DE102005053945A1 - System zur Überwachung von Abgaskonzentrationen - Google Patents

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DE102005053945A1
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James J. Dunlap Driscoll
Julie M. Peoria Faas
Bryan A. Edwards Silletti
Maarten Metamora Verkiel
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Abstract

Ein System ist vorgesehen, um Abgaskonzentrationen in einem Abgasstrom aus einem Motor zu überwachen. Das System kann ein Abgassystem aufweisen, das konfiguriert ist, um den vom Motor erzeugten Abgasstrom zu leiten. Das System kann weiter mindestens einen Sensor in Verbindung mit dem Abgasstrom aufweisen, der konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die eine Konzentration von NOx und eine Konzentration von mindestens einem Schwefel enthaltenden Verbundstoff in dem Abgasstrom anzeigt. Das System kann weiter eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um selektiv einen fetten Zustand und einen mageren Zustand in dem Abgasstrom zu erzeugen und um während des fetten Zustands die Konzentration des mindestens einen Schwefel enthaltenden Verbundstoffes in dem Abgasstrom, basierend auf der Ausgangsgröße von dem mindestens einen Sensor, zu bestimmen und während des mageren Zustands die Konzentration von NOx in dem Abgasstrom, basierend auf der Ausgangsgröße aus dem mindestens einen Sensor, zu bestimmen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf Systeme zur Überwachung von Abgaskonzentrationen und insbesondere auf Systeme, die Sensoren aufweisen, die sowohl auf Stickoxide (NOx) als auch auf Schwefel enthaltende Verbundstoffe empfindlich sind.
  • Hintergrund
  • Arbeitsmaschinen und/oder Fahrzeuge können verschiedene Arten von Abgassystememissionskomponenten aufweisen, um die Menge der NOx-Verbundstoffe und anderer Abgasbestandteile zu regeln oder zu reduzieren, die in die Atmosphäre abgegeben werden. Dieselmotorabgase können Schwefel enthaltende Verbundstoffe aufweisen, die von den Abgassystemkomponenten eingefangen werden, die NOx-Adsorptionskatalysatoren aufweisen. Mit der Zeit können diese eingefangenen Verbundstoffe eine beträchtliche Schwefelvergiftung des Abgassystems verursachen, was die Emissionssteuerungsfähigkeit des Abgassystems behindern kann.
  • Um die Abgassystemleistung aufrecht zu erhalten kann die Schwefelvergiftung durch periodische fette Regeneration entfernt werden. Eine fette Regeneration kann den Betrieb eines Motors mit einem fetten Luft-Brennstoff-Verhältnis bei erhöhten Temperaturen aufweisen. Die Entfernung der Schwefelvergiftung durch einen fetten Motorbetrieb kann jedoch den Gesamtwirkungsgrad des Motors reduzieren. Weiterhin kann ein verlängerter Betrieb bei hohen Temperaturen eine Verschlechterung der Leistung der Abgassystemkatalysatoren verursachen. Daher kann es nützlich sein, die Schwefelvergiftung des Abgassystems zu überwachen und nur dann zu entschwefeln, wenn es nötig ist.
  • Ein Verfahren zur Überwachung der Schwefelvergiftung bzw. Schwefelverunreinigung des Abgassystems wird offenbart im US-Patent 6 803 236, ausgegeben an Bailey am 12. April 2004 (im Folgenden das '236-Patent). Das Verfahren weist die Anwendung von mehreren NOx-Sensoren auf, die an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Abgassystems angeordnet sind. Das Verfahren weist weiter auf, die Ansprechzeitdifferenzen der Vielzahl von Sensoren zu vergleichen, um ein Niveau der Schwefelverbundstoffverunreinigung zu bestimmen.
  • Während das Verfahren des '236-Patentes eine Anzeige für die Schwefelverunreinigung des Abgassystems vorsehen kann, hat dieses Verfahren verschiedene Nachteile. Insbesondere erfordert das Verfahren mehrere Sensoren. Weiterhin kann das Verfahren mehrere Sensorarten mit unterschiedlichen Gasempfindlichkeiten und unterschiedlichen Ansprechzeiten erfordern. Während das Verfahren des '236-Patentes eine Anzeige der Schwefelverunreinigung des Abgassystems basierend auf einer Verschlechterung der Katalysatorleistung des Abgassystems vorsehen kann, kann das Verfahren nicht eine direkte Messung der Schwefel enthaltenden Verbundstoffe des Abgases liefern.
