DE102008017544B4

DE102008017544B4 - Abgasnachbehandlungsanlage und Verfahren zum Regeln einer in einem Katalysator gespeicherten NH3-Menge

Info

Publication number: DE102008017544B4
Application number: DE102008017544A
Authority: DE
Inventors: Charles E. Mich. Solbrig
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2028-04-08
Also published as: US20080250778A1; CN101285412A; CN101285412B; US7707824B2; DE102008017544A1

Abstract

Verfahren zum Regeln einer in einem Katalysator (38) einer Abgasnachbehandlungsanlage (14) gespeicherten NH3-Menge umfassend:
Ermitteln (204) einer in den Katalysator (38) einströmenden NH3-Masse beruhend auf einer Dosierrate eines Dosiermittels, das in einen Abgasstrom stromaufwärts des Katalysators (38) eingespritzt wird;
Ermitteln (206) einer aus dem Katalysator (38) ausströmenden NH3-Masse;
Berechnen (208) einer kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38) beruhend auf der in den Katalysator (38) einströmenden NH3-Masse und der aus dem Katalysator (38) ausströmenden NH3-Masse; und
Regeln (216) der Dosierrate beruhend auf der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38);
gekennzeichnet durch die Schritte:
Überwachen einer Katalysatortemperatur; und
Setzen (202) der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38) gleich Null, wenn die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Abgasnachbehandlungsanlage und ein Verfahren zum Regeln einer in einem Katalysator einer Abgasnachbehandlungsanlage, insbesondere in einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR, kurz vom engl. Selective Catalytic Reduction), gespeicherten NH3-Menge.
Hintergrund
Die Darlegungen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung und stellen nicht unbedingt den Stand der Technik dar.
Brennkraftmaschinen verbrennen ein Luft- und Kraftstoffgemisch, um Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Der Verbrennungsprozess erzeugt Abgas, das aus der Brennkraftmaschine an die Atmosphäre abgelassen wird. Das Abgas enthält Stickstoffoxide (NOx), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO) und Partikel. NOx ist ein zum Beschreiben von Abgasen, die vorrangig aus Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) bestehen, verwendeter Begriff. Eine Abgasnachbehandlungsanlage behandelt das Abgas, um Emissionen vor dem Freisetzen an die Atmosphäre zu reduzieren. In einer beispielhaften Abgasnachbehandlungsanlage spritzt ein Dosiersystem ein Dosiermittel (z. B. Harnstoff) in das Abgas stromaufwärts eines Katalysators für selektive katalytische Reduktion (SCR) ein. Das Gemisch aus Abgas und Dosiermittel reagiert über dem SCR-Katalysator, um die an die Atmosphäre freigesetzten NOx-Werte zu senken.
Das Dosiermittel reagiert mit NOx an dem SCR-Katalysator, um die NOx-Reduktion zu verwirklichen. Im Einzelnen zersetzt, sich das Dosiermittel, um Ammoniak (NH3) zu bilden, was das zum Reagieren mit NOx verwendete Reduktionsmittel ist. Die folgenden beispielhaften chemischen Beziehungen beschreiben die NOx-Reduktion: 4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O 4NH₃ + 2NO + 2NO₂ → 4N₂ + 6H₂O 3NO₂ + 4NH₃ → 3,5N₂ + 6H₂O
Zum Ausführen der vorstehend beschriebenen NOx-Reduktion speichert der SCR-Katalysator darin NH3. Damit ein SCR-Katalysator effektiv arbeiten kann, muss der NH3-Speicherwert bei einem entsprechenden Wert gehalten werden. Im Einzelnen hängt die NOx-Reduktion bzw. der Umwandlungswirkungsgrad von dem NH3-Speicherwert ab. Um unter verschiedenen Betriebsbedingungen einen hohen Umwandlungswirkungsgrad zu halten, muss die NH3-Speicherung aufrechterhalten werden. Wenn die Temperatur des SCR-Katalysators steigt, muss aber der NH3-Wert reduziert werden, um ein NH3-Entschlüpfen (NH3-slip) zu vermeiden (d. h. Freisetzen von überschüssigem NH3 aus dem SCR-Katalysator), was den Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators mindern kann.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2004 031 624 A1 offenbart eine Abgasnachbehandlungsanlage mit einem Katalysator und einer stromaufwärts des Katalysators angeordneten Reagenzmittel-Einspritzvorrichtung. Ein Steuergerät regelt die Menge an in dem Katalysator vorhandenem Reagenzmittel anhand der Menge an in den Katalysator einströmendem und aus dem Katalysator ausströmendem Reagenzmittel.
