DE102007009824A1 - System und Verfahren zum Erfassen von Reduktionsmittelspeicherung - Google Patents

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David John Kubinski
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Abstract

Ein System mit einem Katalysator, der auf einem in einem Motorabgas angeordneten Substrat gelagert ist, einem in einem Unterbereich des Substrats eingebetteten Heizelement zum Erhitzen eines lokalen Bereichs des Katalysators und einer in dem lokalen Unterbereich des Substrats des Katalysators angeschlossenen Elektrode. Der Katalysator mindert NOx-Emissionen durch Reagieren desselben mit einem Reduktionsmittel wie Ammoniak. Die an dem Katalysator gespeicherte Ammoniakmenge kann durch Leitfähigkeitsmessungen in dem lokal erhitzten Abschnitt des beschriebenen Systems ermittelt und gesteuert werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung beansprucht Priorität aus der vorläufigen U.S. Patentanmeldung Nr. 60/743,401, eingereicht am 3. März 2006, deren gesamter Inhalt hierin aufgenommen wird.
  • Gebiet
  • Diese vorliegende Anmeldung betrifft einen Betrieb einer Schadstoffbegrenzungsanlage, bei dem eine in einem SCR-Katalysator gespeicherte Ammoniakmenge ermittelt und gesteuert wird, um Emissionen zu senken und Motorleistung zu verbessern.
  • Hintergrund und Kurzdarlegung
  • Die Reduktion von NOx-Emissionen von Dieselfahrzeugen ist erwünscht. Ein Ansatz nutzt eine Abgasnachbehandlungsanlage mit Harnstoff-SCR-Katalysator (selektive katalytische Reduktion, vom engl. selective catalytic reduction). Bei dem auf Harnstoff basierenden SCR-Katalysator reagiert ein Reduktionsmittel, beispielsweise NH3 (zum Beispiel aus der Einspritzung wässrigen Harnstoffs gebildet), selektiv mit NOx, wobei die Produkte N2 und H2O sind.
  • Bei einem Ansatz versucht ein Steuersystem, eine an der Harnstoff-SCR-Anlage gespeicherte Menge an Reduktionsmittel zu steuern, um ausreichend Reduktionsmittel für NOx-Reaktion vorzusehen, während jedoch das emittierte Reduktionsmittel verringert wird. Zum Beispiel kann ein Modell verwendet werden, um die NH3-Speicherung in dem Katalysator anhand verschiedener Betriebsparameter vorherzusagen, die Abgassensoren umfassen können. Um Modellierungsfehler zu mindern, die beispielsweise auf Änderungen des NH3-Speichervermögens des Katalysators zurückzuführen sind, kann ein Ammoniaksensor stromabwärts des Katalysators verwendet werden.
  • U.S. Patent Nr. 6,240,722 beschreibt einen beispielhaften Ansatz, bei dem ein Sensor die NH3-Speicherwerte des SCR-Katalysators anzeigt. Im Einzelnen wird die Fülle eines Reagensmittels an einem Katalysator durch Messen einer physikalischen Eigenschaft, die sich mit Gasspeicherung ändert, ermittelt. Die NH3-Speicherung an einem SCR-Katalysator kann zum Beispiel durch Messen der Änderung der Impedanz eines Teils des Katalysators aufgrund von Änderungen der NH3-Speicherung ermittelt werden.
  • Die vorliegenden Erfinder haben einen Nachteil bei einem solchen Ansatz ausgemacht. Abhängig von den Betriebsbedingungen ist die Änderung der Impedanz zum Beispiel eventuell nicht signifikant oder detektierbar, und somit kann die Genauigkeit gemindert sein.
    •
  • Um mindestens einige der obigen Punkte anzugehen, kann ein System oder Verfahren verwendet werden, bei dem das Katalysatormaterial selbst verwendet werden kann, wobei die Leitfähigkeit eines Teils des Katalysatormaterials mit einer Menge gespeicherten Reduktionsmittels, beispielsweise einer an dem Katalysatorabschnitt gespeicherten NH3-Menge, korreliert werden kann. In einer bestimmten Ausführung kann ein Verfahren verwendet werden, bei dem die Leitfähigkeit über einer zum Desorbieren (oder Oxidieren) gespeicherten Reduktionsmittels ausreichenden Temperaturänderung überwacht werden kann. Daher kann die sich ergebende Änderung der Leitfähigkeit bei Erhitzen des Katalysatormaterials mit einem Reduktionsmittelbeladungsbetrag (z.B. mittels eines gemessenen elektrischen Stroms) korreliert werden. Die Temperaturänderung kann wiederholt bei einer Häufigkeit induziert werden, um ausreichend Informationen für aktualisierte Schätzungen von Reduktionsmittelspeicherung vorzusehen und eine Anpassung des eingespritzten Reduktionsmittels vorzusehen. Ferner können verschiedene zusätzliche Faktoren beim Korrelieren der Leitfähigkeit an die Reduktionsmittelbeladung berücksichtigt werden, beispielsweise die Speicherdauer, Reduktionsmittelkonzentration und Abgastemperatur. In einer anderen Ausführung können mehrere Sensoren an einer Vielzahl von Stellen entlang einer Abgasströmrichtung (z.B. Länge) des Katalysators verwendet werden, um eine präzisere Steuerung von Reduktionsmitteleinspritzung vorzusehen, sowie für Katalysatordiagnostik etc. In einer noch anderen Ausführung können die erfassten Reduktionsmittelspeicherinformationen zum Anpassen der Reduktionsmitteleinspritzung verwendet werden.
