DE102018007421B4

DE102018007421B4 - Dynamische Ammoniak-Überschuss Detektion mittels eines Software-Algorithmus zur Eliminierung des Ammoniak-Sensors

Info

Publication number: DE102018007421B4
Application number: DE102018007421.9A
Authority: DE
Inventors: Volker Smits
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: EP3853451A1; CN112689703B; JP2022500583A; US11434802B2; JP7432291B2; US20220056830A1; KR20210058843A; KR102856305B1; WO2020057768A1; DE102018007421A1; CN112689703A

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem, umfassend in Strömungsrichtung des Abgases in dieser Reihenfolge: einen Stickoxidsensor vor dem SCR-Katalysator, eine Vorrichtung zur Eindosierung von Ammoniak und/oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel in das zu reinigende Abgas; einen oder mehrere SCR-Katalysatoren, die eine erste SCR-Einheit bilden; einen oder mehrere SCR-Katalysatoren und/oder wenigstens einen Ammoniakoxidationskatalysator und/oder wenigstens einen Ammonia Slip Catalyst (ASC), die eine zweite SCR-Einheit bilden, und einen Stickoxidsensor (NOx-Sensor) zur Bestimmung der Konzentration der Stickoxide (NOx) im Abgasendrohr; wobei die in das Abgas einzudosierende Menge von Ammoniak und/oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung eingestellt wird unter Zuhilfenahme des NOx-Sensors im Abgasendrohr, welcher aus dem Sensorsignal des NOx-Sensors mittels einer Auswertung desselben über die Querempfindlichkeit des Sensors sowohl die Stickoxidkonzentration als auch das Auftreten oder das Nichtauftreten eines Ammoniaküberschusses im Abgas ermittelt werden kann, wobei die Erkennung des Ammoniak-Überschusses mittels eines Algorithmus erfolgt und der Algorithmus zur Erkennung des Ammoniak-Überschusses ausschließlich die Frequenz des Stickoxid-Sensors nach dem SCR-Katalysator untersucht.

Description

Zur Einhaltung der geltenden europäischen, US-amerikanischen und chinesischen Emissionsgesetzgebung für sogenannte Nonroad-Dieselmotoren ist die Ausstattung dieser Dieselmotoren mit einem Abgasreinigungssystem unumgänglich. Typische Abgasreinigungssysteme enthalten neben einem Dieseloxidationskatalysator zur oxidativen Entfernung von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen und gegebenenfalls einem abströmseitig dazu angeordneten Dieselpartikelfilter eine Entstickungseinheit. Typisch zur Entstickung von Dieselmotorenabgasen im Nutzfahrzeug- und Nonroad-Bereich sind Einheiten zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden unter Verwendung eines sogenannten SCR-Katalysators (SCR: Selective Catalytic Reduction) und einer Vorrichtung zur Eindosierung von Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel in den zu reinigenden Abgasstrom. Bevorzugte Reduktionsmittel sind wässrige Harnstofflösung oder Ammoniumcarbamatlösung, besonders bevorzugt ist Harnstofflösung. Solche SCR-Einheiten sind typischerweise abströmseitig zu einem vorgelagerten Dieseloxidationskatalysator (DOC) und/oder zu einem Dieselpartikelfilter (DPF) angeordnet.
Für die Erfüllung der Emissionsstandards EU-Stufe IV bzw. Tier4f kommen u. a. Systeme gemäß EP 1 054 722 A1 oder Systeme ohne Dieselpartikelfilter (nur DOC + SCR) zum Einsatz. Insbesondere in den letztgenannten „offenen“ Systemen müssen in allen Betriebspunkten auch nach längerer Betriebsdauer maximale SCR-Wirkungsgrade erreicht werden, da der Verbrennungsprozess bei Motoren, zu dessen Abgasreinigung ein System ohne Dieselpartikelfilter zum Einsatz kommt, so abgestimmt ist, dass stets möglichst geringe Partikelemissionen auftreten. Dies verursacht deutlich erhöhte NO_x-Rohemissionen, so dass Stickoxid-Konvertierungen in der SCR-Einheit von über 90 % über die gesamte Betriebsdauer des Systems erforderlich sind, um die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte zu erreichen. Derartige Systems sind aus der DE 10 2010 026 373 A1 und der EP 2 317 091 A1 bekannt.
