DE19940298A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Reduktionsmittels und/oder der Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung in einem Katalysatorsystem zugeordneten Reduktionsmitteltank - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung, insbesondere der Harnstoffkonzentration einer Harnstoff-Wasser-Lösung in einem einem Katalysatorsystem, insbesondere einem SCR-Katalysatorsystem, zugeordneten Harnstofftank, wobei die elektrische Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung bestimmt wird und die Reduktionsmittelkonzentration auf der Grundlage dieser elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere eines bekannten funktionalen Zusammenhangs zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Reduktionsmittelkonzentration, ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Reduktionsmittels und/oder der Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung in einem einem Katalysatorsystem zugeordneten Reduktionsmitteltank.

Als Folge der in den letzten Jahren stets niedriger anzusetzenden Schadstoffgrenzwerte sind zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen von Brennkraftmaschinen entwickelt worden. Beispielsweise mittels Katalysatorsystemen, welche Harnstoff und/oder Ammoniak als Reduktionsmittel zur NO_x-Konvertierung verwenden, sind effiziente Abgasnachbehandlungssysteme zur Verfügung gestellt.

Um eine Reduktion von NO_x-Bestandteilen in Abgasen zu erzielen, wurden insbesondere für Dieselmotoren Reduktionskatalysatoren entwickelt, die üblicherweise in sogenannten SCR-Katalysatoren (engl. Selective Catalytic Reduction) mit Harnstoff-Dosiersystem und Speicherkatalysatoren unterteilt werden. Die sogenannten SCR-Katalysatoren werden mittels einer Harnstoff- und/oder Ammoniak-Reduktionsmittelzufuhr regeneriert, während die sogenannten Speicherkatalysatoren mit Kohlenwasserstoffen des mitgeführten Brennkraftmaschinen-Brennstoffes in sogenannten Abgasfettphasen regeneriert werden.

Aus der EP-A-0 381 236 ist ein System bekannt, welches zum Entfernen von Stickoxiden in Abgasen aus einem Dieselmotor Ammoniak als Reduktionsmittel zudosiert. Bei diesem System ist ferner ein Turbolader vorgesehen, welcher den Druck des Abgases senkt. Eine verwendete Harnstoff-Wasser-Lösung wird mittels Druckluft zudosiert.

Aus der DE-A-44 441 261 ist eine Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher die Leistung des Katalysators über eine Dosiereinrichtung verbessert werden soll. Die Dosiereinrichtung ist als eine Kleinstmengendosier- Verdrängerpumpe ausgebildet, die auf einem zylindrischen Rotationskörper einen Gewindegang in der Form einer Nut aufweist, wobei zur Änderung der Förderleistung der Rotationskörper mit variabler Drehzahl angetrieben wird.

Die Zugabe des Reduktionsmittels in das Abgassystem erfolgt vorzugsweise kennfeldabhängig, d. h. in Abhängigkeit von Menge und/oder Zusammensetzung des Abgases. Bei einer derartigen kennfeldabhängigen Berechnung einer jeweils erforderlichen Reduktionsmittelmasse wird herkömmlicherweise von einer konstanten Konzentration bzw. Zusammensetzung des Reduktionsmittels, beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, ausgegangen. Insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen ist jedoch zu beobachten, daß eine mit derartigen hohen Temperaturen verbundene Erwärmung des Reduktionsmittels bzw. des Reduktionsmitteltanks zu einer Konzentrationsabnahme beispielsweise einer Harnstoff- Wasser-Lösung durch Ammoniakbildung führt. In Abhängigkeit von Höhe und Dauer der Temperatur kann eine derartige Konzentrationsabnahme im zweistelligen Prozentbereich liegen. Es kann daher in derartigen Fällen zu einer Reduktionsmittel-Unterdosierung kommen, wodurch sich die erzielbaren NO_x-Umsatzraten am Katalysator gegenüber niedrigerer Umgebungstemperaturen verschlechtern.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Dosierung eines einem Abgasstrom im Rahmen einer katalytischen Nachbehandlung zuzugebenden Reduktionsmittels, mit dem unabhängig von einer Umgebungstemperatur eine genaue Dosierung durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Reduktionsmittels und/oder einer Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Dosierung eines einem Abgasstrom zuzugebenden Reduktionsmittels mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.