In der Offenlegungsschrift DE 103 47 131 A1 ist ein Verfahren zur Abgasreinigung offenbart, bei dem stromaufwärts eines Katalysators NH3 in den Abgasstrom eingespritzt wird. Die Menge an einzuspritzendem NH3 wird anhand einer geschätzten Menge von bereits in dem Katalysator gespeichertem Ammoniak angepasst.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Kontrolle der Speicherung von NH3 in einem Katalysator vorzusehen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Abgasnachbehandlungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Zusammenfassung
Demgemäß sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Regeln einer in einem Katalysator einer Abgasnachbehandlungsanlage gespeicherten NH3-Menge vor. Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer in den Katalysator einströmenden NH3-Masse beruhend auf einer Dosierrate eines Dosiermittels, das in einen Abgasstrom stromaufwärts des Katalysators eingespritzt wird, und das Ermitteln einer aus dem Katalysator ausströmenden NH3-Masse (d. h. in dem Katalysator verbraucht). Eine kumulierte NH3-Masse in dem Katalysator wird beruhend auf der in den Katalysator einströmenden NH3-Masse und der aus dem Katalysator ausströmenden NH3-Masse berechnet. Die Dosierrate wird beruhend auf der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator geregelt. Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß das Überwachen einer Katalysatortemperatur und das Setzen der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator gleich Null, wenn die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet. Auf diese Weise werden die Betriebsbereiche, in denen der Katalysator kein Speicherpotential aufweist, berücksichtigt.
Bei einem Merkmal wird die aus dem Katalysator ausströmende NH3-Masse beruhend auf Signalen ermittelt, die von NOx-Sensoren erzeugt werden, die sich stromaufwärts bzw. stromabwärts des Katalysators befinden.
Bei einem anderen Merkmal umfasst das Verfahren weiterhin das Ermitteln eines Umwandlungswirkungsgrads des Katalysators beruhend auf einer Temperatur des Katalysators. Die aus dem Katalysator ausströmende NH3-Masse wird beruhend auf einer Grunddosierrate (d. h. stöchiometrisch) und dem Umwandlungswirkungsgrad ermittelt.
Bei noch anderen Merkmalen umfasst das Verfahren weiterhin das Festlegen einer maximalen NH3-Speichermasse des Katalysators beruhend auf einer Katalysatortemperatur. Die Dosierrate wird beruhend auf der maximalen NH3-Speichermasse geregelt. Ein NH3-Überschuss-Speicherungsverhältnis wird beruhend auf der kumulierten NH3-Masse im Katalysator und der maximalen NH3-Speichermasse berechnet, wobei die Dosierrate beruhend auf dem NH3-Überschuss-Speicherungsverhältnis geregelt wird. Zum Beispiel wird ein Anpassungsfaktor beruhend auf dem NH3-Überschuss-Speicherungsverhältnis ermittelt, wobei die Dosierrate beruhend auf dem Anpassungsfaktor geregelt wird. Das Dosiermittel wird geregelt, um das NH3-Überschuss-Speicherungsverhältnis unter 1 zu halten.
Weitere Anwendungsbereiche gehen aus der hierin vorgesehenen Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung und spezifischen Beispiele lediglich dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung beschränken sollen.
Zeichnungen
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck der Veranschaulichung und sollen nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise beschränken.
1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Brennkraftmaschinensystems mit einer Abgasbehandlungsanlage, die einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) umfasst;
2 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte zeigt, die von der Steuerung der NH3-Überschuss-Speicherung der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden;
3 ist ein Funktionsblockdiagramm beispielhafter Module, die die Steuerung der NH3-Überschuss-Speicherung ausführen;
4 ist ein Funktionsblockdiagramm beispielhafter Module, die zum Ermitteln eines kumulativen NH3-Werts in den SCR-Katalysator verwendet werden;
5A ist ein Funktionsblockdiagramm beispielhafter Module, die zum Ermitteln eines kumulativen NH3-Werts aus dem Katalysator verwendet werden;
5B ist ein Funktionsblockdiagramm beispielhafter alternativer Module, die zum Ermitteln des kumulativen NH3-Werts aus dem SCR-Katalysator verwendet werden; und
6 ist ein Funktionsblockdiagramm beispielhafter Module, die zum Ermitteln eines Multiplikators der NH3-Überschuss-Speicherung gemäß der Steuerung der NH3-Überschuss-Speicherung der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
Eingehende Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Offenbarung, ihre Anwendung oder Einsatzmöglichkeiten beschränken. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente verwendet. Der Begriff Modul, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (geteilt, dediziert oder Gruppe) samt Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität vorsehen.