Die Wirkungsgrade des SCR-Systems werden außer von der Temperatur und dem Massenstrom über dem SCR-Katalysator durch das NO₂/NO_x-Verhältnis vor dem SCR-Katalysator und durch die Menge des eindosierten Reduktionsmittels bestimmt. Das NO₂/NO_x-Verhältnis wird über den vorgelagerten Abgasreinigungsaggregaten DOC und/oder DPF eingestellt, wobei bevorzugt Werte von 0,2 bis 0,7, besonders bevorzugt von 0,4 bis 0,6, erreicht werden.
Eine Unterdosierung des Reduktionsmittels (beispielsweise [alpha] = 0,8, wobei mit [alpha] das Molverhältnis von NH₃ zu NO_x im zu reinigenden Abgas vor SCR-Katalysator angegeben wird) führt zu einer Begrenzung des theoretisch möglichen Stickoxidumsatzes entsprechend der Verfügbarkeit des Reduktionsmittels (für [alpha] = 0,8 also max. 80 % Stickoxidumsatz). Durch eine Überdosierung des Reduktionsmittels ([alpha] > 1) können über dem SCR-Katalysator die thermodynamisch möglichen, maximalen Stickoxidumsätze erzielt werden, die nur noch durch die stofflichen Eigenschaften des Katalysators unter den jeweiligen Betriebsbedingungen (Abgasmassenstrom, Temperatur, NO₂/NO_x vor SCR) bestimmt werden.
Allerdings kann eine Überdosierung des Reduktionsmittels zu Ammoniakdurchbrüchen durch den SCR-Katalysator führen. Da Ammoniak gemäß EU-Gefahrstoffkennzeichnung ein giftiges und umweltgefährdendes Gas ist, müssen Restemissionen unbedingt vermieden werden.
Systeme nach dem Stand der Technik regeln die Reduktionsmitteldosierung typischerweise modellgestützt, d. h. die im Motorsteuergerät hinterlegte Software berechnet auf der Grundlage des NO_x-Gehalts in der Rohemission und der zuvor experimentell ermittelten Wirkungsgrade des SCR-Katalysators in jedem denkbaren Betriebspunkt den stöchiometrischen Bedarf an Reduktionsmitteln und steuert dementsprechend die Menge an einzudosierender Harnstofflösung (sog. „Vorsteuermenge“). Erschwert wird diese Vorsteuerung dadurch, dass insbesondere SCR-Katalysatoren auf der Basis von mit Übergangsmetallen ausgetauschten Zeolithen über eine signifikante Ammoniakspeicherfähigkeit verfügen. Die Menge an Ammoniak, die in den Katalysator eingelagert werden kann, ist abhängig von der Betriebstemperatur und dem Alterungszustand des Katalysators. Dementsprechend wird je nach Betriebspunkt ein Teil der eindosierten Reduktionsmittelmenge dazu verwandt, den Ammoniakspeicher im Katalysator aufzufüllen. Durch den Speicher können insbesondere im dynamischen Betrieb kurzzeitig auftretende Unterdosierungen durch Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide mit aus dem Speicher desorbierendem Ammoniak kompensiert werden. Der Ammoniakspeicher muss dann durch Reduktionsmittelüberdosierung wieder aufgefüllt werden.
Dieses Speicherverhalten des Katalysators erschwert die optimale Anpassung des Vorsteuermodells, da die chemisch-physikalischen Vorgänge im SCR-Katalysator in ihrer Komplexizität mathematisch ausgesprochen schwierig zu beschreiben sind. Die modellgestützte Regelung der Reduktionsmitteldosierung hat daher den Nachteil, dass insbesondere im transienten Betrieb des Motors maximale Wirkungsgrade des SCR-Katalysators nicht in allen Betriebspunkten ohne Ammoniakdurchbrüche zu gewährleisten sind.
Aus dem Stand der Technik sind SCR-Systeme bekannt, in denen Ammoniakdurchbrüche nach dem SCR-Katalysator mittels eines Ammoniaksensors erkannt werden.
So offenbart WO 2010 / 062 566 A2 den Aufbau und die Funktionsweise eines Ammoniaksensors.