Erfindungsgemäß ist eine sehr einfache Bestimmung der Konzentration eines Reduktionsmittels in einer Reduktionsmittellösung möglich. Mittels der erfindungsgemäßen Verfahren sind gleichbleibende, optimale NO_x-Umsatzraten am Katalysator trotz veränderter Konzentrationen eines Reduktionsmittels in einer Reduktionsmittellösung sichergestellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens ein linearer Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung und der Reduktionsmittelkonzentration angenommen. Eine derartige Annahme, daß die elektrische Leitfähigkeit proportional zur Konzentration der Lösung ist, erweist sich für praktische Zwecke als ausreichend genau und ermöglicht darüber hinaus zudem in gewissen Grenzen eine Betriebsstofferkennung des Reduktionsmittelmediums.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Mittel zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung einen in die Reduktionsmittellösung einzubringenden Leitfähigkeitssensor auf. Derartige Sensoren können beispielsweise zwei Pole mit definiertem Abstand aufweisen, durch welche die wäßrige Lösung (bzw. der wäßrige Elektrolyt) hindurchströmt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Leitfähigkeitssensor integriert mit einem Temperatursensor ausgebildet. Leitfähigkeitsmeßzellen bzw. -sensoren mit integriertem Temperaturfühler sind aus der Chemie für Labor- und Prozeßüberwachung bekannt. Da in einem Reduktionsmitteltank herkömmlicherweise Temperatursensoren vorgesehen sind, erweist sich ein derartiger integrierter Sensor als besonders kostengünstig.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische blockschaltbildartige Ansicht eines Harnstoff-Dosiersystems für Nutzkraftfahrzeuge, bei welchem die erfindungsgemäßen Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise einsetzbar sind bzw. ist.

Das dargestellte System, bei welchem beispielhaft Harnstoff als Reduktionsmittel verwendet wird, weist einen Harnstofftank 1 zur Speicherung von flüssigem Harnstoff auf. Der Harnstofftank 1 ist mittels Motorkühlwasser, welches über ein Rohrleitungssystem 2 hindurchleitbar ist, beaufschlagbar. Die Dosierung des hindurchgeführten Kühlwassers ist über ein Zwei-Wege-Ventil 3 regelbar, welches über ein Dosiersteuergerät 10 ansteuerbar ist. In den Harnstofftank 1 sind ferner ein Füllstandssensor 4 sowie ein Temperatur und/oder Leitfähigkeitssensor 5, dessen Funktionsweise weiter unten im einzelnen erläutert wird, eingebracht. Der in dem Harnstofftank 1 gespeicherte Harnstoff ist über eine Förderpumpe 6 und ein Druckregelventil 7 in eine Mischkammer 8 einbringbar, welche eingangsseitig mit einem Dosierventil 9 ausgebildet ist. Das Dosierventil 9 ist, wie auch die Förderpumpe 6, der Temperatur- und/oder Leitfähigkeitssensor 5 und der Füllstandssensor 4 über das Dosiersteuergerät 10 ansteuerbar.

Das Harnstoff-Dosiersystem weist ferner einen mittels eines Kompressors 11 mit Druck beaufschlagbaren Luftvorratsbehälter 12 auf, in welchem ein Druck von beispielsweise etwa 7 bar erzeugbar ist. Über einen Druckschwellschalter 13, ein Zweiwegeventil 14 und ein Druckregelventil 15 ist Druckluft aus dem Luftvorratsbehälter 12 in die Mischkammer 8 einbringbar, in der eine Vermischung mit der Harnstoff-Wasser-Lösung aus dem Harnstofftank 1 erfolgt.

Das dargestellte System stellt ein luftunterstütztes Niederdruckdosiersystem dar, mit dem aus dem Harnstofftank 1 beispielsweise eine 32,5%ige Harnstoff-Wasser-Lösung zu dem Dosierventil 9 förderbar ist, welches vorteilhafterweise als kennfeldgesteuertes Dosierventil ausgebildet ist, so daß die Lösung (in Abhängigkeit von aktuellen Motor- bzw. Abgasparametern) in erforderlicher Menge in die Mischkammer einbringbar ist. Die luftunterstützte Harnstoff-Wasser-Lösung wird dem Abgasstrom über eine (nicht im einzelnen dargestellte) Rohrleitung und eine als Sprühkopf 16 ausgebildete Zerstäubereinrichtung vor dem Katalysator als Aerosol beigemischt.

