen werden.

Im Rückblick auf das vorstehend Erläuterte wird resümiert, daß durch die Berücksichtigung des Druck- und Temperaturverlaufs der katalytischen Aktivität, der druck- und temperaturabhängigen spezifischen Speicherkapazität, der Abgasraumgeschwindigkeit und von Alterungs- und Vergiftungseffekten und gleichzeitiger Kenntnis betriebsrelevanter Parameter, wie z. B. Luftmassenstrom, Regelstangenweg, Ladedruck, Drehzahl, Abgastemperatur, Abgasmassenstrom, eine erfindungsgemäße Einstellung der in das Abgas eindosierten Reduktionsmittelrate ≙R erreicht wird, die für jeden Betriebszustand des Verbrennungsmotors 4 höchstmögliche Abscheideraten für die Stickoxide bei vernachlässigbarem Ammoniakschlupf bewirkt.

Zur weiteren Verbesserung dieser Einstellstrategie kann berücksichtigt werden, daß die primär entsprechend der im Abgas enthaltenen Stickoxidrate ≙NOx in das Abgas 10 zudosierte Reduktionsmittelrate ≙R, d. h. wieder der Zwischenwert, der Sicherheit halber zu Null gesetzt wird, wenn die Temperatur des Abgases eine Temperatur Tmin entsprechend Fig. 2 unterschreitet oder eine Temperatur Tmax entsprechend Fig. 2 überschreitet. Dabei hängt es von dem Druck- und Temperaturverlauf der katalytischen Aktivität k des jeweils verwendeten Katalysators 8 ab, bei welcher Temperatur Tmin und bei welcher Temperatur Tmax liegen. Für den im Ausführungsbeispiel gewählten DeNOxKatalysator 16, dessen katalytisch aktive Substanz Titanoxid TiO&sub2; und einen oder mehrere der Zusätze Wolframoxid WO&sub3;, Molybdänoxid MO&sub3; und Vanadiumoxid V&sub2;O&sub5; umfaßt, liegt die Temperatur Tmin bei etwa 240°C und die Temperatur Tmax bei etwa 550°C. Innerhalb dieses Temperaturfensters werden ein Ammoniakschlupf sowie unerwünschte Reaktionen des Ammoniaks mit im Abgas enthaltenen Schwefeloxiden sowie die Bildung unerwünschter Stickstoffverbindungen, wie z. B. Lachgas N&sub2;O, besonders gut vermieden.

Dies hat zwar zur Konsequenz, daß bei Temperaturen unterhalb Tmin und Temperaturen oberhalb Tmax des Abgases 10 keine oder nur eine sehr geringe Umsetzung der im Abgas 10 enthaltenen Stickoxide nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion erfolgt. Im Fall der Temperaturunterschreitung von Tmin wiegt dieser Mangel nicht so schwer, da bei Lastzuständen des Dieselmotors 4, bei denen die Abgastemperatur unterhalb Tmin liegt, nur sehr geringe Stickoxidmengen erzeugt werden. Zur Vernichtung zumindest eines Teils der in einem solchen Abgas enthaltenen Stickoxide kann das Abgas 10 zumindest teilweise nach Durchlaufen einer Ladeturbine eines hier nicht weiter dargestellten Turboladers in die Ansaugluft des Dieselmotors 4 rezirkuliert werden.

Im Fall einer Temperatur T des Abgases 10 oberhalb der Temperatur Tmax können Mittel zur Kühlung des Abgases zugeschaltet werden, die bewirken, daß die Temperatur des Abgases 10 wieder unter die Temperatur Tmax sinkt. Dies kann beispielsweise durch Einleiten des Abgases 10 in eine hier nicht dargestellte Kühlstrecke, z. B. ein Luft/Luft-Wärmetauscher, oder durch Einschalten einer Fahrtwindkühlung für einen Abschnitt der Abgasleitung 2 und/oder eine Eindüsung von Wasser in das Abgas 10 bewirkt werden.

