DE102011015256A1

DE102011015256A1 - Eng gekoppeltes Abgasnachbehandlungssystem für eine turboaufgeladene Maschine

Info

Publication number: DE102011015256A1
Application number: DE102011015256A
Authority: DE
Inventors: David Bennet; Brian G. Cooper; Huntly W. Thomas; Nick Winder
Original assignee: Ricardo Inc; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Ricardo Inc; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: DE102011015256B4; CN102220895A; US8312708B2; US20110239646A1; CN102220895B

Abstract

Ein eng gekoppeltes Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine erste Abgasleitung, die ein erstes Ventil umfasst, das zwischen einer ersten Position, die eine Abgasströmung in der ersten Abgasleitung zu einem Einlass eines ersten Oxidationskatalysators unterstützt, und einer zweiten Position betreibbar ist, die die Abgasströmung in einer zweiten Abgasleitung unterstützt. Es umfasst auch eine dritte Abgasleitung, die fluidtechnisch mit einem Auslass des OC gekoppelt ist und umfasst ein zweites Ventil, das zwischen einer ersten Position, die eine Abgasströmung in der dritten Abgasleitung zu einem Einlass eines Partikelfilters (PF) unterstützt, und einer zweiten Position betreibbar ist, die die Abgasströmung durch eine vierte Abgasleitung zu einem Einlass in der zweiten Abgasleitung unterstützt. Es umfasst ferner einen Turbolader, der fluidtechnisch mit der zweiten Abgasleitung stromabwärts des Einlasses gekoppelt ist, und einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), der stromabwärts des Turboladers und stromaufwärts des PF angeordnet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Abgasnachbehandlungssysteme und insbesondere ein Abgasnachbehandlungssystem für mager verbrennende Brennkraftmaschinen und Fahrzeuge, die diese enthalten.
HINTERGRUND
Brennkraftmaschinen müssen verschiedene Regulierungen hinsichtlich reduzierter Emissionen und verbesserter Kraftstoffwirtschaftlichkeit erfüllen. Ein Beispiel eines Weges zur Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit besteht darin, eine Maschine mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu betreiben, das überstöchiometrisch (Sauerstoffüberschuss) ist. Beispiele mager verbrennender Maschinen umfassen Kompressionszündungs-(Diesel-) und mager verbrennende Funkenzündungsmaschinen. Während eine mager verbrennende Maschine eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit und geringere Verbrennungstemperaturen verbessert hat, was allgemein in erhöhten Emissionen von Stickoxiden (NO_x) aus der Maschine heraus resultiert, ist die kommerzielle Anwendung von Magerverbrennungsmaschinen aufgrund eines Mangels an effektiven Verfahren beschränkt, um ausreichend NO_x von dem mageren Abgasstrom zu entfernen, bevor er den Auspuff verlässt, um Regulierungen zu erfüllen.
Die Reduktion von NO_x-Emissionen von einem Abgasstrom, einschließlich überschüssigem Sauerstoff, stellt eine Herausforderung für Fahrzeughersteller dar. Es wird geschätzt, dass eine Übereinstimmung mit Bin-5-Regulierungen in den Vereinigten Staaten ein Nachbehandlungssystem erfordern kann, das zu einem NO_x-Umwandlungswirkungsgrad von 70–90% an dem FTP-(Federal Test Procedure)-Zyklus auf Grundlage gegenwärtig erwarteter Maschinenausgangs-NO_x-Niveaus bei einer Vielzahl von Betriebstemperaturen im Bereich von 200–550°C in der Lage ist.