  • In einer bestimmten Ausführung kann ein System Elektroden, die in einer NH3-Speicherschicht eines SCR-Katalysators eingebettet sind, zusammen mit einem eingebetteten Heizelement einsetzen, das zum Desorbieren von in dem Katalysator in der Nähe des Heizelements gespeicherten Ammoniak bei ausgewählten Bedingungen verwendet wird. Das System kann auch die Temperatur des Katalysatormaterials zwischen den Elektroden und in der Nähe des Heizelements ermitteln. Im Einzelnen ermöglicht das eingebettete Heizelement ein Erhitzen eines Abschnitts des Katalysatorsubstrats auf eine höhere Temperatur als das umgebende oder benachbarte Substrat, wodurch das in dem erhitzten Abschnitt gespeicherte NH3 freigesetzt wird. Die sich bei Erhitzen ergebende Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des erhitzten Abschnitts kann dann mit einer Gesamtammoniakbeladung am SCR-Katalysator korreliert werden. Somit können Informationen über die NH3-Speicherwerte vor dem Erhitzen erhalten werden und das Gesamtammoniakspeichervermögen des Katalysators kann gefolgert werden.
  • Ein Vorteil eines solchen Ansatzes ist, dass durch Erhitzen eines Abschnitts des Katalysators und Desorbieren eines Teils oder des gesamten gespeicherten Ammoniaks aus diesem Abschnitt ein höheres und genaueres Signal erzeugt werden kann.
    •
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1 zeigt eine beispielhafte Motoranlage.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Abgasanlage.
  • 3 zeigt eine beispielhafte Sensorkonfiguration.
  • 4 zeigt beispielhafte Testdaten.
  • 5–6 sind Übersichtsflussdiagramme eines beispielhaften Betriebs.
  • Eingehende Beschreibung
  • 1 zeigt einen beispielhaften Verbrennungsmotor 10, der mehrere Brennräume umfasst, wovon nur einer gezeigt wird. Der Motor 10 kann durch ein elektronisches Steuergerät 12 gesteuert werden. In einem Beispiel kann der Motor 10 ein so genannter Direkteinspritzdieselmotor mit Speichereinspritzung (so genanntes Common Rail) sein.
  • Der Brennraum 30 des Motors 10 umfasst Brennraumwände 32 mit einem darin positionierten und mit einer Kurbelwelle 40 verbundenen Kolben 36. Der Brennraum 30 wird mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Abgaskrümmer 48 mittels eines Einlassventils 52 und eines Auslassventils 54 in Verbindung stehend gezeigt. Während dieses Beispiel ein einzelnes Einlass- und Auslassventil zeigt, können ein oder mehrere Zylinder mehrere Einlass- und/oder Auslassventile umfassen.
  • Ein Einspritzventil 66 wird direkt mit dem Brennraum 30 zum Zuführen von flüssigem Kraftstoff darin proportional zur Impulsbreite des von dem Steuergerät 12 mittels eines elektronischen Treibers 68 empfangenen Signals fpw des Steuergeräts 12 gekoppelt gezeigt. Kraftstoff kann der (nicht dargestellten) Kraftstoffanlage, die einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und ein (nicht dargestelltes) Verteilerrohr umfasst, zugeführt werden. In manchen Ausführungen kann der Motor 10 mehrere Brennräume umfassen, die jeweils mehrere Einlass- und/oder Auslassventile aufweisen.
  • Der Ansaugkrümmer 42 kann eine Drossel 62 mit einer Drosselklappe 64 aufweisen. In diesem bestimmten Beispiel kann die Stellung der Drosselklappe 64 durch das Steuergerät 12 mittels eines Signals verändert werden, das einem mit der Drossel 62 integrierten Elektromotor oder Aktor geliefert wird, eine Konfiguration, die häufig als elektronische Drosselsteuerung (ETC, engl. Electronic Throttle Control) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Drossel 62 betrieben werden, um die unter anderen Motorzylindern dem Brennraum 30 gelieferte Ansaugluft zu verändern. Die Stellung der Drosselklappe 64 kann dem Steuergerät 12 durch ein Drosselstellungssignal TP geliefert werden. Der Ansaugkrümmer 42 kann auch einen Luftmengenmesser 120 und einen Krümmerdrucksensor 122 zum Liefern jeweiliger Signale MAF und MAP zum Steuergerät 12 umfassen.