Unter Bezug nun auf 1 wird ein beispielhaftes Fahrzeugsystem 10 schematisch gezeigt. Das Fahrzeugsystem 10 umfasst ein Brennkraftmaschinensystem 12, eine Abgasnachbehandlungsanlage 14. Das Brennkraftmaschinensystem 12 umfasst eine Brennkraftmaschine 16 mit einem Zylinder 18, einem Ansaugkrümmer 20 und einem Abgaskrümmer 22. Durch eine Drosselklappe 24 strömt Luft in den Ansaugkrümmer 20. Die Luft wird mit Kraftstoff gemischt, und das Luft- und Kraftstoffgemisch wird in dem Zylinder 18 zum Antreiben eines (nicht dargestellten) Kolbens verbrannt. Auch wenn ein einziger Zylinder 18 gezeigt wird, versteht sich, dass die Brennkraftmaschine 12 zusätzliche Zylinder 18 umfassen kann. Zum Beispiel werden Brennkraftmaschinen mit 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 und 16 Zylindern angenommen. Der Kraftstoff wird von einer Kraftstoffquelle 26 bereitgestellt und wird unter Verwendung eines Einspritzventils 28 in den Luftstrom eingespritzt. Ein Kraftstoffstandsensor 30 reagiert auf die Kraftstoffmenge in der Kraftstoffquelle 26. Es wird erwartet, dass die vorliegende Offenbarung sowohl in Magermix-Benzinbrennkraftmaschinen als auch in Dieselbrennkraftmaschinen umgesetzt werden kann.
Durch den Verbrennungsprozess wird Abgas erzeugt und aus dem Zylinder 18 in den Abgaskrümmer 22 abgelassen. Die Abgasnachbehandlungsanlage 14 behandelt das durch diese strömende Abgas, um Emissionen zu reduzieren, bevor sie an die Atmosphäre freigesetzt werden. Die Abgasnachbehandlungsanlage 14 umfasst ein Dosiersystem 32, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 34, einen NOx-Sensor 37 und einen Katalysator 38, der bevorzugt als Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) vorgesehen ist.
Der NOx-Sensor 36 gilt im Verhältnis zum Katalysator 38 als der vorgeschaltete NOx-Sensor und der NOx-Sensor 37 gilt als der nachgeschaltete NOx-Sensor. Beide NOx-Sensoren 36, 37 reagieren auf einen NOx-Wert des Abgases und erzeugen jeweilige darauf basierende Signale. Ein stromaufwärts befindlicher NOx-Massenstrom (ṁ_NOXUS) wird beruhend auf dem von dem NOx-Sensor 36 erzeugten Signal ermittelt. Analog wird ein stromabwärts befindlicher Massenstrom (ṁ_NOXDS) beruhend auf dem von dem NOx-Sensor 37 erzeugten Signal ermittelt.
Die Temperatursensoren T_A, T_B und T_C befinden sich an verschiedenen Punkten entlang der Emissionsstrecke. Zum Beispiel befindet sich der Temperatursensor T_A stromaufwärts des DOC 34, der Temperatursensor T_B befindet sich stromaufwärts des Katalysators 38 und der Temperatursensor T_C befindet sich stromabwärts des Katalysators 38. Der DOC 34 reagiert mit dem Abgas, um die Emissionswerte des Abgases zu senken. Es wird auch erwartet, dass ein Dieselpartikelfilter (DPF) 40 stromabwärts des Katalysators 30 angeordnet sein kann, der Dieselpartikel filtert, um die Emissionen weiter zu reduzieren. Es wird erwartet, dass die Reihenfolge des SCR-Katalysators und des DPF umgekehrt werden kann.
Das Dosiersystem 32 umfasst einen Dosiermittel-Injektor 42, einen Dosiermittel-Speichertank 44 und einen Dosiermittel-Zufuhrsensor 46. Das Dosiersystem 32 spritzt selektiv ein Dosiermittel (z. B. Harnstoff) in den Abgasstrom ein, um Emissionen weiter zu reduzieren. Im Einzelnen wird die Rate, bei der das Dosiermittel in den Abgasstrom (ṁ_DA) eingespritzt wird, beruhend auf Signalen ermittelt, die von einem oder von mehreren der hierin beschriebenen verschiedenen Sensoren erzeugt werden. Das Gemisch aus Abgas und Dosiermittel reagiert in dem Katalysator 38, um Abgasemissionen weiter zu reduzieren.
Ein Steuermodul 50 regelt das Strömen des Dosiermittels beruhend auf dem offenbarungsgemäßen Steuerungsverfahren. Das Steuermodul 50 verfolgt die Masse an NH3, die in den (m_NH3IN) und aus dem (m_NH3OUT) Katalysator 38 geliefert wird. Weiterhin nimmt das Steuermodul 50 beruhend darauf, ob die berechnete Speichermenge bezüglich einer maximalen NH3-Speicherkapazität (m_NH3MAX) des Katalysators 38 ist, Korrekturen vor.