Es sind verschiedene Nachbehandlungssysteme für Fahrzeuganwendungen vorgeschlagen worden, die verschiedene Abgasnachbehandlungsvorrichtungen verwenden. Katalysatorvorrichtungen für harnstoffselektive katalytische Reduktion (SCR) verwenden ein NO_x-Reduktionsmittel, beispielsweise Harnstoff, das stromaufwärts des Katalysators injiziert und zu Ammoniak zur Reduktion von NO_x zu N₂ umgewandelt wird. Die Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel erfordert eine Harnstoffverteilungsinfrastruktur und ein am Fahrzeug befindliches Überwachungssystem für dieses sekundäre Fluid und kann ein thermisches Management erfordern, um potentielle Probleme bei Klima mit kaltem Wetter aufgrund des relativ hohen Gefrierpunkts (–12°C) der Harnstofflösung zu berücksichtigen. NO_x-Speicher-SCR-Katalysatoren, beispielsweise NO_x-Fänger, erfordern typischerweise große Katalysatorvolumen, große Mengen an Metallen der Platingruppe und Kraftstoff mit wenig Schwefel für einen effizienten Speicherbetrieb. Derartige Systeme erfordern eine periodische Katalysatorregeneration, die eine Kraftstoffinjektion zur Erzeugung hoher Abgastemperaturen und eine Injektion von Reduktionsmitteln zur Regeneration des Speichermaterials des Katalysators betrifft.
Während Systeme, die SCR-Katalysatoren verwenden, zur NO_x-Reduktion in Strömen einer Abgasströmung mit überschüssigem Sauerstoff verwendet worden sind, ist der Einbau der verschiedenen Katalysatoren insbesondere in relativ kleineren Fahrzeugen mit relativ kürzeren Radständen aufgrund des reduzierten Raumes problematisch geworden, der verfügbar ist, um die gewünschten Kombinationen von Katalysatoren einzubauen. Beispielsweise ist es bei kleineren Fahrzeugen erwünscht, den SCR zuletzt einzubauen, wo er von der Maschine am weitesten entfernt ist und die Abgassystembetriebstemperaturen am geringsten sind, um eine thermische Schädigung der SCR-Katalysatormaterialien zu minimieren und dadurch die Betriebslebensdauer des SCR-Katalysators zu maximieren. Während diese Anordnung erwünscht ist, besteht allgemein nicht ausreichend Raum, um den SCR zuletzt einzubauen, während auch die erforderliche Mischlänge zur Umwandlung des injizierten Harnstoffs in Ammoniak bereitgestellt wird, insbesondere wenn das System auch eine oder mehrere zusätzliche Abgasbehandlungsvorrichtungen für die Reduktion von NO_x oder Oxidation oder Reduktion anderer Abgasbestandteile verwendet, einschließlich Kohlenmonoxid (CO), verschiedene Kohlenwasserstoffe (HC), Partikelmaterial (PM) und dergleichen. Sogar wenn Behandlungsvorrichtungen entfernt von der Maschine angeordnet sind, um deren Betriebstemperatur zu senken und die Betriebslebensdauer der Vorrichtung zu verbessern, existieren häufig konkurrierende Betrachtungen, wie Vorrichtungsregeneration, die eine periodische Erhöhung der Vorrichtungstemperatur durch Wiedererwärmung erfordert, was allgemein Kraftstoff verwendet und den Maschinen- und Fahrzeugwirkungsgrad reduziert und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit reduziert Allgemein müssen Abgasbehandlungssysteme diese konkurrierenden Betrachtungen in Ausgleich bringen und anwendbare Emissionssteueranforderungen einhalten, insbesondere die Reduktion von NO_x, während auch die anwendbare Kraftstoffwirtschaftlichkeit und andere Maschinen- und/oder Fahrzeuganforderungen eingehalten werden.