DE 10 2006 051 790 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung der Abgase eines Verbrennungsmotors umfassend in Strömungsrichtung des Abgases in dieser Reihenfolge einen ersten Oxidationskatalysator, eine Vorrichtung zum Einbringen eines Brennstoffes in den Abgasstrang, einen zweiten Oxidationskatalysator, einen Dieselpartikelfilter, eine Vorrichtung zur Injektion eines hinsichtlich der Reduktion von Stickoxiden wirksamen Reduktionsmittels, einen SCR-Katalysator und gegebenenfalls einen (Ammoniak-)Sperrkatalysator mit oxidationskatalytischer Wirksamkeit. Stromab zum SCR-Katalysator kann ein Ammoniaksensor zur Verbesserung der Regelung der Zugabe des Reduktionsmittels oder zu Diagnosezwecken vorgesehen sein.
EP 2 317 091 A1 offenbart ein Abgasreinigungssystem, umfassend in Strömungsrichtung des Abgases in dieser Reihenfolge einen Oxidationskatalysator, ein Abgasrohr mit einer Dosiervorrichtung für Harnstofflösung und einen SCR-Katalysator. Im SCR-Katalysator ist ein Temperatursensor integriert. Abströmseitig zum SCR-Katalysator ist ein Ammoniaksensor zur Detektion der Ammoniakkonzentration im Abgas nach SCR-Katalysator vorgesehen. Abströmseitig zum Ammoniaksensor kann ein Ammoniakoxidationskatalysator angeordnet sein. Im in EP 2 317 091 A1 offenbarten System wird eine zu dosierende Harnstofflösungsmenge (Vorsteuermenge) in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment des Motors bestimmt und eindosiert. Gleichzeitig wird aus dem zeitlichen Verzug zwischen Dosierbeginn und beginnendem Ammoniakschlupf die Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators berechnet. Wird über den Ammoniaksensor nach SCR-Katalysator ein Ammoniakschlupf angezeigt, so wird die tatsächlich einzudosierende Menge an Harnstofflösung gegenüber der Vorsteuermenge vermindert. Ergibt die Berechnung der Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators einen Wert, der kleiner ist als ein in der Steuerungssoftware hinterlegter Referenzwert, so wird die tatsächlich einzudosierende Menge an Harnstofflösung gegenüber der Vorsteuermenge erhöht.
EP 2 317 090 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Systems, in dem eine vorbereitende Rücknahme der dosierten Reduktionsmittelmenge erfolgt, wenn Ammoniakdurchbrüche durch den SCR-Katalysator aufgrund der Betriebsbedingungen zu erwarten sind. Solche Änderungen der Betriebsbedingungen umfassen im Besonderen Änderungen des Abgasmassenstromes und/oder ein Ansteigen der Abgastemperatur. EP 2 317 090 A1 offenbart weiterhin ein Verfahren zur Erkennung eines Ammoniakschlupfrisikos mittels eines zwischen zwei SCR-Katalysatoren angeordneten Ammoniaksensors. Wird nach dem ersten anströmseitigen SCR-Katalysator ein vordefinierter Ammoniakschlupf überschritten, so wird die Reduktionsmitteldosierung ausgeschaltet.
DE 10 2008 043 141 A1 offenbart ein Abgasreinigungssystem für eine Dieselbrennkraftmaschine, umfassend in Strömungsrichtung des Abgases in dieser Reihenfolge einen Dieseloxidationskatalysator, eine Vorrichtung zum Eindosieren von Ammoniak in den Abgasstrang, einen SCR-Katalysator, einen NO_x-Sensor zur Detektion von Stickoxiden im Abgas, einen Ammoniakoxidationskatalysator, eine Vorrichtung zur Eindosierung von Wasser in den Abgasstrang und einen Ammoniaksensor. Wird nach dem Ammoniakoxidationskatalysator mittels Ammoniaksensor eine einen vordefinierten Wert übersteigende Ammoniakkonzentration im Abgas detektiert, so wird abströmseitig des Ammoniakoxidationskatalysators Wasser in den Abgasstrang eindosiert, um das am Abgasendrohr vorhandene Ammoniak zu „fangen“ und somit den Austritt des Ammoniaks in die Atmosphäre zu vermeiden.