Um bei der Desorptionsrate ≙D von einem definierten Anfangswert ausgehen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Katalysator 8 vor der Inbetriebnahme des Dieselmotors 4 frei von Reduktionsmitteln 26 und Kohlenwasserstoffen ist. Dies erhöht gleichzeitig den Sicherheitsspielraum, der bei der Zudosierung des Reduktionsmittels 26 zur Vermeidung eines Reduktionsmittelschlupfes ausgenutzt werden kann. Diese "Enfleerung" des Katalysators 8 kann beispielsweise durch einen sich an den Nutzungsbetrieb anschließenden kurzzeitigen Leerlaufbetrieb bei eingeschaltetem Blaubrenner 28 und/oder durch Einschalten des Blaubrenners 28 vor Inbetriebnahme des Dieselmotors 4 durchgeführt werden.

Wenn die Meßstelle 6 mit einem Sensor zur Messung der Stickoxidkonzentration und des Volumenstromes des Abgases 10 ausgerüstet ist, ergibt sich ein gegenüber Fig. 1 einfacherer Aufbau. Weil die am Katalysator 8 ankommende Stickoxidrate ≙NOx nun direkt aus dem Volumenstrom und der Stickoxidkonzentration des Abgases 10 bestimmt wird, ist nun nur noch die Erfassung des Luftmassenstroms des Dieselmotors 4 über den Eingang E&sub1; erforderlich. Das bezüglich Fig. 1 erläuterte Verfahren sowie die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Dosierung des Reduktionsmittels 26 in das stickoxidhaltige Abgas 10 des Dieselmotors 4 bleiben jedoch ansonsten unverändert.