  • Der Katalysator 70 wird mit dem Abgaskrümmer 48 in Verbindung stehend gezeigt. In manchen Ausführungen kann der Katalysator 70 ein Dieseloxidationskatalysator sein. Eine Schadstoffbegrenzungsanlage 72 wird stromabwärts des Katalysators 70 gezeigt. Die Schadstoffbegrenzungsanlage 72 kann eine Reduktionsmittelspeichervorrichtung 74 und eine Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 76 umfassen. Ferner kann die Reduktionsmittelspeichervorrichtung 74 einem in die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 76 eindringenden Abgasstrom ein Reduktionsmittel zuführen. Das Reduktionsmittel kann Ammoniak, Harnstoff und/oder verschiedene andere Reduktionsmittel wie Kohlenwasserstoffe, Dieselkraftstoff, etc. umfassen. Zwar wird dies nicht gezeigt, doch kann stromabwärts der Vorrichtung 76 auch ein Partikelfilter angeschlossen sein.
  • In einer Ausführung kann die Vorrichtung 76 einen SCR-Katalysator umfassen, wobei der Katalysator porös sein kann. Der SCR-Katalysator kann so ausgelegt sein, dass er zwischen 200°C und 350°C am effektivsten arbeitet, und kann einen Teil des eingespritzten Reduktionsmittels wie NH3 speichern. Bei einem beispielhaften Ansatz können die Mengen des in das Abgas (mittels Harnstoff) eingespritzten NH3 angepasst werden, um in etwa die NOx-Emissionswerte des Motors über einen spezifischen Zeitintervall anzupassen, wobei die Menge des an dem Katalysator gespeicherten NH3 und die Verteilung der Speicherung im Katalysator (z.B. die Verteilung von Speicherwerten entlang der Länge des Katalysators) berücksichtigt wird. Ein solcher Ansatz kann zum Reduzieren von Untereinspritzung und Übereinspritzung von Harnstoff verwendet werden, wie hierin erörtert wird. Im Einzelnen kann Untereinspritzung von Harnstoff zu einer niedrigeren Umwandlungsrate führen, was zu höheren NOx-Emissionen am Endrohr führt, während ein mit einer geeigneten Menge an NH3 beladener Katalysator eine hohe NOx-Umwandlungsrate ergeben kann. Eine Übereinspritzung von Harnstoff kann dagegen auch die Leistung beeinträchtigen, da es zu erhöhten NH3-Emissionen führen kann (was auch als NH3-Schlupf bezeichnet werden kann).
  • Durch Berücksichtigen von Reduktionsmittelspeicherung ist es möglich, die ungewollte Freisetzung von Reduktionsmittel aufgrund hoher Temperaturausschläge anzugehen. Bei höheren Abgastemperaturen (nahe 350°C und darüber) kann zum Beispiel das Vermögen zum Speichern von NH3 an dem SCR-Katalysator verringert sein. Bei den in einem typischen Fahrzyklus erwarteten Ausschlägen hin zu hohen Abgastemperaturen kann an dem SCR-Katalysator „gespeichertes" NH3 freigesetzt werden, was zu vermehrten NH3-Emissionen führt. Dies kann ferner zu niedrigerer NOx-Umwandlung führen, da die Dichte von gespeichertem NO3 reduziert sein kann.
  • Um eine präzisere Steuerung von Reduktionsmitteleinspritzung und/oder Abgasemissionsleistung vorzusehen, können ein oder mehrere Reduktionsmittelbeladungssensoren in der Abgasanlage verwendet werden, wie bei 90 gezeigt wird. Wie weiter unten beschrieben wird, kann der Sensor bzw. können die Sensoren zum Vorsehen einer präziseren Steuerung von Reduktionsmitteleinspritzung verwendet werden.
  • Weiterhin können in der Schadstoffbegrenzungsanlage 72 auch verschiedene zusätzliche Abgassensoren verwendet werden, beispielsweise verschiedene NOx-Sensoren, Ammoniaksensoren etc., die mit 92 bezeichnet sind.
  • Das Steuergerät 12 wird in 1 als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigter, welcher umfasst: einen Mikroprozessor 102, Input/Output-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem besonderen Beispiel als Festwertspeicherchip 106 (ROM) gezeigt wird, einen Arbeitsspeicher 108 (RAM), einen batteriestromgestützten Speicher 110 (KAM) und einen Datenbus (I/O). Das Steuergerät 12 kann auch einen an einem maschinell lesbaren Medium gespeicherten Code umfassen, der von dem Steuergerät ausgeführt werden kann. Das Steuergerät 12 wird auch gezeigt, wie es neben den zuvor beschriebenen Signalen von mit dem Motor 10 gekoppelten Sensoren verschiedene Signale empfängt, darunter Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen Temperaturfühler 112; ein Zündungsprofil-Aufnehmersignal (PIP) von einem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Hallgeber 118, was einen Hinweis auf die Motordrehzahl (RPM) gibt; Drosselstellung TP von einem Drosselstellungssensor 120; und ein Krümmerdrucksignal MAP von einem Sensor 122.
  • Die Verbrennung im Motor 10 kann abhängig von Betriebsbedingungen von unterschiedlicher Art sein. Während 1 einen Selbstzündungsmotor darstellt, versteht sich, dass die nachstehend beschriebenen Ausführungen in jedem geeigneten Motor verwendet werden können, einschließlich aber nicht ausschließlich in Diesel- und Benzinselbstzündungsmotoren, Fremdzündungsmotoren, Direkt- oder Kanaleinspritzmotoren, etc. Weiterhin können verschiedene Kraftstoffe und/oder Kraftstoffgemische wie Benzin, Diesel, H2, Ethanol, Methan und/oder Kombinationen derselben verwendet werden.