Die US 2009/0272099 A1 und die US 2010/0242440 A1 offenbaren Abgasnachbehandlungssysteme, umfassend in Strömungsrichtung des Abgases in dieser Reihenfolge einen Oxidationskatalysator, einen Dieselpartikelfilter, eine Vorrichtung zur Eindosierung eines Reduktionsmittels wie beispielsweise Ammoniak oder Harnstofflösung, einen SCR-Katalysator und einen Ammoniakoxidationskatalysator. Ammoniaksensoren können abströmseitig zum Ammoniakoxidationskatalysator, anströmseitig zum SCR und/oder anströmseitig zum Ammoniakoxidationskatalysator angeordnet sein. Diese werden ergänzt durch NO_x-Sensoren zur Erfassung des Stickoxidgehaltes im Abgas anströmseitig zum Dieseloxidationskatalysator, abströmseitig zum SCR und/oder abströmseitig zum Ammoniakoxidationskatalysator. Mit Hilfe dieser Sensorsignale werden die tatsächlichen Reduktionsmitteldosierraten derart angepasst, dass durch Fehler oder Unstimmigkeiten im Vorsteuermodell (z. B. Modellierungsfehler, Abweichungen in den Realwirkungsgraden durch Katalysatoralterung oder Sensoralterung, Abweichungen in der Reduktionsmittelkonzentration, Einspritzverzögerungen) zustande kommende suboptimale Reduktionsmitteldosiermengen korrigiert werden.
Die WO 2011/139971 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Systems, welches zwei in Strömungsrichtung des Abgases nacheinander angeordnete SCR-Katalysatoren aufweist, sowie einen Ammoniaksensor zwischen den beiden SCR-Katalysatoren und einen NO_x-Sensor abströmseitig zum zweiten, in Strömungsrichtung nachgeordneten SCR-Katalysator. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Vorgabewert für die zwischen den beiden SCR-Katalysatoren herrschende Ammoniakkonzentration im Abgas, die mittels Ammoniaksensor bestimmt wird, geändert bzw. angepasst wird in Abhängigkeit von der mittels NO_x-Sensor bestimmten NO_x-Konzentration im Abgas nach dem zweiten SCR-Katalysator.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verminderung von Stickoxiden aus Dieselmotorenabgasen mittels selektiver katalytischer Reduktion bereit zu stellen, das eine maximale Ausnutzung der theoretisch möglichen Wirkungsgrade der SCR-Katalysatoren durch die maximal mögliche Bereitstellung von Ammoniak und/oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel gewährleistet, wobei Durchbrüche von Ammoniak durch das SCR-System systematisch vermieden werden und welches sich zugleich durch einen möglichst geringen Applikations- und Bedatungsaufwand auszeichnet.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Verminderung von Stickoxiden aus Dieselmotorenabgasen mittels eines Abgasnachbehandlungssystems, das in Strömungsrichtung des Abgases in dieser Reihenfolge folgendes umfasst:

- eine Vorrichtung zur Eindosierung von Ammoniak und/oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel in das zu reinigende Abgas,
- einen oder mehrere SCR-Katalysatoren, die eine erste SCR-Einheit bilden,
- einen oder mehrere SCR-Katalysatoren und/oder einen Ammoniakoxidationskatalysator, die eine zweite SCR-Einheit bilden
- und einen Stickoxidsensor (NO_x-Sensor) zur Bestimmung der Konzentration der Stickoxide (NO_x) im Abgasendrohr.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Abbildungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:

: schematisch den Aufbau eines Abgasnachbehandlungssystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Übersicht der SCR-Regelung,
: Vergleich der Ammoniak-Überschuss Detektion für ein NRTC mit überstöchiometrischer Dosierung,
: Vergleich der Ammoniak-Überschuss Detektion für den „Einheitsfahr-Zyklus“ mit überstöchiometrischer Dosierung.

Eine Komponente des Abgasreinigungssystems bildet in den meisten Fällen die Selective Catalytic Reduction (SCR). Die SCR-Abgasnachbehandlung wird zur Reduktion der Stickstoffoxide eingesetzt. Die Reduktion wird über die Dosierung einer Harnstofflösung (z. B. Adblue bzw. Urea/DEF), welche später zu Ammoniak (NH3) reagiert, erzielt.