Fast trivial wird die Einstellung der Reduktionsmittelrate ≙R, wenn die Meßstellen 6 und 20 Sensoren zur Messung der Stickoxid- bzw. zur Stickoxid- und Reduktionsmittelkonzentration umfassen. Die Reduktionsmittelrate ≙R kann dann anhand der Stickoxidkonzentration im Abgas 10 eingestellt und mittels der mit der Meßstelle 20 hinter dem Katalysator 8 gemessenen Stickoxid- und Reduktionsmittelkonzentration im Abgas 10 mittels der Kontrolleinheit 38 beispielsweise im Millisekunden-Bereich nachgeregelt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels (26) in ein stickoxidhaltiges Abgas (10) eines Verbrennungsmotors (4) mit einem in einer Abgasleitung (2) eingebauten Katalysator (8, 16) zur Stickoxidminderung, bei dem die in das Abgas (10) eingebrachte Reduktionsmittelrate ≙R in Abhängigkeit von betriebsrelevanten Parametern des Abgases (10), des Katalysators (8) und ggf. des Motors (4) eingestellt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als betriebsrelevante Parameter des Motors (4) einer oder mehrere der Parameter Luftmassenstrom, Regelstangenweg, (entspricht Gaspedalstellung), Ladedruck und Motordrehzahl verwendet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als betriebsrelevante Parameter des Abgases (10) dessen Temperatur, Druck, Massenstrom und Stickoxidkonzentration verwendet werden.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als betriebsrelevante Parameter des Katalysators (8) dessen Temperatur T, dessen katalytische Aktivität k und deren Druck- und Temperaturverlauf, dessen druck- und temperaturabhängige, spezifische Speicherkapazität CR für das Reduktionsmittel (26) und dessen physikalische Größen, wie z. B. Gewicht der katalytisch aktiven Masse, Geometrie, Wärmeübergang, verwendet werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß primär entsprechend der im Abgas (10) enthaltenen Stickoxidrate ≙NOx ein Zwischenwert für die in das Abgas (10) einzubringende Reduktionsmittelrate ≙R bestimmt wird, der gegebenenfalls um eine vom Katalysator (8) desorbierte Reduktionsmittelrate ≙D verringert wird oder um eine vom Katalysator (8) adsorbierte Reduktionsmittelrate ≙A erhöht wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Bestimmung der desorbierten Reduktionsmittelrate ≙D und der adsorbierten Reduktionsmittelrate ≙A berücksichtigt wird, daß die spezifische Speicherkapazität CR für das Reduktionsmittel mit steigender Abgastemperatur absinkt und mit steigendem Abgasdruck zunimmt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung bereits bei einer zeitlichen Änderung des Regelstangenweges, die einen positiven Lastsprung bewirkt, entsprechend einer Vorausberechnung der Temperatur T am Katalysator (8) durchgeführt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung erst bei einer tatsächlich am Katalysator (8) erfolgten Temperaturabsenkung durchgeführt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwert mit sinkender Abgastemperatur abgesenkt und mit steigender Abgastemperatur angehoben wird, wenn die Abgastemperatur am Katalysator (8) niedriger als eine Temperatur T(kmax) ist, bei der der Katalysator (8) maximale katalytische Aktivität kmax aufweist.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwert mit steigender Abgastemperatur abgesenkt und mit sinkender Abgastemperatur angehoben wird, wenn die Abgastemperatur am Katalysator (8) höher als die Temperatur T(kmax) ist, bei der der Katalysator (8) maximale katalytische Aktivität kmax aufweist.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwert bei Überschreiten einer maximalen Raumgeschwindigkeit für die der Katalysator (8) ausgelegt ist, verringert wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwert enthaltenen mit zunehmender Betriebsdauer tB verringert wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwert entsprechend der mit der Betriebsdauer tB gewerteten Abgastemperaturen am Katalysator (8) verringert wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (8) vor Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors (4) vom Reduktionsmittel (26) und von Kohlenwasserstoffen durch Blaubrennen befreit wird.
  15. 15. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontrolleinheit (38), dieser Kontrolleinheit (38) zugeordnete Mittel (5, 6, 20, 42, 44) zur Erfassung der betriebsrelevanten Parameter und eine der Kontrolleinheit (38) zugeordnete Reduktionsmittelzuführungs-Einheit (24, 30, 32), mit der das Reduktionsmittel (26) in Strömungsrichtung des Abgases vor (10) dem Katalysator (8) in die Abgasleitung (2) einbringbar ist, umfaßt sind, und daß die Kontrolleinheit (38) die in das Abgas (10) eingebrachte Reduktionsmittelrate ≙R in Abhängigkeit von den betriebsrelevanten Parametern einstellt.
  16. 16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (8) in Strömungsrichtung des Abgases (10) der Reihe nach einen Ammoniakgenerator (14), einen DeNOxKatalysator (16) und gegebenenfalls einen Oxidationskatalysator (18) umfaßt.
  17. 17. Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmittelzuführungs-Einheit (24, 30, 32) ein mittels der Kontrolleinheit (38) einstellbares Eindüsventil (24) für eine wäßrige Harnstofflösung (26) umfaßt.
  18. 18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinheit (38) einen Speicher für alle möglichen für die Bestimmung der Reduktionsmittelrate ≙R relevanten Betriebszustände des Abgases (10), des Katalysators (8) und gegebenenfalls des Motors (4) umfaßt und die Mittel (5, 6, 20, 42, 44) mit ihren Signalen einen entsprechenden Speicherwert für die Reduktionsmittelrate ≙R abrufen, wobei der Speicherwert an einem Ausgang (A&sub1;) der Kontrolleinheit (38) zur Steuerung der Reduktionsmittelzuführungseinheit (24, 30, 32) anliegt.
  19. 19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinheit (38) unter anderem eine Mikroprozessor-Untereinheit (40) umfaßt, die mittels eines Programms die in das Abgas (10) einzubringende Reduktionsmittelrate ≙R aus den mittels der Mittel (5, 6, 20, 42, 44) erfaßten betriebsrelevanten Parametern des Abgases (10), des Katalysators (8) und gegebenenfalls des Motors (4) bestimmt.






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