    •
  • Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme oder der Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein System auf, um Abgaskonzentrationen in einem Abgasstrom von einem Motor zu überwachen. Das System kann ein Abgassystem aufweisen, welches konfiguriert ist, um den Abgasstrom zu führen, der vom Motor erzeugt wird. Das System kann weiterhin mindestens einen Sensor in Verbindung mit dem Abgasstrom aufweisen, der konfiguriert ist, um eine Ausgabe zu erzeugen, die eine Konzentration von NOx und eine Konzentration von mindestens einem Schwefel enthaltenden Verbundstoff in dem Abgasstrom anzeigt. Das System kann weiter eine Steu ervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um selektiv einen fetten Zustand und einen mageren Zustand in dem Abgasstrom zu erzeugen und um während dem fetten Zustand die Konzentration von dem mindestens einen Schwefel enthaltenden Verbundstoff in dem Abgasstrom basierend auf der Ausgangsgröße des mindestens einen Sensors zu bestimmen, und um während des mageren Zustandes die Konzentration des NOx in dem Abgasstrom basierend auf der Ausgangsgröße des mindestens einen Sensors zu bestimmen.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren zur Überwachung von Abgaskonzentrationen in einem Abgasstrom eines Motors auf. Das Verfahren kann aufweisen, einen fetten Zustand in dem Abgasstrom zu erzeugen, und eine Ausgangsgröße eines Sensors in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasstrom zu überwachen. Das Verfahren kann weiter aufweisen, während dem fetten Zustand eine Konzentration von mindestens einem Schwefel enthaltenden Verbundstoff des Abgasstroms basierend auf der Ausgangsgröße aus dem Sensor zu bestimmen. Das Verfahren kann auch aufweisen, einen mageren Zustand in dem Abgasstrom zu erzeugen und während dem mageren Zustand eine Konzentration des NOx in dem Abgasstrom basierend auf der Ausgangsgröße aus dem Sensor zu bestimmen.
  • Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Arbeitsmaschine auf. Die Arbeitsmaschine kann einen Motor aufweisen, ein Abgassystem, das konfiguriert ist, um einen Abgasstrom zu leiten, der von dem Motor erzeugt wird und ein System zur Überwachung von Abgaskonzentrationen in dem Abgasstrom. Das System zur Überwachung von Abgaskonzentrationen kann mindestens einen Sensor in Verbindung mit dem Abgasstrom aufweisen, der konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die eine Konzentration von NOx anzeigt, und eine Konzentration von mindestens einem Schwefel enthaltenden Verbundstoff in dem Abgasstrom. Das System kann weiter eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um selektiv einen fetten Zustand oder einen mageren Zustand in dem Abgasstrom zu erzeugen, und um während des fetten Zustandes die Konzentration des mindestens einen Schwefel enthaltenden Verbundstoffes in dem Abgasstrom basierend auf der Ausgabe aus dem mindestens einen Sensor zu bestimmen, und um während des mageren Zustandes die Konzentration von NOx in dem Abgasstrom basierend auf der Ausgangsgröße aus dem mindestens einen Sensor zu bestimmen.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 bietet eine diagrammartige Darstellung einer Arbeitsmaschine gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
  • 2 bietet eine schematische Darstellung eines Systems zur Überwachung von Abgaskonzentrationen gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 veranschaulicht eine Arbeitsmaschine 10 gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel. Während die Arbeitsmaschine 10 als Lastwagen gezeigt ist, kann die Arbeitsmaschine 10 irgendeine Art einer Arbeitsmaschine aufweisen, was beispielsweise Bagger, Materialhandhabungsmaschinen, Baggerlader, Grader, Geländefahrzeuge, Traktoren und Rohrlegemaschinen mit einschließt. Wie veranschaulicht, kann die Arbeitsmaschine 10 einen Motor 12, ein Abgassystem 14 und ein System 16 zur Überwachung von Abgaskonzentrationen vom Motor 12 aufweisen. Das Abgassystem 14 kann einen Abgasdurchlass 18, einen NOx-Adsorptionskatalysator 20 und/oder einen Drei-Wege-Katalysator 22 aufweisen.
  • Der Motor 12 kann Leistung für die Arbeitsmaschine 10 vorsehen. Diese Leistung kann aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehen, die einen Abgasstrom erzeugen kann. Der Abgasstrom, der durch die Verbrennung im Motor 12 erzeugt wird, kann zum Abgassystem 14 geliefert werden. Die Konzentration der Chemikalien in dem Abgasstrom, der vom Motor 12 erzeugt wird, kann von dem System 16 überwacht werden, welches einen Sensor 24 (2) mit einer Empfindlichkeit sowohl für NOx als auch für Schwefel enthaltende Verbundstoffe aufweisen kann.
  • Der Motor 12 kann eine Anzahl von Betriebszuständen haben. Beispielsweise kann der Motor 12 mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Luft-Brennstoffdampf-Verhältnissen arbeiten. Das Verhältnis von Luft zu Brennstoffdampf im Motor 12 kann als ein Lambda-Wert ausgedrückt werden, der aus dem stöchiometrischen Luft-Brennstoffdampf-Verhältnis abgeleitet wird. Das stöchiometrische Luft-Brennstoffdampf-Verhältnis kann einem chemisch für eine auftretende Verbrennung korrektem Verhältnis entsprechen. Ein stöchiometrisches Luft-Brennstoffdampf-Verhältnis kann als Äquivalent mit einem Lambda-Wert von 1,0 angesehen werden.
  • Der Motor 12 kann bei nicht stöchiometrischen Luft-Brennstoffdampf-Verhältnissen arbeiten. Insbesondere wenn der Motor 12 ein höheres Niveau an Brennstoff hat als für die stöchiometrische Verbrennung benötigt, ist der Lambda-Wert geringer als 1,0 und man sagt, dass der Motor 12 in einem fetten Betriebszustand arbeitet. Wenn der Motor ein niedrigeres Niveau an Brennstoff hat, als für eine stöchiometrische Verbrennung benötigt wird, ist weiterhin der Lambda-Wert größer als 1,0, und man sagt, dass der Motor 12 in einem mageren Betriebszustand arbeitet.