Demgemäß ist es erwünscht, Abgasbehandlungssysteme für Brennkraftmaschinen, insbesondere Fahrzeugmaschinen, bereitzustellen, die eine verbesserte Flexibilität zur Erfüllung konkurrierender Anforderungen bereitstellen, einschließlich denen, die mit einer NO_x-Reduktion, Kraftstoffwirtschaftlichkeit, thermischem Management, Betriebslanglebigkeit des Systems/der Vorrichtung und dergleichen in Verbindung stehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein eng gekoppeltes Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen. Das System umfasst eine erste Abgasleitung, die ein erstes Ventil aufweist, das zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position betreibbar ist, wobei die erste Position eine Abgasströmung in der ersten Abgasleitung zu einem Einlass eines ersten Oxidationskatalysators (OC) unterstützt und die zweite Position die Abgasströmung in einer zweiten Abgasleitung unterstützt. Das System umfasst auch eine dritte Abgasleitung, die fluidtechnisch mit einem Auslass des OC gekoppelt ist, wobei die dritte Abgasleitung ein zweites Ventil aufweist, das zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position betreibbar ist; wobei die erste Position eine Abgasströmung in der dritten Abgasleitung zu einem Einlass eines Partikelfilters (PF) unterstützt, und die zweite Position die Abgasströmung durch eine vierte Abgasleitung zu einem Einlass in der zweiten Abgasleitung unterstützt. Das System umfasst ferner einen Turbolader, der mit der zweiten Abgasleitung stromabwärts des Einlasses fluidtechnisch gekoppelt ist, sowie einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), der mit dem Turbolader fluidtechnisch gekoppelt ist, um die Abgasströmung davon aufzunehmen, wobei der PF auch fluidtechnisch mit dem SCR-Katalysator gekoppelt ist, um die Abgasströmung davon aufzunehmen.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Maschine und eines eng gekoppelten Abgasnachbehandlungssystems ist, wie hier offenbart ist;
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Abgasnachbehandlungssystems von 1 ist;
3, 4 und 5 schematische Darstellungen des Abgasnachbehandlungssystems von 1 in verschiedenen beispielhaften Betriebsmoden sind, wie hier offenbart ist; und
6–8 schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer Maschine und eines eng gekoppelten Abgasnachbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, in verschiedenen beispielhaften Betriebsmoden, wie hier offenbart ist, sind.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun Bezug nehmend auf die 1–5 eine beispielhafte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 10, die insbesondere zur Verwendung bei vielen Typen von Kraftfahrzeugen 1, wie Autos, Kleinlaster, Wasserfahrzeuge, Geländefahrzeuge und dergleichen, wie auch zahlreichen Anwendungen mit fixierter Installation, wie Generatoren, Pumpen oder dergleichen, geeignet ist. Die Maschine 10 ist fluidtechnisch mit einem Abgasnachbehandlungssystem 12, das eine Mehrzahl fluidtechnisch gekoppelter Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 aufweist, zur Behandlung einer Abgasströmung 16, die aus ihrem Betrieb resultiert, gekoppelt. Das Abgasnachbehandlungssystem 12 ist fluidtechnisch mit einem Turbolader 18 gekoppelt und kann alternativ dazu fluidtechnisch mit einer Mehrzahl von Turboladern (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Abgasnachbehandlungssystem 12 zur Verwendung als ein eng gekoppeltes System konfiguriert, bei dem die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 in einem einzelnen Gehäuse 20 untergebracht sind, das direkt mit einem Abgasdurchlass 24 oder einem Abgaskrümmer 22 gekoppelt sein kann, der derart konfiguriert ist, die Abgasströmungen von einer Mehrzahl von Zylindern zum Austrag durch zumindest einen Abgaskanal 24 der Maschine 10 aufzunehmen, um thermische Verluste zu reduzieren und Betriebswirkungsgrade von bestimmten Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 zu verbessern. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 sind fluidtechnisch durch eine Kombination interner Leitungen und Ventile gekoppelt, die eine flexible Umkonfigurierung und Steuerung der Abgasströmung 16 ermöglichen, um eine Mehrzahl von Betriebsmoden bereitzustellen. Die Betriebsmoden können dazu verwendet werden, gewisse Konfigurationen des Abgasnachbehandlungssystems 12 und der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 zu definieren, um eine Behandlung vorbestimmter Abgasbestandteile bereitzustellen oder vorbestimmte Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 zu regenerieren. Die Betriebsmoden können auch dazu verwendet werden, einen Ausgleich der Betriebstemperaturen aller Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 zu ermöglichen, so dass jede Vorrichtung einem Betriebstemperaturgebiet ausgesetzt ist, das eine vorbestimmte Betriebslebensdauer für diese Vorrichtung bereitstellt. Das Abgasnachbehandlungssystem 12 kann dann so ausgelegt werden, dass eine minimale vorbestimmte Betriebslebensdauer für jede Abgasnachbehandlungsvorrichtung 14 erhalten wird, die eine vorbestimmte mittlere Zeit zwischen Ausfall (MTBF) oder anderen Betriebslebensdauerparameter für das Abgasnachbehandlungssystem 12 bereitstellt. Beispielsweise kann ein Inbetriebnahmemodus (2 und 3) durch Konfiguration der Leitungen und Ventile für Kaltinbetriebnahme der Maschine 10 definiert werden, wenn die Abgasströmung 16 zu dem Abgasnachbehandlungssystem 12 von der Maschine 10 nicht verbranntes HC aufweisen kann, um ein schnelles Anspringen des OC 26 zu unterstützen, um das HC zu oxidieren und einen HC-Schlupf durch das System zu verhindern oder zu reduzieren. Bei diesem Modus führt das System 12 auch eine Abgasströmung 16 durch den Turbolader 18, den SCR-Katalysator 28 und den PF 30, um den Vorteil ihres Betriebs zu erhalten, wie auch den SCR-Katalysator 28 und den PF 30 aufzuwärmen und deren Betriebsleistungsfähigkeit zu steigern. Als ein weiteres Beispiel kann ein normaler Betriebsmodus (2 und 4) durch Konfiguration der Leitungen und Ventile 38, 50 definiert sein, um eine Abgasströmung 16 um den OC 26 und durch den Turbolader 18, den SCR-Katalysator 28 und den PF 30 parallel zu schalten, sobald eine vorbestimmte Betriebstemperatur oder ein Gemisch von Abgasbestandteilen oder eine Kombination daraus verwirklicht ist. Als ein noch weiteres Beispiel kann ein Regenerationsmodus (2 und 5) durch Konfiguration der Leitungen und Ventile definiert sein, um eine Abgasströmung 16 durch den OC 26 direkt zu dem PF 30 zu unterstützen, während eine Strömung um den Turbolader 18 und einen Anteil des SCR-Katalysators 28 parallel geschaltet wird, um den PF 30 durch Oxidation von durch diese Filterwirkung angesammelten PM zu regenerieren.
Erneut Bezug nehmend auf die 1–5 kann das Abgasnachbehandlungssystem 12 mit einer beliebigen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine 10 und einem Maschinensteuersystem 32 verwendet werden. Eine beispielhafte Maschine 10 und ein Steuersystem 32 umfassen eine herkömmliche mit Diesel, Benzin oder Erdgas betankte Viertakt-Brennkraftmaschine und ein elektronisches Maschinensteuermodul (ECM von engl.: ”engine control module”) 34. Die Maschine 10 kann eine Kompressionszündungs- oder Dieselmaschine mit einem Betriebsgebiet aufweisen, so dass sie hauptsächlich eine mager verbrennende Maschine ist und mit einem Luft/Kraftstoffgemisch betrieben wird, bei dem die Kraftstoffmenge geringer oder magerer als die zur Verbrennung erforderliche stöchiometrische Menge ist, oder aus einer anderen Perspektive, wenn der Sauerstoff die stöchiometrische Menge überschreitet. Alternativ dazu kann die Maschine 10 eine Maschine aufweisen, die eine beliebige einer Anzahl von Maschinensteuerstrategien verwendet, die überstöchiametrisch arbeiten, beispielsweise Maschinen mit homogener Kompressionszündung und mager verbrennende Funkenzündungsmaschinen. Die Maschine 10 weist einen oder mehrere Hubkolben (nicht gezeigt) auf, die an einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) befestigt sind, die funktional an einem Antriebsstrang (nicht gezeigt) oder einem Leistungsstrang (nicht gezeigt) eines Fahrzeugs 1 angebracht ist, um Traktionsmoment an den Antriebsstrang zu liefern. Während des Betriebs erzeugen Verbrennungsprozesse in der Maschine 10 einen Abgaszustrom oder eine Abgasströmung 16, die in den gezeigten Richtungen wandert und regulierte Bestandteile, wie Verbrennungsnebenprodukte, enthält, die durch das Abgasnachbehandlungssystem 12 vor Freisetzung von dem System, wie an eine externe Umgebung, umgewandelt werden müssen. Die Bestandteile der Abgasströmung 16, die durch die Maschine 10 unter Magerverbrennungsbedingungen erzeugt werden, umfassen unter anderem HC, CO, NO_x und PM.