Um eine optimale NO_x-Umsetzung über das gesamte Motorkennfeld zu gewährleisten, wird die benötigte Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung so dosiert, daß in jedem Betriebspunkt den jeweiligen motor- und katalysatorspezifischen Eigenschaften Rechnung getragen wird. Dazu erfaßt beispielsweise das Dosiersteuergerät 10 über einen (schematisch dargestellten) CAN-Bus 20 die aktuellen Betriebsdaten des Motors und verarbeitet darüberhinaus alle für das System notwendigen Sensordaten.

Insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen führt eine hiermit einhergehende Erwärmung des Tanks 1 zu einer Konzentrationsabnahme der Harnstoff-Wasser-Lösung durch Zersetzung des Harnstoffs. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die Harnstoffkonzentration bzw. eine auftretende Konzentrationsabnahme mittels des Sensors 5, über welchen eine Messung der Leitfähigkeit der Harnstoff- Wasser-Lösung möglich ist, zu berücksichtigen. Hierbei wird ausgenutzt, daß die elektrische Leitfähigkeit einer Harnstoff-Wasser-Lösung (Elekrolyt) proportional zur Konzentration der Lösung ist.

Für den Fall, daß über eine Messung der Leitfähigkeit mittels des Sensors 5 eine Abweichung von der Ausgangskonzentration (hier beispielsweise 32,5%) festgestellt wird, ist eine Korrektur der Dosiermenge durch Anpassung der Ansteuerdauer des Dosierventils 9 mit Hilfe eines Korrekturfaktors über das Dosiersteuergerät 10 möglich. Hierdurch sind gleichbleibende NO_x-Umsatzraten am Katalysator trotz veränderter Harnstoffkonzentrationen sichergestellt. Eine Unterdosierung von Harnstoff, welche bei herkömmlichen Systemen bei hohen Umgebungstemperaturen auftrat, kann erfindungsgemäß wirksam vermieden werden.

Die Berechnung der Harnstoffkonzentration der Harnstoff- Wasser-Lösung in dem Tank 1, welche im wesentlichen proportional zur Leitfähigkeit der Lösung ist, läßt sich im Dosiersteuergerät 10 durch Berechnung oder auch über eine abgelegte Kennlinie ermitteln. Hierbei erweist sich, daß eine auf der Grundlage einer derartigen Korrektur vorgenommene Änderung der Ansteuerdauer des Dosierventils 9 umgekehrt proportional zur Änderung der Harnstoffkonzentration der Harnstoff-Wasser-Lösung ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Reduktionsmittels und/oder einer Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung, insbesondere der Harnstoffkonzentration einer Harnstoff-Wasser-Lösung, in einem einem Katalysatorsystem, insbesondere einem SCR- Katalysatorsystem, zugeordneten Harnstofftank (1), dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung bestimmt wird und das Reduktionsmittel als solches und/oder die Reduktionsmittelkonzentration auf der Grundlage dieser elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere unter Berücksichtigung eines bekannten funktionalen Zusammenhangs zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Reduktionsmittelkonzentration, bestimmt bzw. ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein linearer Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung und der Reduktionsmittelkonzentration angenommen wird.

3. Vorrichtung zur Bestimmung einer Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung, insbesondere einer Harnstoffkonzentration einer Harnstoff- Wasser-Lösung, in einem einem Katalysatorsystem, insbesondere einem SCR-Katalysatorsystem, zugeordneten Harnstofftank (1), gekennzeichnet durch Mittel (5) zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung und Mittel (10) zur Ermittlung einer Lösungsmittelkonzentration auf der Grundlage der bestimmten Leitfähigkeit.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit einen in die Reduktionsmittellösung einbringbaren Leitfähigkeitssensor (5) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitfähigkeitssensor (5) integriert mit einem Temperatursensor ausgebildet ist.

6. Verfahren zur Dosierung eines einem Abgasstrom im Rahmen einer katalytischen Nachbehandlung zuzugebenden Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Reduktionsmittels, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, bestimmt wird und eine Korrektur einer dem Abgas zudosierten Reduktionsmittelmenge in Abhängigkeit von der bestimmten Konzentration durchgeführt wird.