  • 2 zeigt ein Beispiel einer Schadstoffbegrenzungsanlage 72 von Motor 10. Die Schadstoffbegrenzungsanlage 72 wird mit einer Reduktionsmittelspeichervorrichtung 74 gekoppelt gezeigt, die zum Zuführen eines Ammoniak enthaltenden Reduktionsmittels zur Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 76 ausgelegt ist. Weiterhin kann die Schadstoffbegrenzungsanlage 72 ein Steuergerät 12 umfassen, das zum Verarbeiten von Informationen in der Schadstoffbegrenzungsanlage von verschiedenen Komponenten und zum Anpassen verschiedener Motor- und Abgaskomponenten ausgelegt ist. In der Ausführung von 2 kann die Schadstoffbegrenzungsanlage weiterhin ein Reduktionsmittelventil 210 zum Anpassen einer Menge eingespritzten Reduktionsmittels, einen NOx-Sensor 92 und einen Reduktionsmittelspeichersensor 90 (der durch gestrichelte Stellen 90a, 90b, 90c und 90d an verschiedenen möglichen Stellen entlang der Länge der SCR-Vorrichtung 76 gezeigt wird) umfassen. In einem Beispiel kann ein einzelner Reduktionsmittelspeichersensor verwendet werden. In einem anderen Beispiel können aber mehrere Reduktionsmittelspeichersensoren verwendet werden und können an verschiedenen Stellen entlang der Länge des Katalysators positioniert werden. Der Reduktionsmittelspeichersensor 90 kann eine Änderung der Leitfähigkeit der Katalysatorschicht während einer Temperaturänderung nutzen, um einen Reduktionsmittelspeicherstand zu ermitteln, wie bezüglich 3 eingehender beschrieben wird. Ferner kann das Steuergerät 12 dem Sensor 90 Signale senden und von diesem empfangen, beispielsweise das Senden eines Signals zum Steuern eines eingebetteten Heizelements und das Empfangen eines erfassten elektrischen Stroms oder anderen Signals, das Reduktionsmittelspeicherung anzeigt.
  • In einem Beispiel kann das Steuergerät 12 eine ereignis- oder zeit-basierte Schätzung einer Menge und/oder Verteilung von Reduktionsmittelspeicherung in der Vorrichtung 76 vorsehen und die Schätzung zusammen mit anderen Parametern nutzen, um eine Reduktionsmitteleinspritzmenge anzupassen. Insbesondere kann die Schätzung Rückmeldungen von Sensor(en) 90 bei einem gewählten Zeitintervall umfassen, wie hierin unter Bezug auf 4 zum Beispiel eingehender beschrieben wird.
  • 3 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften Sensorkonfiguration von Sensor 90. Der Sensor kann verschiedene Komponenten umfassen, beispielsweise ein Nichtedelmetall-Zeolit-Katalysatormaterial, das als Dickschicht auf einem Aluminiumoxidsubstrat aufgebracht wird. Es können verschiedenen katalytische Materialzusammensetzungen verwendet werden. In dem Substrat können ein oder mehrere eingebettete Heizelemente vorhanden sein (die physikalisch getrennt sein können, dies aber nicht sein müssen), was ein Anheben der Temperatur der Katalysatorschicht auf zum Beispiel bis zu 600°C ermöglicht. Das Heizelement kann elektrisch betrieben sein, beispielsweise ein Widerstandsheizelement.
  • Die Katalysatorschicht kann auch über ein Paar Elektroden gelegt sein (die zum Beispiel aus Pt bestehen), die zum Überwachen ihrer Leitfähigkeit verwendet werden können. In einer Ausführung kann die Leitfähigkeit gemessen werden, wobei der resultierende elektrische Strom überwacht wird, während ein 5V-Spitze-Spitze-Signal (so genanntes Peak-to-Peak-Signal) bei etwa 4 Hz angelegt wird.
  • Eine beispielhafte Konfiguration von Sensor 90 wird in 3 gezeigt. Ein Heizelement 312, das ein eingebettetes Heizelement sein kann, ist in einem auf einem Substrat 310 aufgebrachten Unedelmetall-Zeolit-Katalysatormaterial 308 (das ein SCR-Katalysator sein kann) enthalten oder mit diesem verbunden. Das Heizelement kann in einem Unterbereich des Katalysatorsubstrats vorgesehen und so ausgelegt sein, dass es das Katalysatormaterial lokal an dem Substratunterbereich erhitzt. Das Heizelement kann so ausgelegt sein, dass es ein Anheben der Temperatur der Katalysatorschicht auf eine vorbestimmte Temperatur, beispielsweise 600°C, ermöglicht. Ferner wird ein Paar Elektroden 316 gezeigt, die zum Überwachen von Leitfähigkeit des Abschnitts des Katalysators in der Nähe des Heizelements verwendet werden können.