Das Abgasnachbehandlungssystem 12 ist ein integriertes System, das dazu bestimmt ist, die regulierten Bestandteile der Abgasströmung 16 zu behandeln, um eine Strömung zu erzeugen, die nicht regulierte Bestandteile oder regulierte Bestandteile in Mengen aufweist, die von dem System an die externe Umgebung freigesetzt werden können, wie durch Reduzierung von Mengen der regulierten Bestandteile auf akzeptable Niveaus oder durch chemisches Umwandeln derselben in nicht regulierte Materialien, die freigesetzt werden können. Einer oder mehrere Abgaskrümmer 22 und zugeordnete Leitungen führen und lenken die Abgasströmung 16 zu und durch den Abgaskanal 24 in das Abgasnachbehandlungssystem 12. Ein interner Abgaskrümmer 22, d. h. in dem Kopf oder der Maschine angeordnet, wie in den 3–5 gezeigt ist, ist insbesondere nützlich, um eine enge Kopplung des Abgasnachbehandlungssystems 12 zu unterstützen, jedoch können sowohl interne als auch externe Abgaskrümmer in Verbindung mit dem Abgasnachbehandlungssystem 12 verwendet werden.
Das Abgasnachbehandlungssystem 12 weist eine Mehrzahl fluidtechnisch gekoppelter Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 auf, die in dem Gehäuse 20 untergebracht und durch eine Kombination einer Mehrzahl von Leitungen und Ventilen gekoppelt sind, die von einer Position (beispielsweise geöffnet) in eine andere Position (beispielsweise geschlossen) geschaltet werden können, um eine Mehrzahl von Strömungspfaden durch das System zu definieren und eine Mehrzahl verschiedener Kombinationen von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen bereitzustellen. Während die Ventile von einer vollständig geöffneten zu einer vollständig geschlossenen Position bewegt werden können, ist auch eine Bewegung zu teilweise geöffneten oder teilweise geschlossenen Positionen möglich. Das Gehäuse 20 kann eine beliebige geeignete Gehäuseform oder -größe aufweisen und kann aus einem beliebigen geeigneten Hochtemperaturmaterial geformt sein, das zur Verwendung über dem Betriebstemperaturbereich des Systems geeignet ist, einschließlich bei einer beispielhaften Ausführungsform eines Betriebstemperaturbereiches von etwa 200–550°C. Geeignete Materialien für das Gehäuse 20 umfassen verschiedene Metalle, wie verschiedene Güten von rostfreien Stählen wie auch verschiedene Keramikmaterialien. Die Mehrzahl von Kombinationen von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 definiert eine entsprechende Mehrzahl von Betriebsmoden oder Konfigurationen, in denen das Abgasnachbehandlungssystem 12 betrieben werden kann.
Das Abgasnachbehandlungssystem 12 weist auch eine erste Abgasleitung 36 auf, die fluidtechnisch mit dem Abgaskanal 24 gekoppelt ist. Die Fluidkopplung, wie hier verwendet ist, betrifft eine abgedichtete Kopplung, die ausreichend ist, eine Aufnahme einer Abgasströmung 16 in einem Abgasnachbehandlungssystem 12 und Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 bei vorbestimmten Betriebsdrücken und Durchflüssen zu ermöglichen. Eine Fluidkopplung kann durch herkömmliche Fluidkopplungsvorrichtungen erreicht werden, einschließlich verschraubbaren oder klemmbaren Flanschen und Dichtungselementen, Abdichtungen oder Packungen, Schweißnähten und dergleichen. Eine erste Abgasleitung 36 umfasst ein erstes Ventil 38, das in Verbindung mit einem vorbestimmten Betriebssteuerschema oder einer vorbestimmten Betriebssteuerarchitektur zwischen einer ersten Position 40 (3 und 5) und einer zweiten Position 42 (4) betätigbar, d. h. bewegbar ist. Eine Bewegung eines ersten Ventils 38 zu einer ersten Position 40 unterstützt eine Abgasströmung 16 in der ersten Abgasleitung 36 zu einem Einlass eines OC 26. Der OC 26 kann in einer Kammer untergebracht sein, die in dem Gehäuse 20 geformt ist, oder kann in einer separaten Dose 44 untergebracht sein, wie einer Metalldose, die in dem Gehäuse 20 angeordnet ist. Eine Bewegung des ersten Ventils 38 zu der zweiten Position 42 unterstützt eine Abgasströmung 16 in der zweiten Abgasleitung 46, die sich zwischen dem ersten Ventil 38 und einem Einlass des Turboladers 18 erstreckt.