  • Das Luft-Brennstoffdampf-Verhältnis des Motors 12 kann basierend auf einer Anzahl von erwünschten Leistungscharakteristiken ausgewählt werden. Beispielsweise kann das Luft-Brennstoffdampf-Verhältnis des Motors 12 ausgewählt werden, um den Brennstoffwirkungsgrad, die Leistungsausgabe und/oder die Emission von Verbrennungsnebenprodukten zu steuern. Ein magerer Betrieb kann einen verbesserten Brennstoffwirkungsgrad im Vergleich zu einem stöchiometrischen oder fetten Betrieb vorsehen. Jedoch kann ein magerer Betrieb das Niveau des NOx steigern, das vom Motor 12 erzeugt wird.
  • Zu anderen Zeiten kann der Motor 12 in einem fetten Betriebszustand betrieben werden. Ein fetter Betriebszustand kann niedrige NOx-Emissionen im Vergleich zu einem mageren oder stöchiometrischen Betrieb erzeugen. Weiterhin kann ein fetter Betrieb eine höhere Leistungsausgabe aus dem Motor 12 vorsehen. Jedoch kann ein fetter Betrieb des Motors 12 einen niedrigeren Brennstoffwirkungsgrad im Vergleich zu einem mageren oder stöchiometrischen Betrieb erzeugen.
  • 2 sieht eine schematische Darstellung eines beispielhaften Systems zur Überwachung von Abgaskonzentrationen vor. Wie in 2 veranschaulicht, kann das Abgassystem 14 einen Abgasdurchlass 18 aufweisen. Der Abgasdurchlass 18 kann konfiguriert sein, um einen Abgasstrom 28 aufzunehmen, der vom Motor 12 erzeugt wird. Der Abgasdurchlass 18 kann den Abgasstrom 28 vom Motor 12 durch eine Vielzahl von Untersystemen in der Arbeitsmaschine 10 leiten. Diese Untersysteme können Systeme zur gezwungenen Einleitung, Kühlungs/Heizungssysteme und/oder Emissionssteuersysteme aufweisen. Der Abgasdurchlass 18 kann strömungsmittelmäßig mit einem Auslassdurchlass 30 in Verbindung stehen, der konfiguriert ist, um den Abgasstrom aus der Arbeitsmaschine 10 auszustoßen. Zusätzlich kann eine Brennstoffversorgungsvorrichtung 32 konfiguriert sein, um Brennstoff oder andere Zusatzstoffe zum Abgasstrom 28 zu liefern.
  • Das Abgassystem 14 kann einen oder mehrere Filter oder Katalysatoren aufweisen. Diese Filter und Katalysatoren können dabei helfen, die Abgasemissionen zu steuern. Beispielsweise können die Filter oder Katalysatoren konfiguriert sein, um Emissionen von Chemikalien zu steuern, wie beispielsweise von NOx, Kohlenwasserstoffen und/oder Schwefel enthaltenden Verbundstoffen. Das Abgassystem 14 kann irgendeinen wünschenswerten Filter und/oder Katalysator aufweisen, die beispielsweise einen NOx-Adsorptionskatalysator 20, einen Drei-Wege-Katalysator 22, Oxidationskatalysatoren, Dieselpartikelfilter und/oder Systeme zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Systeme) aufweisen.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann das Abgassystem 14 einen NOx-Adsorptionskatalysator 20 aufweisen. Der NOx-Adsorptionskatalysator 20 kann dabei helfen, die NOx-Emissionen zu steuern, die vom Motor 12 erzeugt werden. Der NOx-Adsorptionskatalysator 20 kann irgendein Katalysatormaterial enthalten, welches Stickoxide auf seinen Außenflächen sammeln kann. Solche Katalysatormaterialien können beispielsweise Aluminium, Platin, Radium, Barium, Zer oder andere Alkali-Metalle, Alkali-Erden-Metalle oder Seltene-Erden-Metalle aufweisen. Die Katalysatormaterialen können innerhalb des NOx-Adsorptionskatalysators 20 gelegen sein, um den Oberflächenbereich zu maximieren, der für die NOx-Adsorption verfügbar ist. Solche Konfigurationen können beispielsweise eine Honeycomb- bzw. Honigwaben-Konfiguration, eine Gitterkonfiguration oder irgendeine andere Konfiguration aufweisen, die in der Technik bekannt ist. Die NOx-Adsorptionskatalysatoren können auch NOx-Fallen, NOx-Sorber oder NOx-Absorptionskatalysatoren genannt werden.