Im SCR-Katalysator reagieren die Stickstoffoxide des Abgases mit dem Ammoniak bei optimalem Wirkungsgrad hauptsächlich zu Stickstoff und Wasser. Der Wirkungsgrad des SCR-Systems hängt neben der Temperatur, dem Massenstrom und dem NO₂/NO_x-Verhältnis auch stark von der Menge des eindosierten Harnstoffes ab. Bei einer Unterdosierung (λ < 1) ist der SCR-Katalysator nicht in der Lage die Stickstoffoxide zu konvertieren, was zu höheren Stickstoffoxid-Emissionen führt. Bei einer Überdosierung des Reduktionsmittels (λ > 1) kommt es allerdings zu einem Ammoniak-Überschuss, welcher aus dem Katalysator austritt. Aufgrund der giftigen und umweltschädlichen Eigenschaften von Ammoniak ist auch die Menge des Ammoniak-Ausstoßes reglementiert und unbedingt zu vermeiden. Teile des Ammoniak-Überschusses können zwar durch den Einsatz eines Ammonia Slip Catalyst (ASC) wieder in Stickstoffmonoxid (NO) umgewandelt werden, jedoch ist die Konvertierungsrate nicht immer ausreichend, um den Ammoniak-Überschuss komplett in Stickstoffmonoxid umzuwandeln. Zur Detektion des übrig bleibenden Ammoniaküberschusses nach ASC ist die bisherige Lösung, einen NH3-Sensor der Firma Delphi zu verbauen (siehe ). Durch die Überwachung des Ammoniak-Überschusses nach dem ASC kann der Wirkungsgrad des SCR-Systems bezüglich der Dosiermenge optimal ausgenutzt werden, ohne einen übermäßigen Ammoniak-Überschuss zu riskieren, da im Falle einer Detektion von Ammoniak aufgrund von Überdosierung durch die SCR-Regelung der Sensorwert zur Korrektur der Stellgröße der SCR-Regelung verwendet wird.
Die neue Lösung ist eine Erkennung des Ammoniak-Überschusses mittels eines Software Algorithmus. Die Vorteile des neuen Lösungsansatzes gegenüber der bisherigen Lösung sind die Einsparung der Kauf- und Montagekosten des NH3-Sensors und die Möglichkeit, die Stickstoffmonoxid-Bildung durch überschüssiges Ammoniak nach SCR ebenfalls zu erkennen.
Der Software-Algorithmus erkennt den Ammoniaküberschuss auf Basis einer Analyse des Stickstoffoxid-Sensors z. B. der Firma Continental, welcher nach dem SCR-Katalysator verbaut ist. Die Analyse nutzt die Querempfindlichkeit des Stickstoffoxid-Sensors bezüglich Ammoniak aus und bestimmt über die Fast-Fourier-Transformation (FFT, Radix-2 Decimation in Time) und über eine Normierung das normierte Amplitudenspektrum. Die schnelle Fourier-Transformation (englisch: fast Fourier transform, daher meist FFT abgekürzt) ist ein Algorithmus zur effizienten Berechnung der diskreten Fourier-Transformation (DFT). Mit ihr kann ein digitales Signal in seine Frequenzanteile zerlegt und diese dann analysiert werden.
Analog gibt es für die diskrete inverse Fourier-Transformation die inverse schnelle Fourier-Transformation (IFFT). Es kommen bei der IFFT die gleichen Algorithmen, aber mit konjugierten Koeffizienten zur Anwendung.
Die FFT hat zahlreiche Anwendungen im Bereich der Ingenieurwissenschaften, der Naturwissenschaften und der angewandten Mathematik. Außerdem kommt sie in Mobilfunktechnologien wie UMTS und LTE und bei der drahtlosen Datenübertragung zum Einsatz, etwa in der WLAN-Funknetztechnik. Der Algorithmus von Cooley und Tukey (Radix-2) ist ein klassisches Teile-und-herrsche-Verfahren. Voraussetzung für seine Anwendung ist, dass die Anzahl der Stützstellen bzw. Abtastpunkte eine Zweierpotenz ist. Da die Anzahl solcher Punkte im Rahmen von Messverfahren jedoch im Allgemeinen frei gewählt werden kann, handelt es sich dabei nicht um eine gravierende Einschränkung.
Der Algorithmus basiert auf der Beobachtung, dass die Berechnung einer DFT der Größe 2n in zwei Berechnungen einer DFT der Größe n zerlegbar ist (über den Vektor mit den Einträgen der geraden bzw. der ungeraden Indizes), wobei die beiden Teilergebnisse nach der Transformation wieder zu einer Fourier-Transformation der Größe 2n zusammenzufassen sind.