m_NH3IN wird beruhend auf dem Eingangsmassenstrom (d. h. ṁ_DA) des Dosiermittels und Reduktionsmittels (z. B. Harnstoff) ermittelt. ṁ_DA ist bekannt und wird beruhend auf dem von dem vorgeschalteten NOx-Sensor 36 erzeugten Signal ermittelt. m_NH3IN wird weiterhin beruhend auf der Abgasstromrate ermittelt, die beruhend auf MAF, einer bekannten Kraftstoffstromrate und anderen Konstanten berechnet wird. m_NH3OUT ist die NH3-Menge, die mit NOx in dem Katalysator 38 reagiert, und wird beruhend auf der Differenz zwischen (ṁ_NOXUS), (ṁ_NOXDS) und einem Zeitdelta (dt) berechnet. Ein Satz von Konstanten wird zum Umwandeln dieser Differenz zu einer NH3-Masse aus dem Katalysator 38 (m_NH3OUT) (d. h. verbrauchtes NH3) verwendet. Die Differenz (Δm_NH3) zwischen m_NH3IN und m_NH3OUT wird als in dem Katalysator 38 gespeicherte NH3-Masse vorgesehen.
Das gespeicherte NH3 (Δm_NH3) wird mit m_NH3MAX verglichen, das beruhend auf einer Temperatur des Katalysators 38 (T_CAT) ermittelt wird. m_NH3IN wird angepasst, um Δm_NH3 bei einem Sollanteil von m_NH3MAX zu halten. In einer Ausführungsform wird ein einfaches Verhältnis (i_EXCSNH3) implementiert. Als weitere Ausführungsform wird ein Sollwert einer Regelung als Anteil von m_NH3MAX vorgesehen. Auf diese Weise kann die Freisetzung von NH3 aus dem Katalysator 38, die sich aus den thermischen Übergangsvorgängen ergibt, reduziert werden.
Der in den Katalysator 38 gelieferte Massenstrom von NH3 (ṁ_NH3IN) (z. B. in g/s vorgesehen) wird beruhend auf ṁ_DA, vorgesehen in g/Std., der Konzentration des Dosiermittels (DA_CONC), der relativen Molekülmasse des Dosiermittels (DA_MW) (z. B. 60,06 g/mol im Fall von Harnstoff), der relativen Molekülmasse von NH3 (NH3_MW) (z. B. 17,031 g/mol) und dem bekannten Zersetzungsfaktor des Dosiermittels bezüglich NH3 (k_DEC) berechnet. DA_CONC wird als Prozentsatz des Dosiermittels zur Dosiermittellösung (z. B. zeigt 32,5% 0,325 Teile Dosiermittel zu 1 Teil Dosiermittellösung an) ermittelt. k_DEC wird in Mol NH3 pro Mol Dosiermittel vorgesehen (z. B. zersetzt sich im Fall von Harnstoff 1 Mol Harnstoff zu 2 Mol NH3; k_DEC = 2). ṁ_NH3IN wird gemäß folgender Beziehung berechnet:
wobei 3600 ein Zeitumwandlungsfaktor (k_TIME) von Sekunden pro Stunde ist.
ṁ_NH3OUT(z. B. vorgesehen in g/s) ist der Massenstrom des in dem Katalysator 38 verbrauchten NH3 und wird beruhend auf ṁ_NOXUS, vorgesehen in g/s, ṁ_NOXDS, vorgesehen in g/s, der relativen Molekülmasse des NOx (NOx_MW) und NH3_MW (z. B. 17,031 g/mol) berechnet. NOx_MW ist aber variabel, es kann jedes NOx_MW verwendet werden (z. B. NO₂ = 46,055 g/mol) da es sich in der hierin beschriebenen Beziehung aufhebt. ṁ_NH3OUT wird gemäß der folgenden Beziehung berechnet:
X schwankt abhängig von dem stromaufwärts enthaltenen % von NO₂ von 1 bis 1,333. ṁ_NOXUS und ṁ_NOXDS werden gemäß folgender Beziehung berechnet:
wobei ṁ_EXH der Massenstrom des Abgases ist und EXH_MW die relative Molekülmasse des Abgases ist (z. B. vorgesehen in g Abgas/Mol Abgas).
Sowohl ṁ_NH3IN auch ṁ_NH3OUT werden mit einem Zeitinkrement (dt) (z. B. 1 Sekunde) multipliziert, um m_NH3IN bzw. m_NH3OUT vorzusehen, die in Gramm vorgesehen sind. Δm_NH3 wird als Differenz zwischen m_NH3IN und m_NH3OUT ermittelt und gilt als das überschüssige NH3, das in dem Katalysator 38 gespeichert ist. Δm_NH3 (z. B. oder m_NH3IN und m_NH3OUT vor dem Berechnen von Δm_NH3) kann integriert werden, um einen kumulativen Wert über die Zeit (Δm_NH3CUM) vorzusehen. Δm_NH3CUM wird durch m_NH3MAX dividiert, um i_EXCSNH3 vorzusehen.