  • Der NOx-Adsorptionskatalysator 20 kann die NOx-Emissionen steuern, die während des mageren Betriebes des Motors 12 erzeugt werden. Während des mageren Betriebes kann der NOx-Adsorptionskatalysator 20 NOx binden, das vom Motor 12 erzeugt wird. Nachdem der NOx-Adsorptionskatalysator 20 eine vorbestimmte Menge von NOx gebunden hat, kann der NOx-Adsorptionskatalysator 20 einem fetten Abgas und/oder einem Reduktionsmittel ausgesetzt werden. Das fette Abgas und/oder das Reduktionsmittel können eine Umwandlung des gebundenen NOx in andere Chemikalien erleichtern, wie beispielsweise in Stickstoffgas und Wasser.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann das Abgassystem 14 auch einen Drei-Wege-Katalysator 22 aufweisen. Der Drei-Wege-Katalysator 22 kann die Emissionen von Kohlenmonoxid (CO), von flüchtigen organischen Verbundstoffen (VOCs = volatile organic compounds) und/oder NOx steuern. Der Drei-Wege-Katalysator 22 kann ein oder mehrere Katalysatormaterialien aufweisen, beispielsweise Platin, Palladium und/oder Rhodium. Diese Materialien können die Umwandlung von Kohlenmonoxid, flüchtigen organischen Ver bundstoffen und/oder NOx in andere Chemikalien erleichtern, wie beispielsweise in Kohlendioxid, Wasser und/oder Stickstoffgas.
  • Der NOx-Adsorptionskatalysator 20 und der Drei-Wege-Katalysator 22 können auch eine Anzahl von Schwefel enthaltenden Verbrennungsnebenprodukten binden, die vom Motor 12 erzeugt werden. Beispielsweise kann der Motor 12 einen oder mehrere Schwefel enthaltende Verbundstoffe erzeugen, die Schwefeldioxid (SO2), Schwefeltrioxid (SO3), Wasserstoffsulfid (H2S) und/oder Carbonylsulfid (COS) aufweisen. Diese Schwefel enthaltenden Verbundstoffe können an dem NOx-Adsorptionskatalysator 20 und/oder dem Drei-Wege-Katalysator 22 abgelagert werden und sich an diese binden. Mit der Zeit können diese Schwefel enthaltenden Verbundstoffe die Emissionssteuerungsfähigkeiten des NOx-Adsorptionskatalysators 20 und/oder des Drei-Wege-Katalysators 22 beeinflussen. Um die Leistung des NOx-Adsorptionskatalysators 20, des Drei-Wege-Katalysators 22 und/oder andere Komponenten des Abgassystems 14 aufrecht zu erhalten, können die Schwefel enthaltenden Verbundstoffe periodisch aus den Komponenten des Abgassystems 14 entfernt werden.
  • Eine Anzahl von Entschwefelungsprozessen kann verwendet werden, um die Schwefel enthaltenden Verbundstoffe aus dem NOx-Adsorptionskatalysator 20 und/oder dem Drei-Wege-Katalysator 22 zu entfernen. Ein solcher Entschwefelungsprozess kann aufweisen, fette Bedingungen in einem Abgasstrom 28 innerhalb des Abgassystems 14 zu erzeugen. Fette Abgasbedingungen können die Abgabe von Schwefel enthaltenden Verbundstoffen aus dem NOx-Adsorptionskatalysator 20, dem Drei-Wege-Katalysator 22 und/oder den anderen Komponenten des Abgassystems 14 erleichtern. Während der Entschwefelung kann die Abgabe der früher eingefangenen Schwefel enthaltenden Verbundstoffe bewirken, dass die Konzentration von einem oder mehreren Schwefel enthaltenden Verbundstoffen in dem Abgassystem 14 zunimmt.
  • Entschwefelungsprozesse können auch eine Aufheizung von einer oder mehreren Komponenten des Abgassystems 14 aufweisen. Die Aufheizung kann erreicht werden durch Betrieb des Motors 12 mit höheren Temperaturen als normal, oder durch direkte Aufheizung des NOx-Adsorptionskatalysators 20 und/oder des Drei-Wege-Katalysators 22. Beispielsweise können der NOx-Adsorptionskatalysator 20 und/oder der Drei-Wege-Katalysator 22 unter Verwendung von elektrischen Heizungen aufgeheizt werden, die an dem NOx-Adsorptionskatalysator 20 und/oder dem Drei-Wege-Katalysator 22 angeordnet sind, oder nahe diesen angeordnet sind.
  • Wiederum mit Bezug auf 2 kann das System 16 den Sensor 24 und eine Steuervorrichtung 26 aufweisen. Der Sensor 24 kann konfiguriert sein, um einen oder mehrere chemische Verbundstoffe in dem Abgasstrom 28 innerhalb des Abgassystems 14 zu detektieren. Die Steuervorrichtung 26 kann konfiguriert sein, um das Luft-Brennstoffdampf-Verhältnis in dem Abgasstrom 28 zu steuern.
  • Der Sensor 24 kann konfiguriert sein, um eine Vielzahl von Chemikalien in dem Abgasstrom 28 zu detektieren. Beispielsweise kann der Sensor 24 konfiguriert sein, um NOx, Schwefel enthaltenden Verbundstoffe, Kohlenmonoxid (CO) und/oder Wasser zu detektieren. In einem Ausführungsbeispiel kann der Sensor 24 konfiguriert sein, um sowohl NOx als auch mindestens einen Schwefel enthaltenden Verbundstoff in dem Abgasstrom 28 zu detektieren. Die Schwefel enthaltenden Verbundstoffe können SO2, SO3, H2S und/oder COS aufweisen.