  • In einem Beispiel ist es durch lokales Erhitzen und Desorbieren von NH3, das an dem mit dem Heizelement gekoppelten Abschnitt des SCR-Katalysators gespeichert ist, bei gleichzeitigem Überwachen der ionischen Leitfähigkeit des Katalysatorabschnitts möglich, eine Schätzung der Menge des gespeicherten NH3 zu erhalten. Eine mögliche Erläuterung für eine solche Korrelation kann auf die Meldung zurückzuführen sein, dass Zeoliten (wie H-ZSM5) ein Oberflächenprotonenleiter sein können, dessen Leitfähigkeit bei Vorhandensein von NH3 verbessert wird, was das Verwenden der ionischen Leitfähigkeit als Grundlage eines selektiven NH3-Sensors ermöglicht. Die Protonenmobilität entlang der Oberfläche kann durch die Bildung von NH4+ Ionen verbessert werden, die weniger eng gebunden sind (eine niedrigere Aktivierungsenergie zum Hüpfen entlang der Oberfläche aufweisen). In ähnlicher Weise kann das in dem SCR-Katalysator verwendete Unedelmetall-Zeolit zum Detektieren von NH3 verwendet werden. Somit ermöglicht ein Erhitzen eines Abschnitts des Katalysatormaterials zum Desorbieren des NH3, dass dessen Leitfähigkeitsänderung mit NH3-Adsorption ermittelt wird.
  • Die Leitfähigkeit kann zum Beispiel wie vorstehend erwähnt durch Überwachen des elektrischen Stroms bei Anlegen eines 5V-Spitzen-zu-Spitzen-Signals bei 4 Hz gemessen werden. Alternativ können der Spannungswert, die Frequenz etc. verändert bzw. mit Betriebsbedingungen verändert werden. Auch wenn dies in diesem Beispiel nicht gezeigt wird, kann die Temperatur in dem erhitzten Bereich des Katalysators durch ein Thermoelement oder einen anderen Temperaturmessfühler gemessen werden.
  • Um ein Katalysatorsystem mit Hilfe eines integrierten Sensors wie Sensor 90 vorteilhaft zu nutzen, können mehrere Betriebsarten verwendet werden. Die Betriebsarten können eine „Normal"-Betriebsart umfassen, bei der das Heizelement abgeschaltet ist und der Bereich über dem eingebetteten Heizelement eine Temperatur ähnlich dem benachbarten SCR-Katalysatormaterial hat, was als Temperatur T1 bezeichnet wird. In dieser Betriebsart adsorbiert, desorbiert und speichert der Katalysator NH3. In manchen Ausführungen hängt die NH3-Speicherung von der Temperatur T1 ab. Eine maximale NH3-Speicherung kann zum Beispiel von Temperatur T1 abhängen. Ferner kann ein Teil des adsorbierten NH3 mit NOx reagieren oder kann oxidiert werden.
  • Die Betriebsarten können weiterhin eine NH3-Beladungsermittlungsbetriebsart umfassen, bei der das eingebettete Heizelement eingeschaltet wird, was ein Ansteigen der Temperatur während eines Intervalls auf Temperatur T2 verursacht. Temperatur T2 kann hoch genug sein, so dass das meiste an dem erhitzten Abschnitt der Katalysatorschicht gespeicherte NH3 desorbiert oder oxidiert. Die Gesamtmenge des in dem Katalysator während der „Beladungsbetriebsart" gespeicherten NH3 kann dann aus der Änderung der Leitfähigkeit ermittelt werden, die durch Desorption gespeicherten Ammoniaks mittels des durch die eingebetteten Elektroden gemessenen Temperaturanstiegs herbeigeführt wird. Nach Erreichen der höheren Temperatur T2 kann das Heizelement abgeschaltet werden und die Temperatur zurück auf T1 fallen. Das Erhitzen und Abkühlen des Sensors (T1 → T2 → T1) kann ausreichend schnell sein, um alle nennenswerten Wirkungen auf die Temperatur des umgebenden SCR-Katalysators (bei T1) zu mindern.
  • Es werden beispielhafte Testdaten gezeigt, die in 4A–4C den beispielhaften Betrieb einer Probe veranschaulichen. Das folgende Testverfahren wurde befolgt. Vor dem Start der NH3-Beladungsbetriebsart war der Sensor frei von gespeichertem NH3. Während der Beladungsbetriebsart wurde die Temperatur konstant gehalten und NH3 dem Sensor ausgesetzt, wobei ein Teil davon in dem Katalysatormaterial gespeichert wurde. Während der Messungsbetriebsart wurde die Leistung zum Heizelement an der Rückseite des Keramiksubstrats erhöht, was die Temperatur ausreichend steigen ließ, um das während der Beladungsbetriebsart gespeicherte NH3 zu desorbieren (oder oxidieren). Die während der Beladungsbetriebsart gespeicherte NH3-Menge wurde dann bei Anheben der Temperatur aus der Änderung der Katalysatorleitfähigkeit ermittelt. Alle Daten wurden in Hintergrundgasen mit 5% O2 und 1% Wasser genommen, wobei der Rest N2 war und wobei eine Gasströmungsbank verwendet wurde, und können entsprechend interpretiert werden.