Da die Berechnung einer DFT der halben Länge nur ein Viertel der komplexen Multiplikationen und Additionen der originalen DFT benötigt und, je nach Länge des Ausgangsvektors, diese Vorschrift mehrfach hintereinander anwendbar ist, erlaubt die rekursive Anwendung dieser Grundidee schließlich eine Berechnung in Zeit; Landau-Symbole werden in der Mathematik und in der Informatik verwendet, um das asymptotische Verhalten von Funktionen und Folgen zu beschreiben. In der Informatik werden sie bei der Analyse von Algorithmen verwendet und geben ein Maß für die Anzahl der Elementarschritte oder der Speichereinheiten in Abhängigkeit von der Größe der Eingangsvariablen an. Die Komplexitätstheorie verwendet sie, um verschiedene Probleme danach zu vergleichen, wie „schwierig“ oder aufwendig sie zu lösen sind. Man sagt, „schwere Probleme“ wachsen exponentiell mit der Instanz oder schneller und für „leichte Probleme“ existiert ein Algorithmus, dessen Laufzeitzuwächse sich durch das Wachstum eines Polynoms beschränken lassen. Man nennt sie (nicht) polynomiell lösbar. Zur Einsparung von trigonometrischen Rechenoperationen können bei der FFT zusätzlich die Eigenschaften der Einheitswurzeln aus der Fourier-Matrix ausgenutzt werden. Der hier verwendete Wertebereich liegt im Intervall [0, 1]. Das Intervall [0,1] bezieht sich auf das spätere Normieren des Amplitudenspektrums. Für das normierte Amplitudenspektrum wird anschließend ein Quotient ermittelt, welcher das Verhältnis zwischen höherfrequenten und niedrigerfrequenten Anteilen bestimmt. Dies geschieht in Form einer Integralbildung über das normierte Amplitudenspektrum für die beiden Frequenzbereiche mittels der Simpsonregel. Die Simpsonregel oder Simpsonsche Formel (nach Thomas Simpson), manchmal auch Keplersche Fassregel (nach Johannes Kepler) ist ein Verfahren der numerischen Integration, bei dem eine Näherung zum Integral einer Funktion f(x) im Intervall [a, b] berechnet wird, indem man die schwer zu integrierende Funktion f(x) durch eine exakt integrierbare Parabel P (x) annähert.
Die Parabel P (x) wird als Interpolationspolynom durch Funktionswerte an den Stellen a, b, m = (a+b)/2 gelegt. Das Integral nähert man dann durch das Integral der Parabel an. Die Simpsonregel ist damit eine sogenannte abgeschlossene Newton-Cotes-Formel. Für die Näherung S(f) von $\int_{a}^{b} f (x) d x$
ergibt sich dann: $S (f) = \frac{b - a}{6} \cdot (f (a) + 4 f (\frac{a + b}{2}) + f (b))$
Wenn der Quotient qint über einem bestimmten Schwellwert liegt, zeigt der Software-Algorithmus einen Ammoniak-Überschuss an.
Des Weiteren wird über eine Hochpass-Filterung mit anschließender Betrags- und Mittelwertbildung des Stickstoffoxidsignals des Stickstoffoxid-sensors vor dem SCR-Katalysator eine Dynamikerkennung realisiert. Mit dem Wert aus der Dynamikerkennung wird zum einen die Analyse über die Fast-Fourier-Transformation freigegeben und zum anderen der Wert des Schwellwerts angepasst, welcher mit dem Quotienten qint verglichen wird.
Die Anpassung erfolgt entsprechend der vorliegenden Dynamik des Stickstoffoxidsignals vor dem SCR-Katalysator über eine stückweise lineare Interpolation. Die Parameter für die Aufteilung in die zwei Frequenzbereiche (niedriger- und höherfrequente Anteile), der Schwellwert für die Freigabe der FFT-Analyse qdyn als auch die Parameter zur Anpassung des Schwellwerts für den Vergleich mit dem Quotienten qint werden mit einem genetischen Algorithmus (GA) anhand repräsentativer Kundenzyklen optimiert. Genetische Algorithmen (GA) gehören zu der Klasse von evolutionären Algorithmen (EA). EA sind heuristische Suchalgorithmen, welche das darwinianische Prinzip der Evolution (Variation, Reproduktion und Selektion) zugrunde legen und dieses Prinzip auf technischer Ebene nachahmen, um iterativ Optimierungsprobleme zu lösen.