  • Der Sensor 24 kann an einer Anzahl von unterschiedlichen Stellen gelegen sein und kann in Strömungsmittelverbindung mit mindestens einem Teil des Abgasstroms 28 sein. In einem Ausführungsbeispiel kann der Sensor 24 stromabwärts des NOx-Adsorptionskatalysators 20 und/oder des Drei-Wege-Katalysators 22 angeordnet sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Sensor 24 fähig sein, Chemikalien zu detektieren, die aus dem NOx-Adsorptionskatalysator 20 und/oder dem Drei-Wege-Katalysator 22 abgegeben werden, die einen oder mehrere Schwefel enthaltende Verbundstoffe aufweisen.
  • Der Sensor 24 kann konfiguriert sein, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die die Konzentration von sowohl NOx als auch mindestens einem Schwefel enthaltenden Verbundstoff in dem Abgasstrom 28 anzeigt. Beispielsweise kann der Sensor 24 eine Spannung oder einen Strom erzeugen, die die Konzentration von sowohl NOx als auch von einem oder mehreren Schwefel enthaltenden Verbundstoffen anzeigen kann. Die Spannung oder der Strom können gemessen werden, um die Konzentration von sowohl NOx als auch einem oder mehreren Schwefel enthaltenden Verbundstoffen in dem Abgasstrom 28 zu bestimmen, die SO2, SO3, H2S und/oder COS aufweisen.
  • Unter manchen Bedingungen kann der Abgasstrom 28 eine hohe Konzentration von NOx im Vergleich zu der Konzentration der Schwefel enthaltenden Verbundstoffe enthalten. Beispielsweise kann der Motor 12 während eines mageren Betriebes des Motors 12 ein hohes Niveau an NOx erzeugen, und zwar im Vergleich zu einem fetten oder stöchiometrischen Betrieb des Motors 12. Außer wenn das NOx, das durch den mageren Betrieb des Motors 12 erzeugt wird, durch eine stromabwärts liegende Anreicherung und/oder katalytische Entfernung von NOx entfernt wird, kann ein magerer Betrieb des Motors 12 einen mageren NOx enthaltenden Abgasstrom 28 erzeugen. Weiterhin kann der Motor 12 auch einen oder mehrere Schwefel enthaltende Verbundstoffe während des mageren Betriebes erzeugen. Die Konzentration der Schwefel enthaltenden Verbundstoffe in dem Abgasstrom 28 während des mageren Betriebes kann jedoch klein im Vergleich zur Konzentration des NOx in dem Abgasstrom 28 sein. Somit kann während des mageren Betriebes die Ausgangsgröße aus dem Sensor 24, der sowohl für NOx als auch für Schwefel enthaltende Verbundstoffe empfindlich sein kann, verwendet werden, um die Konzentration von NOx in dem Abgasstrom 28 zu bestimmen.
  • Unter anderen Bedingungen kann die Konzentration der Schwefel enthaltenden Verbundstoffe in dem Abgasstrom 28 hoch im Vergleich zur Konzentration von NOx sein. Beispielsweise kann der Motor 12 während eines fetten Betriebes ein niedriges Niveau von NOx im Vergleich zu einem mageren oder stöchiometrischen Betrieb des Motors 12 erzeugen. Weiterhin können fette Abgasbedingungen, die durch einen fetten Motorbetrieb oder durch eine Anreicherung des Abgasstroms 28 stromabwärts des Motors 12 erzeugt werden können, die Abgabe von einem oder mehreren Schwefel enthaltenden Verbundstoffen in den Abgasstrom 28 aus dem NOx-Adsorptionskatalysator 20 und/oder dem Drei-Wege-Katalysator 22 erleichtern. Die Schwefel enthaltenden Verbundstoffe, die in den Abgasdurchlass 18 unter fetten Abgasstrombedingungen abgegeben werden können, können eine hohe Konzentration von Schwefel enthaltenden Verbundstoffen im Vergleich zur Konzentration von NOx zur Folge haben. Somit kann unter fetten Bedingungen des Abgasstroms die Ausgangsgröße aus dem Sensor 24 verwendet werden, um die Konzentration von Schwefel enthaltenden Verbundstoffen in dem Abgasstrom 28 zu bestimmen.
  • Die Steuervorrichtung 26 kann konfiguriert sein, um eine Anzahl von Charakteristiken des Abgasstroms 28 zu überwachen und/oder zu steuern. Die Steuervorrichtung 26 kann beispielsweise eine elektronische Steuereinheit (ECU = electronic control unit) der Arbeitsmaschine 10 aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuervorrichtung 26 einen oder mehrere mechanisch oder chemisch aktivierte Sensoren und/oder Betätigungsvorrichtungen aufweisen.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 26 eine Anzahl von betrieblichen Funktionen, Instandhaltungsfunktionen und/oder Diagnosefunktionen haben. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 26 Luft-Brennstoffdampf-Verhältnisse und/oder eine Leistungsausgabe festlegen. Die Steuervorrichtung 26 kann auch eine Anzahl von Motorbetriebscharakteristiken überwachen, wie beispielsweise den Brennstoffwirkungsgrad und/oder Emissionsniveaus. Die Steuervorrichtung 26 kann Motorbetriebsparameter und Abgasstrombedingungen zur Steuerung dieser Charakteristiken variieren.