  • 4A zeigt ein zum Desorbieren von an dem Katalysator gespeichertem NH3 verwendetes Erhitzen. Die Starttemperatur zum Zeitpunkt t = 0 war etwa 267°C. 4B gibt den RMS-Sensorstrom im zeitlichen Verlauf nach Anheben der Substrattemperatur von 267°C bei t = 0, wie in dem entsprechenden Erhitzungsprofil von 4A gezeigt wird. Der Sensor wurde 500 ppm NH3 über verschiedene Zeitlängen vor t = 0 ausgesetzt, die von 1 bis 40 Minuten reichen. Bei Erhitzen wurde die Leitfähigkeit des Katalysatorelements zunächst erhöht, aber später gesenkt, als es von seinem gespeicherten NH3 „gereinigt" wurde. In diesem Beispiel nahm die Spitzenhöhe mit NH3-Einwirkzeit zu und erreichte nach 20 Minuten Einwirken einen Sättigungswert. Alle Kurven konvergieren im Wesentlichen nach etwa 60 Sekunden Erhitzung, einer Zeit, die zum Desorbieren des NH3 ausreicht. In einer Ausführung kann der Bereich unter jeder der I(t)-Kurven von 4B als Maß von NH3-Speicherung verwendet werden. Im Einzelnen werden die in 4B gezeigten Kurven integriert, um ein Diagramm des durchschnittlichen elektrischen Stroms zu Zeit für die ersten 60 Sekunden der Erhitzung in 4C zu ergeben. Ferner sind Daten für verschiedene Konzentrationen von NH3 während der Beladungsphase eingetragen. Gezeigt werden Daten von 100 ppm bis 500 ppm NH3. Die Daten für die höheren Konzentrationen zeigen, dass der integrierte elektrische Strom sich mit Beladungszeit einem asymptotischen Wert nähert, was erwartet wird, wenn der Katalysator seinen Beladungswert mit Stationärzustandgleichgewicht erreicht. Die asymptotischen Werte steigen ebenfalls mit dem NH3-Wert an. Daher kann der in 4C gezeigte durchschnittliche elektrische Strom mit der Beladung korreliert werden, da er der NH3-Beladung an dem Katalysator angepasst ist.
  • Weiterhin kann der durchschnittliche elektrische Strom während der Erhitzungsbetriebsart (wie in 4C dargestellt) bei Anheben der Beladungstemperatur von 200°C auf 350°C sinken. Somit kann die NH3-Gleichgewichtsbeladung am SCR-Katalysator abhängig sowohl vom NH3-Wert als auch der Temperatur korreliert werden.
  • Unter Bezug nun auf 5 wird eine beispielhafte Steuerroutine zum Steuern des Schadstoffbegrenzungsbetriebs während Motorbetrieb vorgesehen. Bei 510 liest die Routine verschiedene Betriebsparameter, darunter Motordrehzahl, Motorlast, Abgastemperatur, Kraftstoffeinspritzmenge, Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten, eine Abgasrückführungsmenge, eine Luftstrommenge etc. Dann ermittelt die Routine bei 512 eine geschätzte Menge von in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung gespeichertem Harnstoff (z.B. an der vollen Vorrichtung 76) basierend auf einem dynamischen Speichermodell und Schätzer, wie bezüglich 6 eingehender beschrieben wird. In einem Beispiel können sowohl ein dynamischer Schätzer als auch Rückmeldung von Abgassensoren, darunter Sensor 90, verwendet werden. Ferner kann die Routine eine Verteilung des gespeicherten Ammoniaks entlang der Länge des Katalysatorsystems ermitteln. Dann ermittelt die Routine bei 514 eine Sollmenge gespeicherten Harnstoffs (basierend auf vom Motor ausgestoßenem NOx, Temperatur etc.), was eine Sollspeichermenge und/oder eine Sollverteilung entlang des Katalysators umfassen kann. Schließlich passt die Routine bei 516 den eingespritzten Harnstoff und/oder den Motorbetrieb basierend auf Soll- und Istbeträgen an, so dass sich der tatsächliche/geschätzte Betrieb dem Sollbetrieb nähert.
  • Somit kann in einem Beispiel die Beladung von NH3 am SCR-Katalysator mit Hilfe von Informationen bezüglich der Konzentration des gespeicherten NH3 entlang der Länge des SCR-Katalysators (in Richtung des Abgasströmens) gesteuert werden, um die Steuerung der SCR-Anlage zu verbessern, so dass sowohl NOx- als auch NH3-Emissionen gemindert werden. Weiterhin können einige der für diese Modellvoraussage verwendete Eingabeparameter die Katalysatortemperatur, die Motordrehzahl, die Harnstoffeinspritzdosis, die gemessene Reduktionsmittelbeladung und/oder aus dem Motor ausgestoßene gemessene NOx-Werte umfassen. Im Einzelnen können ein oder mehrere Sensoren 90a–90d verwendet werden, um den NH3-Speicherwert im Katalysator anzuzeigen, möglicherweise an mehreren Stellen entlang der Katalysatorlänge. Die Informationen können genutzt werden, um die Reduktionsmitteleinspritzung anzupassen, um eine Sollbeladung und -vereilung im Katalysator vorzusehen. Weiterhin können sie genutzt werden, um eine verbesserte Anzeige der Katalysatorverschlechterung vorzusehen.