i_EXCSNH3 wird als Eingabe in eine Lookup-Tabelle zum Auslesen eines Überschussspeicherungsmultiplikatorwerts (k_EXCSSTORE) verwendet, der dem Steuermodul 50 zum Abgleichen von ṁ_DA zurückgeleitet wird. Die Lookup-Tabelle ist im Speicher abgelegt und ist so kalibriert, dass sie k_EXCSSTORE bei einem gewissen Sollspeicherverhältnis (i_DSR) von NH3_STOREMAX gleich 1 macht. Wenn zum Beispiel i_EXCSNH3 kleiner als i_DSR ist, wird k_EXCSSTORE größer 1 gesetzt und umgekehrt. In einer Ausführungsform wird diese Funktion von einer Regelung (z. B. einem PID-Steuermodul) ausgeführt.
Es ist bevorzugt, das i_DSR so zu steuern, dass es ausreichend unter 1 liegt, um das Auftreten eines NH3-Entschlüpfens zu vermeiden. Um kumulierte Fehler zu reduzieren, wird Δm_NH3CUM während eines Betriebs des Katalysators bei hoher Temperatur, bei dem keine signifikante NH3-Speicherung erfolgt (d. h. wenn T_CAT größer als eine Grenztemperatur (T_THR) ist), zurückgesetzt. Die Katalysatortemperatur (T_CAT) wird beruhend auf einem Temperatursensorsignal (z. B. von einem oder mehreren Temperatursensoren T_A, T_B, T_C und/oder einem in den Katalysator integrierten Temperatursensor (nicht dargestellt)) ermittelt. Wenn T_CAT steigt, sinkt NH3_STOREMAX, wodurch das i_EXCSNH3 angehoben wird. Dies bewirkt ein Dosieren von weniger Dosiermittel und somit weniger NH3 zu dem Katalysator 38. Durch Zurücksetzen von Δm_NH3CUM wird die NH3-Freisetzung aus dem Katalysator 38 reduziert.
Wie vorstehend erwähnt ist NH3_STOREMAX das maximal mögliche NH3, das bei einer vorgegebenen T_CAT gespeichert wird. Nachstehend wird ein Verfahren zum Ermitteln von NH3_STOREMAX beschrieben. Der Katalysator 38 und auch die Abgasnachbehandlungsanlage werden auf eine konstante Temperatur stabilisiert, und der Katalysator wird von dem gesamten gespeicherten NH3 gespült (d. h. durch Vorsehen keines Dosiermittels und somit keines einströmenden NH3 zu dem Katalysator). An diesem Punkt wird Δm_NH3CUM auf 0 g zurückgesetzt. Bei einem Zeitpunkt (t₀) wird die Zufuhr von Dosiermittel und somit von NH3 zurück zu einem Molverhältnis von überschüssigem NH3 zu NOx geschaltet. Der Umwandlungswirkungsgrad des nachgeschalteten NOx-Sensors 37 und des vorgeschalteten NOx-Sensors 36 stabilisiert sich bei einem Höchstwert und beginnt bei einem späteren Zeitpunkt (t₁) zu sinken (d. h. wenn der nachgeschaltete NOx-Sensor 37 NH3 detektiert). An diesem Punkt wird Δm_NH3CUM gelesen, um einen ungefähren NH3_STOREMAX-Wert vorzusehen. Der Umwandlungswirkungsgrad wird gemäß folgender Beziehung ermittelt:
Unter Bezug nun auf 2 werden beispielhafte Schritte näher beschrieben, die von der Steuerung des überschüssigen NH3 ausgeführt werden. Bei Schritt 200 ermittelt die Steuerung, ob T_CAT größer als T_THR ist. Wenn T_CAT größer als T_THR ist, setzt die Steuerung Δm_NH3XCUM bei Schritt 202 gleich Null und geht zurück zu Schritt 200. Ist T_CAT nicht größer als T_THR ermittelt die Steuerung m_NH3IN bei Schritt 204. Bei Schritt 206 ermittelt die Steuerung m_NH3OUT. Bei Schritt 208 berechnet die Steuerung Δm_NH3CUM. Bei Schritt 210 ermittelt die Steuerung m_NH3MAX.
Die Steuerung berechnet beruhend auf m_NH3MAX und Δm_NH3CUM bei Schritt 212 i_EXCSNH3. Bei Schritt 214 ermittelt die Steuerung beruhend auf i_EXCSNH3 k_EXCSSTORE. Die Steuerung regelt bei Schritt 216 ṁ_DA beruhend auf k_EXCSSTORE und die Steuerung endet. Es wird aber angenommen, dass die vorstehend beschriebene beispielhafte Steuerung die Schritte 200 bis 216 weiter bei einem vorgegebenen Zeitintervall oder einer vorgegebenen Rate durchläuft, solange die Brennkraftmaschine läuft.