  • Die Steuervorrichtung 26 kann konfiguriert sein, um zwei oder mehr Abgasstrombedingungen auszuwählen. Diese Abgasstrombedingungen können einen fetten Zustand und einen mageren Zustand aufweisen. Diese Abgas strombedingung kann basierend auf erwünschten Betriebscharakteristiken der Arbeitsmaschine 10 ausgewählt werden, oder um verschiedene Diagnose- und/oder Instandhaltungsverfahren zu erleichtern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 26 während des normalen Betriebes einen mageren Zustand auswählen, der den Brennstoffwirkungsgrad im Vergleich zu fetten Bedingungen verbessern kann. Alternativ kann die Steuervorrichtung 26 einen fetten Zustand auswählen, um eine Abgassystementschwefelung zu erleichtern. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 26 einen fetten oder mageren Zustand auswählen, um eine selektive Messung der Konzentration von NOx und einem oder mehreren Schwefel enthaltenden Verbundstoffen in dem Abgasstrom 28 zu erleichtern.
  • Fette Abgasstrombedingungen können auf eine Anzahl von Arten erzeugt werden. In einem Ausführungsbeispiel können die fetten Abgasstrombedingungen durch Betrieb des Motors 12 mit einem fetten Luft-Brennstoffdampf-Verhältnis erzeugt werden. Die Steuervorrichtung 26 kann das Luft-Brennstoffdampf-Verhältnis innerhalb eines oder mehrerer Zylinder des Motors 12 steuern, um eine fette Abgasstrombedingung zu erzeugen.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine fette Abgasstrombedingung erzeugt werden durch Lieferung von einem oder mehreren Zusatzstoffen zu dem Abgasstrom 28. Die Zusatzstoffe können Dieselbrennstoff, Benzin, Reduktionsmittel und/oder Verbrennungsnebenprodukte aufweisen. Die Steuervorrichtung 26 kann die Rate auswählen, mit der die Additive zum Abgasstrom 28 geliefert werden, und zwar basierend auf erwünschten Abgasstromcharakteristiken. Beispielsweise kann die Rate ausgewählt werden, um die Abgasemissionen, den Brennstoffwirkungsgrad und/oder die Entschwefelungsrate des Abgassystems zu steuern.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann Brennstoff zum Abgasstrom 28 durch eine Brennstoffversorgungsvorrichtung 32 geliefert werden. Die Brennstoffversorgungsvorrichtung 32 kann strömungsmittelmäßig mit dem Abgasdurchlass 18 verbunden sein. Weiterhin kann die Brennstoffversorgungsvorrichtung 32 di rekt Brennstoff in den Abgasdurchlass 18 einspritzen, und sie kann an einer oder mehreren unterschiedlichen Stellen mit Bezug zum Abgasdurchlass 18 positioniert sein. In einem Ausführungsbeispiel kann die Brennstoffversorgungsvorrichtung 32 stromabwärts des Motors 12 und stromaufwärts des NOx-Adsorptionskatalysators 20 angeordnet sein.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Brennstoffversorgungsvorrichtung 32 konfiguriert sein, um den Brennstoff zu verändern, bevor der Brennstoff in den Abgasdurchlass 18 geliefert wird. Beispielsweise kann die Brennstoffversorgungsvorrichtung 32 konfiguriert sein, um zumindest eine teilweise Verbrennung des Dieselbrennstoffes zu bewirken, und die Verbrennungsnebenprodukte in den Abgasdurchlass 18 abzugeben. Weiterhin kann die Brennstoffversorgungsvorrichtung 32 konfiguriert sein, um Brennstoff zum Abgasdurchlass 18 stromaufwärts eines Oxidationskatalysators zu liefern, so dass der Brennstoff und andere Komponenten des Abgasstroms 28 zumindest teilweise oxidiert werden, bevor sie den NOx-Absorptionskatalysator 20 erreichen.
  • Die Steuervorrichtung 26 kann konfiguriert sein, um die Konzentration von NOx und/oder Schwefel enthaltenden Verbundstoffen in dem Abgasstrom 28 basierend auf einer Ausgangsgröße aus dem Sensor 24 zu bestimmen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 26 konfiguriert sein, um eine magere Abgasstrombedingung auszuwählen, und die Konzentration von NOx basierend auf der Ausgangsgröße des Sensors 24 während des mageren Abgasstromzustandes zu bestimmen. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 26 konfiguriert sein, um eine fette Abgasstrombedingung auszuwählen und die Konzentration von mindestens einem Schwefel enthaltenden Verbundstoff basierend auf der Ausgangsgröße des Sensors 24 während des fetten Abgasstromzustandes zu bestimmen.