Dazu wird eine Population aus einer Anzahl von Individuen aufgebaut bzw. initialisiert. Jedes Individuum repräsentiert eine mögliche Lösung. Im Anschluss wird gemäß einer Gütefunktion die Tauglichkeit oder auch evolutionäre Fitness jedes Individuums bestimmt. Ist das Abbruchkriterium erreicht, wird der Algorithmus gestoppt. Beispiele für Abbruchkriterien sind das Erreichen eines Zielwerts der Gütefunktion oder die Anzahl an Iterationen des Algorithmus. Ist das Abbruchkriterium nicht erfüllt, wird eine neue Population für die nächste Iteration erstellt, im evolutionären Kontext auch als Generation bezeichnet.
An dieser Stelle findet jetzt der Hauptteil der Analogie zum darwinianischen Prinzip der Evolution statt. Es werden aus der bestehenden Population die Individuen für die neue Population ausgewählt, welche die beste Fitness besitzen, und zur Rekombination genutzt. Die Rekombination nutzt dabei Bestandteile (Gene) der ausgewählten Individuen, auch „Eltern“ genannt, zur Erzeugung eines neuen Individuums. Das neue Individuum wird im Kontext der evolutionären Algorithmen auch als Nachkomme oder Kind bezeichnet. Für die Erstellung der neuen Population können weiterhin die Individuen nach der Rekombination auch anschließend noch mutiert werden. Die Mutation kann beispielsweise so erfolgen, dass zufällige Individuen ausgewählt und einzelne Gene dieser Individuen nochmals verändert werden. Nun wird die Fitness der neuen Individuen bestimmt und anschließend selektiert, welche Individuen bezüglich ihrer evolutionären Fitness an der nächsten Generation teilnehmen. Nach der Erzeugung der neuen Population wird wieder das Abbruchkriterium überprüft und solange mit dem Algorithmus fortgefahren, bis das Abbruchkriterium erfüllt ist.
Der grundsätzliche Ablauf ist nachfolgend nochmal kurz zusammengefasst:

1. Initialisierung einer Population
2. Evaluation der Population
3. Überprüfung des Abbruchkriteriums:
- erfüllt -> stoppe Algorithmus
- nicht erfüllt -> gehe zum nächsten Schritt
4. Erstellung der neuen Population für die nächste Generation
- Selektion der Kandidaten zur Rekombination
- Rekombination
- Mutation
- Evaluation der neuen Individuen
- Selektion zur Bestimmung der neuen Population für die nächste
- Generation
5. Gehe zu Schritt 3

Die Fitnessfunktion zur Optimierung der NH3-Detektion ergibt sich aus der Summe der Übereinstimmungen zwischen der Detektion des virtuellen NH3-Sensors mit dem Vergleich des gemessenen Ammoniaks am Prüfstand. Mit anderen Worten, ist das NH3 innerhalb des ausgewerteten Messfensters im Mittel über 10 ppm, zeigt die Referenz eine logische 1 an und anderenfalls eine 0. Die virtuelle Parametrierung des NH3-Sensors wird nun so vom GA ausgelegt, dass dieser möglichst oft mit der Referenz übereinstimmt.
Die zwei folgenden Abbildungen ( und ) zeigen zum einen den „Einheitsfahr-Zyklus“, welcher aus 5 Kunden-Zyklen besteht und zum anderen den Non-road Transient Cycle (NRTC). Für beide Abbildungen wird das Detektionsergebnis der Software-Lösung mit dem Detektionsergebnis des Ammoniak-Sensors von der Firma Delphi jeweils im untersten Diagramm der Abbildungen verglichen. Dabei zeigt der Sensor einen Ammoniaküberschuss an, wenn der Sensor im Mittel über 100 s einen Ammoniakwert von 10 ppm gemessen hat.