Unter Bezug nun auf 3 werden beispielhafte Module, die die Steuerung von überschüssigem NH3 ausführen, näher beschrieben. Die beispielhaften Module umfassen ein m_NH3IN-Modul 300, ein m_NH3OUT-Modul 302, ein Summiermodul 304, ein Dosiermittel-Steuermodul 306 und ein Komparatormodul 308. Das m_NH3IN-Modul 300 ermittelt m_NH3IN beruhend auf ṁ_DA, wie vorstehend näher beschrieben wurde. Das m_NH3OUT-Modul 302 ermittelt m_NH3OUT beruhend auf ṁ_NOXUS und ṁ_NOXDS wie vorstehend näher beschrieben wurde und bezüglich 5A nachstehend in weiterem Detail beschrieben wird. Alternativ ermittelt das m_NH3OUT-Modul 302 m_NH3OUT beruhend auf ṁ_DA(BASE), wie nachstehend bezüglich 5B in weiterem Detail beschrieben wird. ṁ_DA(BASE) ist die stöchiometrische NH3-Menge.
Das Summiermodul 304 ermittelt Δm_NH3 als Differenz zwischen m_NH3IN und m_NH3OUT. Das Dosiermittel-Steuermodul 306 überwacht Δm_NH3CUM und regelt DA darauf beruhend. Das Dosiermittel-Steuermodul 306 setzt auch basierend auf einem Signal von dem Komparatormodul 308 selektiv Δm_NH3CUM zurück, wie vorstehend näher beschrieben wurde. Im Einzelnen vergleicht das Komparatormodul 308 T_CAT mit T_THR. Wenn T_CAT größer als T_THR ist, zeigt das Signal von dem Komparatormodul 308 an, dass Δm_NH3CUM zurückgesetzt werden sollte. Ist T_CAT nicht größer als T_THR, zeigt das Signal von dem Komparatormodul 308 an, dass Δm_NH3CUM nicht zurückgesetzt werden sollte.
Unter Bezug nun auf 4 werden beispielhafte Module näher beschrieben, die zum Berechnen von m_NH3IN verwendet werden. Die beispielhaften Module umfassen ein erstes Multiplikatormodul 400, ein erstes Divisormodul 402, ein zweites bzw. drittes Multiplikatormodul 404, 406, ein zweites Divisormodul 408, ein viertes Multiplikatormodul 410 und ein Additionsmodul 412. Die Module 400, 402, 404, 406, 408 verarbeiten ṁ_DA, DACONC, DA_MW, k_DEC, NH3_MW und k_TIME gemäß der vorstehend beschriebenen Gleichung 1, um ṁ_NH3IN vorzusehen. Das vierte Multiplikatormodul 410 multipliziert ṁ_NH3IN mit dt, um m_NH3IN vorzusehen. Das Additionsmodul 412, das optional vorgesehen werden kann, kumuliert die m_NH3IN-Werte, um ein kumulatives m_NH3IN (m_NH3INCUM) vorzusehen.
Unter Bezug nun auf 5A werden beispielhafte Module näher beschrieben, die zum Berechnen von m_NH3OUT verwendet werden. Die beispielhaften Module umfassen ein Summiermodul 500, ein Divisormodul 502, ein erstes, zweites bzw. drittes Multiplikatormodul 504, 505, 506, und ein Additionsmodul 508. Die Module 500, 502, 504, 505 verarbeiten ṁ_NOXUS, ṁ_NOXDS, NOx_MW und MH3_MW, um ṁ_NH3OUT vorzusehen. Das dritte Multiplikatormodul 506 multipliziert ṁ_NH3OUT mit dt, um m_NH3OUT vorzusehen. Das Additionsmodul 508, das optional vorgesehen werden kann, kumuliert die m_NH3OUT-Werte, um ein kumulatives m_NH3OUT (m_NH3OUTCUM) vorzusehen. Wiederum wird festgestellt, dass das Molverhältnis X zwischen NH3 und NOx abhängig von dem stromaufwärts vorhandenen % an NO₂ von 1 bis 1,333 schwanken kann.
Unter Bezug nun auf 5B werden alternative beispielhafte Module näher beschrieben, die zum Berechnen von m_NH3OUT verwendet werden. Wie nachstehend in weiterem Detail erläutert wird, berechnen die beispielhaften Module zunächst ṁ_NH3OUT basierend auf ṁ_NH3IN und einem Umwandlungswirkungsgrad (CE(%)) des Katalysators. CE(%) wird beruhend auf mehreren Faktoren, einschließlich aber nicht ausschließlich T_CAT, Raumgeschwindigkeit und NO₂-Verhältnis, ermittelt.