  • Die Steuervorrichtung 26 kann auch konfiguriert sein, um zu bestimmen, ob eine Abgassystementschwefelung benötigt wird oder nicht, und zwar basierend auf einer Ausgangsgröße aus dem Sensor 24 während eines fetten Ab gasstromzustandes. Die Ausgangsgröße des Sensors 24 während der Erzeugung von fetten Abgasstrombedingungen kann die Konzentration von einem oder mehreren Schwefel enthaltenden Verbundstoffen in dem Abgasstrom 28 anzeigen. Eine Konzentration von einem oder mehreren Schwefel enthaltenden Verbundstoffen, die ein vorbestimmtes Niveau erfüllt oder überschreitet, kann anzeigen, dass das Abgassystem 14 ein gewisses Niveau einer Schwefelverunreinigung enthält. Die Motorsteuervorrichtung 26 kann konfiguriert sein, um den fetten Zustand aufrecht zu erhalten, bis die Ausgangsgröße aus dem Sensor 24 unter ein vorbestimmtes Niveau fällt, was anzeigt, dass die Entschwefelung adäquat ausgeführt worden ist. Wenn weiterhin die Ausgangsgröße aus dem Sensor 24 unter einem vorbestimmten Niveau ist, kann die Motorsteuervorrichtung 26 wieder einen mageren Abgasstromzustand erzeugen.
  • Die Steuervorrichtung 26 kann periodisch einen Abgasstromzustand basierend auf vorbestimmten Zeitintervallen oder Motorbetriebscharakteristiken auswählen und erzeugen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 26 in einem Ausführungsbeispiel einen mageren Abgasstromzustand als einen voreingestellten Zustand auswählen. Die Steuervorrichtung 26 kann periodisch von dem voreingestellten mageren Zustand auf einen fetten Zustand umschalten. Die periodische Auswahl eines fetten Zustandes kann auf einer Anzahl von Kriterien basieren. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 26 in einem Ausführungsbeispiel einen fetten Zustand auswählen, um ein Niveau der Schwefelverunreinigung eines Abgassystems zu bewerten und/oder eine Entschwefelung des Abgassystems vorzusehen.
  • Im Betrieb kann die Steuervorrichtung 26 eine fette Bedingung in dem Abgasstrom 28 basierend auf Abgaskonzentrationen in dem Abgasstrom 28 auswählen und erzeugen. Beispielsweise kann eine übermäßige Schwefelverunreinigung die NOx-Adsorptionskapazität des NOx-Adsorptionskatalysators 20 verschlechtern. Die verschlechterte NOx-Adsorptionskapazität des NOx-Adsorptionskatalysators 20 kann gesteigerte NOx-Konzentrationen in dem Abgasstrom 28 erzeugen. Daher kann die Steuervorrichtung 26 in einem Aus führungsbeispiel eine magere Bedingung als eine voreingestellte Bedingung festlegen, und wenn die NOx-Konzentrationen in dem Abgasstrom 28 ein vorbestimmtes Niveau erfüllen oder überschreiten, kann die Steuervorrichtung 26 bestimmen, dass eine Entschwefelung benötigt werden kann, und kann einen fetten Abgasstromzustand auswählen und einleiten.
  • Die Einleitung einer fetten Bedingung kann eine transiente Abgabe von NOx und/oder anderen Chemikalien in den Abgasstrom 28 verursachen, was die Genauigkeit des Sensors 24 beeinflussen kann. Daher kann die Steuervorrichtung 26 in gewissen Ausführungsbeispielen konfiguriert sein, um eine vorbestimmte Zeitperiode nach der Einleitung eines fetten Zustandes zu warten, bevor die Konzentration von einem oder mehreren Schwefel enthaltenden Verbundstoffen bestimmt wird. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 26 konfiguriert sein, zwischen ungefähr 5 Sekunden und einer Minute nach der Initialisierung eines fetten Zustandes zu warten, bevor sie die Konzentration von mindestens einem Schwefel enthaltenden Verbundstoff in dem Abgasstrom 28 bestimmt.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Offenbarung sieht ein System zur Überwachung von NOx-Konzentrationen und Schwefelkonzentrationen in den Abgasströmen eines Verbrennungsmotors oder von irgendeiner anderen Art einer Abgas erzeugenden Vorrichtung vor. Das System kann bei irgendeiner Art von Arbeitsmaschine verwendet werden, die NOx und/oder Schwefel enthaltende Verbundstoffe erzeugt.
  • Das System 16 der vorliegenden Offenbarung weist einen einzigen Sensor 24 zur Messung von Konzentrationen von sowohl NOx als auch Schwefel enthaltenden Verbundstoffen in einem Motorabgasstrom 28 auf. Der Sensor 24 kann sowohl für NOx als auch für einen oder mehrere Schwefel enthaltende Verbundstoffe empfindlich sein, und daher kann das System 16 Konzentrationsinformationen sowohl für NOx als auch für Schwefel enthaltende Verbundstoffe ohne die Notwendigkeit von mehreren Sensoren liefern. Das System 16, welches den Sensor 24 aufweist, kann die Anzahl der Teile reduzieren, die benötigt werden, um die Abgasemissionen zu überwachen, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems verbessert wird und die Kosten reduziert werden. Es sei bemerkt, dass während ein Sensor 24 ausreicht, um Konzentrationsinformationen sowohl von NOx als auch von Schwefel enthaltenden Stoffen zu bestimmen, das System 16 irgendeine Anzahl von Sensoren 24 aufweisen kann. Beispielsweise können mehrere Sensoren 24 an verschiedenen Stellen in dem Abgassystem 14 verteilt sein, um die NOx- und Schwefelkonzentrationen an unterschiedlichen Stellen in dem Abgassystem 14 zu bestimmen.