Das Abgasnachbehandlungssystem 12 weist auch eine dritte Abgasleitung 48 auf, die fluidtechnisch mit einem Auslass des OC 26 gekoppelt ist. Die dritte Abgasleitung 48 erstreckt sich von dem Auslass des OC 26 zu einem Einlass des PF 30. Die dritte Abgasleitung 48 umfasst ein zweites Ventil 50, das zwischen einer ersten Position 52 (5) und einer zweiten Position 54 (3 und 4) betätigbar ist. Eine Bewegung des zweiten Ventils 50 zu einer ersten Position 52 unterstützt eine Abgasströmung 16 in einer dritten Abgasleitung 48 zu einem Einlass des PF 30. Eine Bewegung des zweiten Ventils 50 zu einer zweiten Position 54 unterstützt eine Abgasströmung 16 durch eine vierte Abgasleitung 56 (3) zu einem Einlass 58 in der zweiten Abgasleitung 46.
Das Abgasnachbehandlungssystem 12 ist zur Verwendung mit einem Turbolader 18 konfiguriert. Der Turbolader 18 umfasst eine Turbinensammlerleitung 60, die sich spiralförmig einwärts um ein Turbinenrad windet, das in Fluidkommunikation mit der Leitung durch die Turbinendüse steht. Die Düse lenkt eine Abgasströmung 16 über die Turbinenschaufeln an dem Turbinenrad, wo sie durch den Turbinenauslass 62 ausgestoßen wird, wodurch eine Rotation des Turbinenrades und der Turbinenwelle, an der es befestigt ist, bewirkt wird; dies rotiert seinerseits das Kompressorrad, das an dem gegenüberliegenden Ende der Welle befestigt ist. Eine Rotation des Kompressorrades zieht Luft in die Kompressoransaugung 64, die dann komprimiert wird, wenn sie durch die Kompressordüse gelangt, und wird durch die Kompressorkammerleitung 66 und den Kompressorauslass 68 als Zwangsbeatmungsluftströmung 70 ausgestoßen. Der Turbolader 18 ist an dem Gehäuse 20 und dem Turbineneinlass 72 angeordnet, der sich in die Turbinensammlerleitung 60 öffnet, und ist fluidtechnisch mit der zweiten Abgasleitung 46 stromabwärts des Einlasses 58 gekoppelt. Der Turbolader 18 wirkt als eine Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung, die derart konfiguriert ist, eine Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung 70 zu erzeugen, um den Betriebswirkungsgrad der Maschine 10 zu steigern.
Das Abgasnachbehandlungssystem 12 weist auch einen SCR-Katalysator 28 auf, der fluidtechnisch mit einem Turbinenauslass 62 gekoppelt ist, um die Abgasströmung 16 davon aufzunehmen. Der PF-Katalysator 30 ist fluidtechnisch mit einem SCR-Katalysator 28 gekoppelt, um die Abgasströmung 16 davon aufzunehmen. Der PF 30 ist fluidtechnisch mit einer Leitung 73 zum Ausstoßen der behandelten Abgasströmung 16 an die Außenumgebung gekoppelt. Jeder des SCR-Katalysators 28 und des PF 30 können in einer jeweiligen in dem Gehäuse 20 geformten Kammer untergebracht sein oder können in separaten Dosen 74 bzw. 76 untergebracht sein, wie Metalldosen, die in dem Gehäuse 20 angeordnet sind, oder beides. Der PF 30 kann auch einen SCR-Katalysator 90' aufweisen, der an dem Filter angeordnet ist und einen Harnstoff-SCR-(U-SCR)-Katalysator aufweist, und die Kombination aus PF 30 und dem U-SCR-Katalysator kann in einer einzelnen Dose, wie einer Dose 76, untergebracht sein.
Die erste Abgasleitung 36, die zweite Abgasleitung 46, die dritte Abgasleitung 48 und die vierte Abgasleitung 56 können als integrale Leitungen in dem Gehäuse 20 geformt sein oder können einzelne Rohre oder Leitungen aufweisen, die fluidtechnisch mit ihren jeweiligen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 oder aneinander, wie hier beschrieben ist, gekoppelt und an oder in dem Gehäuse 20 angeordnet sind. Mit Anordnung daran ist gemeint, dass alle oder ein Anteil von einer oder mehreren der Leitungen an der Außenseite des Gehäuses 20 angeordnet sein können oder sich durch die Außenwand des Gehäuses 20 erstrecken können, wie in den 1 und 2 gezeigt ist.