  • Ein Ansatz zum Halten eines erwünschten NH3-Beladungsprofils entlang des SCR-Katalysators kann auf einem Modell der von dem Motor ausgestoßenen NOx-Werte, der Menge der Harnstoffeinspritzung, Temperatur, Gasströmen, NOx-NH3-Reaktionsraten und NH3-Speicherung entlang des SCR-Katalysators beruhen. Dieser Ansatz kann weiterhin NOx- und/oder NH3-Sensoren nutzen, die sich stromabwärts des Katalysators befinden, wobei sie Rückmeldungen liefern, um dazu beizutragen, dass der Schlupf dieser Gase minimiert wird, während gleichzeitig eine Angabe der Ammoniakspeicherung durch einen Sensor, beispielsweise Sensor 90, genutzt wird.
  • Unter Bezug nun auf 6 werden weitere Betriebsinformationen zum Erfassen von Ammoniakspeicherung in der SCR-Vorrichtung 76 mittels Sensor(en) 90 geliefert, während verschiedene Parameter berücksichtigt werden. Die Routine kann zum Beispiel verschiedene Aspekte der Ammoniakspeicherungserfassung und/oder -schätzung erledigen, darunter Ermitteln, wann zu erfassen ist, das Steuern des Heizelementbetriebs, das Überwachen von Spannung/Leitfähigkeit/Impedanz/elektrischem Strom, das Feststellen, wann ein ausreichender Temperaturanstieg eingetreten ist, um lokal gespeichertes Ammoniak im Wesentlichen zu entfernen, und das Korrelieren erfasster Informationen abhängig von den Betriebsbedingungen.
  • Im Einzelnen ermittelt die Routine bei 610, ob eine Sensorablesung aktiviert ist. Die Sensorablesung kann während eines vorbestimmten Abgastemperaturfensters oder Bereichs von Temperaturfenstern nach einem vorbestimmten Betrag an Motorarbeit ab Starten, wenn ein Motorkühlmittel einen Grenzwert erreicht und/oder bei verschiedenen anderen Bedingungen aktiviert werden. Wenn ja, geht die Routine weiter zu 612, um zu ermitteln, ob eine Sensorablesung ausgeführt werden soll. Die Routine kann zum Beispiel ermitteln, ob ein Befehl zum Messen von gespeichertem Ammoniak vom Steuergerät 12 erteilt wurde, beispielsweise aus einer Schätzroutine und/oder Steuerroutine zum Schätzen/Steuern von eingespritztem Ammoniak/Harnstoff.
  • Wenn ja, geht die Routine weiter zu 614, um das eingebettete Heizelement bei einem erwünschten Heizwert zu aktivieren. Der erwünschte Heizwert kann beruhend auf verschiedenen Faktoren angepasst werden, darunter Raumgeschwindigkeit, Abgastemperatur, geschätzte Ammoniakbeladung, Katalysatortemperatur vor Aktivierung des Heizelements etc. Dann misst die Routine bei 616 einen elektrischen Strom und integriert die Information. Dann ermittelt die Routine bei 618, ob das lokale NH3-Entfernen im Wesentlichen vollständig ist. Dies kann auf der Zeitdauer beruhen, die das Heizelement aktiviert ist, dem Wert der Heizelementaktivierung, der Abgastemperatur etc. Wenn die Antwort auf 618 Nein lautet, kehrt die Routine zu 616 zurück. Ansonsten geht die Routine weiter zu 620, um den integrierten elektrischen Strom mit Reduktionsmittelspeicherung zu korrelieren, wobei die Betriebsbedingungen vor und/oder während der Erfassung berücksichtigt werden.
  • Auf diese Weise kann eine präzise Ablesung des gespeicherten Ammoniaks erreicht werden. Zu beachten ist, dass die Routine von 6 für einen in der Vorrichtung 76 angeschlossenen einzelnen Sensor/Heizelement beschrieben wird. Sie kann aber bei Bedarf für mehrere Sensoren (z.B. 90a–90d) wiederholt und/oder kombiniert werden. Weiterhin kann die Erfassung bei bestimmten wiederholten Betriebsbedingungen angeordnet werden, um die Genauigkeit der Speicherwertangabe zu verbessern. Desweiteren kann die Erfassung angeordnet/ausgeführt werden, sobald die Abgas- und/oder Katalysatortemperatur in ein ausgewähltes Fenster oder über/unter einen ausgewählten Grenzwert fällt.
  • Schließlich kann das Erfassen Kalibrierungsfehler, Drift etc. umfassen. Daher kann die Korrelation bei ausgewählten Bedingungen adaptiert/aktualisiert werden, wenn die Katalysatorspeicherung bekannt ist, beispielsweise wenn sie als Null bekannt ist, beispielsweise während erheblich erhöhten Bedingungen, die eine Partikelfilterregeneration umfassen können.