  • Das System 16 der vorliegenden Offenbarung kann eine verbesserte Emissionssteuerung und einen verbesserten Brennstoffwirkungsgrad für die Arbeitsmaschine 10 vorsehen. Das System 16 kann NOx-Emissionsniveaus und eine Abgassystemschwefelverunreinigung überwachen, um zu bestimmen, ob eine Abgassystementschwefelung nötig ist. Durch genaue Überwachung der Schwefelverunreinigung des Abgassystems und durch eine Entschwefelung, nur dann wenn es nötig ist, kann das System der vorliegenden Offenbarung die Zeit reduzieren, die in ineffizienten Entschwefelungsbetriebszuständen verbracht wird, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Motors verbessert wird und eine Deaktivierung des Katalysators aufgrund von einer Hochtemperaturentschwefelung verhindert wird.
  • Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an den offenbarten Systemen und Verfahren vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der offenbarten Systeme und Verfahren werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen Ausführung der hier offenbarten Ausführungsbeispiele offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims (10)

  1. System (16) zur Überwachung von Abgaskonzentrationen in einem Abgasstrom (28) von einem Motor (12), welches Folgendes aufweist: ein Abgassystem (14), das konfiguriert ist, um den Abgasstrom vom Motor zu leiten; mindestens einen Sensor (24) in Verbindung mit dem Abgasstrom, der konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die eine Konzentration von NOx und eine Konzentration von mindestens einem Schwefel enthaltenden Verbundstoff in dem Abgasstrom anzeigt; und eine Steuervorrichtung (26), die konfiguriert ist, um selektiv eine fette Bedingung oder eine magere Bedingung in dem Abgasstrom zu erzeugen; während der fetten Bedingung die Konzentration des mindestens einen Schwefel enthaltenden Verbundstoffes in dem Abgasstrom basierend auf der Ausgangsgröße von dem mindestens einen Sensor zu bestimmen; und während der mageren Bedingung die Konzentration von NOx in dem Abgasstrom basierend auf der Ausgangsgröße von dem mindestens einen Sensor zu bestimmen.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist, um zu bestimmen, ob die Ausgangsgröße aus dem mindestens einen Sensor während der fetten Bedingung ein vorbestimmtes Niveau erreicht oder überschreitet; und die fette Bedingung so lange zu halten, wie die Ausgangsgröße aus dem mindestens einen Sensor während der fetten Bedingung das vorbestimmte Niveau erfüllt oder überschreitet.
  3. System nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist, um eine vorbestimmte Zeitperiode nach der Einleitung der fet ten Bedingung zu warten, bevor die Konzentration des mindestens einen Schwefel enthaltenden Verbundstoffes bestimmt wird.
  4. System nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Schwefel enthaltende Verbundstoff Schwefeldioxid und/oder Schwefeltrioxid und/oder Carbonylsulfid und/oder Wasserstoffsulfid aufweist.
  5. System nach Anspruch 1, welches weiter einen NOx-Adsorptionskatalysator (20) aufweist, wobei der mindestens eine Sensor stromabwärts des NOx-Adsorptionskatalysators angeordnet ist.
  6. Verfahren zur Überwachung von Abgaskonzentrationen in einem Abgasstrom (28) eines Motors (12), welches Folgendes aufweist: Erzeugung einer fetten Bedingung in dem Abgasstrom; Überwachung einer Ausgangsgröße eines Sensors (24) in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasstrom; Bestimmung einer Konzentration von mindestens einem Schwefel enthaltenden Verbundstoff des Abgasstroms während der fetten Bedingung basierend auf der Ausgangsgröße aus dem Sensor während der fetten Bedingung; Erzeugung einer mageren Bedingung in dem Abgasstrom; und Bestimmung einer Konzentration von NOx in dem Abgasstrom während der mageren Bedingung basierend auf der Ausgangsgröße des Sensors während der mageren Bedingung.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, welches weiter Folgendes aufweist: Bestimmung, ob die Ausgangsgröße aus dem mindestens einen Sensor während der fetten Bedingung ein vorbestimmtes Niveau erreicht oder überschreitet; und Halten der fetten Bedingung so lange, wie die Ausgangsgröße aus dem mindestens einen Sensor während der fetten Bedingung das vorbestimmte Niveau erreicht oder überschreitet.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, welches weiter aufweist, die fette Bedingung für eine vorbestimmte Zeitperiode aufrecht zu erhalten, bevor die Konzentration des mindestens einen Schwefel enthaltenden Verbundstoffes bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Schwefel enthaltende Verbundstoff Schwefeldioxid und/oder Schwefeltrioxid und/oder Carbonylsulfid und/oder Wasserstoffsulfid aufweist.
  10. Arbeitsmaschine (10), die das System (16) nach einem der Ansprüche 1–5 aufweist.
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