Die beispielhaften Module umfassen ein erstes Multiplikatormodul 510, ein erstes Divisormodul 512, ein zweites, drittes bzw. viertes Multiplikatormodul 514, 516, 517, ein zweites Divisormodul 518, ein fünftes Multiplikatormodul 520, ein drittes Divisormodul 522, ein sechstes Multiplikatormodul 524 und ein Additionsmodul 526. Die Module 510, 512, 514, 516, 517, 518 verarbeiten ṁ_DA(BASE), DA_CONC, DA_MW, k_DEC, NH3_MW und k_TIME gemäß der vorstehend beschriebenen Gleichung 1, um ṁ_NH3IN vorzusehen. Das dritte Divisormodul dividiert CE(%) mit 100, um einen Dezimalwert des Umwandlungswirkungsgrads vorzusehen, der dann mit ṁ_NH3IN in dem fünften Multiplikatormodul 520 multipliziert wird, um ṁ_NH3OUT vorzusehen. Das sechste Multiplikatormodul 524 multipliziert ṁ_NH3OUT mit dt, um m_NH3OUT vorzusehen. Das Additionsmodul 526, das optional vorgesehen werden kann, kumuliert die m_NH3OUT-Werte, um m_NH3OUTCUM vorzusehen. Wiederum schwankt das Molverhältnis X zwischen NH3 und NOx abhängig von dem stromaufwärts vorhandenen % an NO₂ von 1 bis 1,333.
Unter Bezug nun auf 6 werden beispielhafte Module, die zum Ermitteln von k_EXCSTORE verwendet werden, näher beschrieben. Die beispielhaften Module umfassen m_NH3MAX-Modul 600, ein Additionsmodul 602, ein Divisionsmodul 604 und ein k_EXCSSTORE-Modul 606. Das m_NH3MAX- Modul 600 ermittelt beruhend auf T_CAT und V_CAT wie vorstehend erläutert m_NH3MAX. Das Additionsmodul 602 kumuliert die Δm_NH3-Werte, um Δm_NH3CUM vorzusehen. Wenn aber die Additionsmodule 412 und 508, 526 von 4 und 5A, 5B enthalten sind, kann auf das Additionsmodul 602 verzichtet werden, da Δm_NH3CUM beruhend auf m_NH3INCUM und m_NH3OUTCUM von den Additionsmodulen 412 sowie 508, 526 vorgesehen wird. Sind die Additionsmodule 412 und 508, 526 nicht vorgesehen, wird das Additionsmodul 602 vorgesehen. Das Divisionsmodul 604 ermittelt i_EXCSNH3 als Verhältnis zwischen Δm_NH3CUM und m_NH3MAX. Das k_EXCSSTORE-Modul 606 ermittelt k_EXCSSTORE wie vorstehend näher erläutert.
Der Fachmann kann nun anhand der vorstehenden Beschreibung ermessen, dass die breite Lehre der Offenbarung in verschiedener Form umgesetzt werden kann. Während diese Offenbarung in Verbindung mit bestimmten Beispielen derselben beschrieben wurde, sollte der wahre Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt werden, da für den Fachmann bei genauer Betrachtung der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche andere Abwandlungen nahe liegen.

Claims

Verfahren zum Regeln einer in einem Katalysator (38) einer Abgasnachbehandlungsanlage (14) gespeicherten NH3-Menge umfassend: Ermitteln (204) einer in den Katalysator (38) einströmenden NH3-Masse beruhend auf einer Dosierrate eines Dosiermittels, das in einen Abgasstrom stromaufwärts des Katalysators (38) eingespritzt wird; Ermitteln (206) einer aus dem Katalysator (38) ausströmenden NH3-Masse; Berechnen (208) einer kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38) beruhend auf der in den Katalysator (38) einströmenden NH3-Masse und der aus dem Katalysator (38) ausströmenden NH3-Masse; und Regeln (216) der Dosierrate beruhend auf der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38); gekennzeichnet durch die Schritte: Überwachen einer Katalysatortemperatur; und Setzen (202) der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38) gleich Null, wenn die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aus dem Katalysator (38) ausströmende NH3-Masse beruhend auf Signalen ermittelt wird, die von NOx-Sensoren (36, 37) erzeugt werden, die stromaufwärts bzw. stromabwärts des Katalysators (38) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: das Ermitteln eines Umwandlungswirkungsgrads des Katalysators (38) beruhend auf einer Temperatur des Katalysators (38), wobei die aus dem Katalysator (38) ausströmende NH3-Masse beruhend auf einer Grunddosierrate und dem Umwandlungswirkungsgrad ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Ermitteln (210) einer maximalen NH3-Speichermasse des Katalysators (38) beruhend auf einer Katalysatortemperatur, wobei die Dosierrate beruhend auf der maximalen NH3-Speichermasse geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend: Berechnen (212) eines NH3-Überschuss-Speicherverhältnisses beruhend auf der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38) und der maximalen NH3-Speichermasse, wobei die Dosierrate beruhend auf dem NH3-Überschuss-Speicherverhältnis geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: Ermitteln (214) eines Anpassungsfaktors beruhend auf dem NH3-Überschuss-Speicherverhältnis, wobei die Dosierrate beruhend auf dem Anpassungsfaktor geregelt wird.