  • Zu beachten ist, dass die hierin enthaltenen Steuerroutinen mit verschiedenen Motorkonfigurationen verwendet werden können, wie sie vorstehend beschrieben werden. Die hierin beschriebene spezifische Routine kann eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien darstellen, beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Daher können verschiedene gezeigte Schritte oder Funktionen in der gezeigten Abfolge oder parallel ausgeführt oder in manchen Fällen ausgelassen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungen zu verwirklichen, wird aber zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Eine oder mehrere der gezeigten Schritte oder Funktionen können abhängig von der jeweils eingesetzten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Weiterhin können die beschriebenen Schritte einen in das maschinenlesbare Speichermedium in dem Steuergerät 12 einzuprogrammierenden Code graphisch darstellen.
  • Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungen nicht einschränkend aufgefasst werden dürfen, da zahlreiche Abänderungen möglich sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V-6, I-4, I-6, V-8, V-10, V-12, Gegenkolben- und andere Motorausführungen angewendet werden. Als anderes Beispiel können verschiedene andere Mechanismen in einem System verwendet werden, das zwei verschiedene Ventilprofile für jedes der Ventile in einem Zylinder verwendet, und die selective Deaktivierung eines oder mehrerer Ventile zum Vorsehen der richtigen Strömbedingungen für Kompressions- oder Selbstzündungsverbrennung. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst weiterhin alle neuartigen und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden.
  • Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, welche als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder eine Entsprechung desselben verweisen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie das Integrieren eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder fordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob sie nun gegenüber dem Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.

Claims (20)

  1. System mit: einem Katalysator, der auf einem in Motorabgas angeordneten Substrat gelagert ist; einem in einem Unterbereich des Substrats eingebetteten Heizelement zum Erhitzen eines lokalen Bereichs des Katalysators; und einer in dem lokalen Unterbereich des Substrats des Katalysators angeschlossenen Elektrode.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein SCR-Katalysator ist.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement ein elektrisch betriebenes Heizelement ist.
  4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator Zeolit umfasst.
  5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement nahe der Elektrode ist.
  6. System nach Anspruch 1, welches weiterhin ein mit der Elektrode verbundenes Steuersystem umfasst, wobei das Steuersystem den Betrieb des Motors anpasst.
  7. System nach Anspruch 6, welches weiterhin ein Paar Elektroden umfasst, wobei der SCR-Katalysator porös ist und das Heizelement mehrere physikalisch getrennte Heizelemente umfasst und wobei das Steuersystem das Heizelement, das bei Veränderungen der Betriebsbedingungen arbeitet, anpasst.
  8. Verfahren zum Erfassen von Betrieb einer SCR-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung mit einem auf einem Substrat gelagerten Katalysator, wobei die Vorrichtung in einem Motorabgas angeschlossen ist, wobei das Verfahren umfasst: Anheben der Temperatur eines Unterbereichs des Substrats; Überwachen einer Änderung einer Eigenschaft des Katalysators lokal zu dem Unterbereich; und Ausgeben von Information beruhend auf der überwachten Änderung.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur durch Ausüben von Wärme auf den Unterbereich des Substrats auf einen vorgewählten Wert angehoben wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Leitfähigkeit des Katalysators erfasst und mit einer Menge von in dem Katalysator lokal zu dem Unterbereich gespeichertem Ammoniak korreliert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur erhöht wird, um das an dem Katalysator lokal des Unterbereichs gespeicherte Reduktionsmittel im Wesentlichen zu entfernen, ohne das in einem verbleibenden Bereich des Katalysators gespeicherte Ammoniak zu entfernen.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zugeführter Wärmebetrag mit Betriebsbedingungen verändert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Information mit einer in der gesamten SCR-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung gespeicherten Ammoniakmenge korreliert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, welches weiterhin das Verändern einer in die Vorrichtung eingespritzten Reduktionsmittelmenge zum Verändern eines Speicherwerts als Reaktion auf die Information umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, welches weiterhin das Anlegen eines Schwingspannungssignals an in dem Unterbereich des Substrats befindlichen Elektroden umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, welches weiterhin das Integrieren eines sich ergebenden elektrischen Stroms umfasst, der durch die schwingende Spannung erzeugt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgegebene Information auf dem integrierten elektrischen Strom beruht.
  18. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachen das Überwachen von in dem Unterbereich des Substrats angeschlossenen Elektroden umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Zeolit umfasst.
  20. Verfahren zum Steuern von Motorbetrieb, wobei der Motor eine in dem Motorabgas angeschlossene SCR-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Schätzen einer in der SCR-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung gespeicherten Ammoniakmenge beruhend auf einer Betriebsbedingung durch lokales Anheben der Temperatur eines Unterbereichs der Vorrichtung; Messen von Ammoniakspeicherung in dem Unterbereich der Vorrichtung und Korrelieren des Messwerts mit einer in der gesamten SCR-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung gespeicherten Ammoniakmenge; und Anpassen einer Menge von Reduktionsmitteleinspritzung in das Abgas beruhend auf den geschätzten und gemessenen Mengen.
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