Der hier dargestellte NRTC ist mit einer überstöchiometrischen Dosierung vom λ = 2,6 gefahren worden. Die Detektion der Software-Lösung stimmt in weiten Teilen mit der Detektion des Sensors überein und erkennt alle Ammoniak-Überschusssituationen und alle Situationen, in denen kein Ammoniak-Überschuss von mehr als 10 ppm im Mittel besteht. Am Anfang des „Einheitsfahr-Zyklus“ ist die Vorgabe für λ = 2 gewählt worden, um eine starke Überdosierung zu simulieren. Die Dosierung ist im Anschluss schrittweise bis auf ein λ = 1 zurückgefahren worden. Dies ist in im zweiten Teil des Zyklus ab 3000 s zu sehen. Sowohl der Sensor als der Software-Algorithmus erkennen den Bereich der starken Überdosierung und der stöchiometrischen Dosierung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Software-Lösung ein vergleichbares Ergebnis wie der NH3-Sensor liefert bezüglich der qualitativen Aussage ob ein Ammoniaküberschuss besteht oder nicht und somit für die Verwendung in der Gesamtregelungsstrategie für den SCR-Katalysator zur Erkennung eines Ammoniaküberschusses geeignet ist.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem, umfassend in Strömungsrichtung des Abgases in dieser Reihenfolge: einen Stickoxidsensor vor dem SCR-Katalysator, eine Vorrichtung zur Eindosierung von Ammoniak und/oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel in das zu reinigende Abgas; einen oder mehrere SCR-Katalysatoren, die eine erste SCR-Einheit bilden; einen oder mehrere SCR-Katalysatoren und/oder wenigstens einen Ammoniakoxidationskatalysator und/oder wenigstens einen Ammonia Slip Catalyst (ASC), die eine zweite SCR-Einheit bilden, und einen Stickoxidsensor (NO_x-Sensor) zur Bestimmung der Konzentration der Stickoxide (NO_x) im Abgasendrohr; wobei die in das Abgas einzudosierende Menge von Ammoniak und/oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung eingestellt wird unter Zuhilfenahme des NO_x-Sensors im Abgasendrohr, welcher aus dem Sensorsignal des NO_x-Sensors mittels einer Auswertung desselben über die Querempfindlichkeit des Sensors sowohl die Stickoxidkonzentration als auch das Auftreten oder das Nichtauftreten eines Ammoniaküberschusses im Abgas ermittelt werden kann, wobei die Erkennung des Ammoniak-Überschusses mittels eines Algorithmus erfolgt und der Algorithmus zur Erkennung des Ammoniak-Überschusses ausschließlich die Frequenz des Stickoxid-Sensors nach dem SCR-Katalysator untersucht.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus zur Erkennung des Ammoniak-Überschusses die niederfrequenten Anteile mit den höherfrequenten Anteilen des Stickoxid-Sensors nach dem SCR-Katalysator vergleicht, indem er sie mittels eines Quotienten in Relation bringt.
Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus zur Erkennung des Ammoniak-Überschusses den Quotienten aus den niederfrequenten durch die höherfrequenten Anteile berechnet und mit einem Schwellwert vergleicht, um das Auftreten oder Nichtauftreten eines Ammoniaküberschusses im Abgas festzustellen. Der Schwellwert, welcher mit dem Quotienten verglichen wird, wird über eine lineare Interpolation bezüglich der Dynamik des Stickoxid-Sensorsignals vor dem SCR-Katalysator bestimmt.
Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parametrierung des Algorithmus zur Erkennung des Ammoniak-Überschusses mittels eines genetischen Algorithmus anhand von Messdaten ausgelegt wird.
Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parametrierung des Algorithmus zur Erkennung des Ammoniak-Überschusses über einen genetischen Algorithmus optimiert wird, der die Parameter der linearen Interpolation des Schwellwerts bezüglich der vorliegenden Dynamik des Stickoxid-Sensors vor dem SCR-Katalysator, welcher mit dem Quotienten der Frequenzanteile verglichen wird, den Frequenzbereich, welcher den Bereich der niederfrequenten und höherfrequenten Anteile bestimmt und den Schwellwert für die Freigabe der Analyse auf Basis der vorliegenden Dynamik des Stickoxid-Sensors vor dem SCR-Katalysator anhand von Messdaten optimiert.
Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus zur Erkennung des Ammoniak-Überschusses zur Ermittlung der Frequenzanalyse das normierte Amplitudenspektrum des Stickoxid-Sensors nach SCR-Katalysator mittels einer Fast-Fourier-Transformation und anschießender Normierung bestimmt.
Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus zur Erkennung des Ammoniak-Überschusses die niederfrequenten und höherfrequenten Anteile des normierte Amplitudenspektrums des Stickoxid-Sensors nach SCR-Katalysator mittels einer Fast-Fourier-Transformation und anschießender Normierung bestimmt und diese über eine Integralbildung über das normierte Amplitudenspektrum mittels eines Quotienten unter Verwendung der Simpsonregel zur Integration bestimmt.
Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet, dass der Algorithmus zur Erkennung des Ammoniak-Überschusses die Dynamik des Stickoxid-Sensors vor dem SCR-Katalysator über eine Hochpass-Filterung mit anschließender Betragsbildung und Mittelwertbildung ermittelt.