Abgasnachbehandlungsanlage (14), die eine in einem Katalysator (38) derselben gespeicherte NH3-Menge regelt, umfassend: ein erstes Modul (300), das eine in den Katalysator (38) einströmende NH3-Masse beruhend auf einer Dosierrate eines Dosiermittels ermittelt, das in einen Abgasstrom stromaufwärts des Katalysators (38) eingespritzt wird; ein zweites Modul (302), das eine aus dem Katalysator (38) ausströmende NH3-Masse ermittelt; ein drittes Modul, das eine kumulierte NH3-Masse in dem Katalysator (38) beruhend auf der in den Katalysator (38) einströmenden NH3-Masse und der aus dem Katalysator (38) ausströmenden NH3-Masse berechnet; und ein viertes Modul, das die Dosierrate beruhend auf der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38) regelt; gekennzeichnet durch einen Temperatursensor, der eine Katalysatortemperatur überwacht, wobei das vierte Modul die kumulierte NH3-Masse in dem Katalysator (38) gleich Null setzt, wenn die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet.
Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 7, wobei die aus dem Katalysator (38) ausströmende NH3-Masse beruhend auf Signalen ermittelt wird, die von NOx-Sensoren (36, 37) erzeugt werden, die stromaufwärts bzw. stromabwärts des Katalysators (38) angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: ein fünftes Modul, das einen Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators (38) beruhend auf einer Temperatur des Katalysators (38) ermittelt, wobei die aus dem Katalysator (38) ausströmende NH3-Masse beruhend auf einer Grunddosierrate und dem Umwandlungswirkungsgrad ermittelt wird.
Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: ein fünftes Modul (600), das eine maximale NH3-Speichermasse des Katalysators (38) beruhend auf einer Katalysatortemperatur ermittelt, wobei die Dosierrate beruhend auf der maximalen NH3-Speichermasse geregelt wird.
Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 10, weiterhin umfassend: ein sechstes Modul (606), das ein NH3-Überschuss-Speicherverhältnis beruhend auf der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38) und der maximalen NH3-Speichermasse berechnet, wobei die Dosierrate beruhend auf dem NH3-Überschuss-Speicherverhältnis geregelt wird.
Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 11, weiterhin umfassend: ein siebtes Modul, das einen Anpassungsfaktor beruhend auf dem NH3-Überschuss-Speicherverhältnis ermittelt, wobei die Dosierrate beruhend auf dem Anpassungsfaktor geregelt wird.
Verfahren zum Regeln einer in einem Katalysator (38) einer Abgasnachbehandlungsanlage (14) gespeicherten NH3-Menge umfassend: Ermitteln (204) einer in den Katalysator (38) einströmenden NH3-Masse beruhend auf einer Dosierrate eines Dosiermittels, das in einen Abgasstrom stromaufwärts des Katalysators (38) eingespritzt wird; Ermitteln (206) einer aus dem Katalysator (38) ausströmenden NH3-Masse; Berechnen (208) einer kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38) beruhend auf der in den Katalysator (38) einströmenden NH3-Masse und der aus dem Katalysator (38) ausströmenden NH3-Masse; Ermitteln (210) einer maximalen NH3-Speichermasse des Katalysators (38); Berechnen (212) eines NH3-Überschuss-Speicherverhältnisses beruhend auf der maximalen NH3-Speichermasse und der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38); und Regeln (216) der Dosierrate beruhend auf dem NH3-Überschuss-Speicherverhältnis, um das NH3-Überschuss-Speicherverhältnis unter 1 zu halten; gekennzeichnet durch die Schritte: Überwachen einer Katalysatortemperatur; und Setzen (202) der kumulierten NH3-Masse in dem Katalysator (38) gleich Null, wenn die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die aus dem Katalysator (38) ausströmende NH3-Masse beruhend auf Signalen ermittelt wird, die von NOx-Sensoren (36, 37) erzeugt werden, die stromaufwärts bzw. stromabwärts des Katalysators (38) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: Ermitteln eines Umwandlungswirkungsgrads des Katalysators (38) beruhend auf einer Temperatur des Katalysators (38), wobei die aus dem Katalysator (38) ausströmende NH3-Masse beruhend auf einer Grunddosierrate und dem Umwandlungswirkungsgrad ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: Ermitteln (210) der maximalen NH3-Speichermasse des Katalysators (38) beruhend auf einer Katalysatortemperatur.
Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: Ermitteln (214) eines Anpassungsfaktors beruhend auf dem NH3-Überschuss-Speicherverhältnis, wobei die Dosierrate beruhend auf dem Anpassungsfaktor geregelt wird.