Das erste Ventil 38 und das zweite Ventil 50 können jeweils ein elektrisch steuerbares Ventil oder ein thermostatisch steuerbares Ventil aufweisen oder können eine Kombination aus elektrisch und thermostatisch steuerbaren Ventilen aufweisen. Das erste Ventil 38 und das zweite Ventil 50 können ein beliebiges geeignetes Hochtemperaturventil aufweisen, das einen Betriebstemperaturbereich besitzt, der dem des Abgasnachbehandlungssystems 12 entspricht, und können einen beliebigen geeigneten Ventilmechanismus aufweisen, wie Absperr-, Teller-, Kegel-, Durchgangs-, Rückschlag-, Drossel-, Membran-, Kugel-, Nadel- oder Quetschventile oder eine Kombination daraus. Das erste Ventil 38 oder das zweite Ventil 50 können mechanisch unter Verwendung eines Thermostaten oder eines anderen mechanischen Aktuators oder elektrisch unter Verwendung eines Elektromotors oder eines Solenoids oder unter Verwendung einer Kombination daraus betätigt werden.
Wie oben angemerkt und in den 3–5 gezeigt ist, können die Positionen des ersten Ventils 38 und des zweiten Ventils 50 bewegbar konfiguriert und gesteuert werden, um eine Mehrzahl von Betriebsmoden zu definieren, die einen ersten Betriebsmodus 78 (3), einen zweiten Betriebsmodus 80 (4) und einen dritten Betriebsmodus 82 (5) aufweisen. Beispielsweise ist bei den Ausführungsformen der Betriebsmoden, die in den 3–5 gezeigt sind, das erste Ventil 38 zwischen einer ersten Position 40, die die erste Abgasleitung 36 vollständig öffnet und die zweite Abgasleitung 46 im Wesentlichen schließt, und einer zweiten Position 42 bewegbar, die die erste Abgasleitung 36 im Wesentlichen schließt und die zweite Abgasleitung 46 vollständig öffnet. Ähnlicherweise ist das zweite Ventil 50 zwischen einer ersten Position 52, die die dritte Abgasleitung 48 vollständig öffnet und die vierte Abgasleitung 56 im Wesentlichen schließt, und einer zweiten Position 54 bewegbar, die die dritte Abgasleitung 48 im Wesentlichen schlieft und die vierte Abgasleitung 56 vollständig öffnet. Bei anderen beispielhaften Ausführungsformen sind andere Positionen des ersten Ventils 38 und des zweiten Ventils 50 möglich, einschließlich denen, die erste und zweite Positionen dieser Ventile definieren, die teilweise offen und teilweise geschlossen sind, oder die mehr als zwei Positionen dieser Ventile verwenden, um eine entsprechende Mehrzahl von Betriebsmoden zu definieren, oder die kontinuierlich variable Positionen dieser Ventile verwenden, um eine entsprechende Mehrzahl von Betriebsmoden zu definieren.
In dem ersten Betriebsmodus 78 befindet sich das erste Ventil 38 in der ersten Position 40 und das zweite Ventil 50 befindet sich in der zweiten Position 54 und die Abgasströmung 16 folgt einem ersten Pfad 84 (2) durch den OC 26, den Turbolader 18, den SCR-Katalysator 28 und den PF 30. Der erste Betriebsmodus 78 ist insbesondere als ein Inbetriebnahme- oder Kaltstartmodus geeignet, wie hier beschrieben ist, wobei die Maschine 10 und das Abgasnachbehandlungssystem 12 noch nicht eine vorbestimmte Betriebstemperatur oder ein vorbestimmtes Gemisch aus Abgasbestandteilen erreicht haben, wie beispielsweise, wenn die Temperatur der Maschine 10 und des Abgasnachbehandlungssystems 12 geringer (kälter) als eine vorbestimmte Betriebstemperatur ist oder wenn ein vorbestimmtes Magerverbrennungsgemisch aus Bestandteilen noch nicht erreicht worden ist (beispielsweise wenn das Gemisch aus Abgasbestandteilen kraftstoff- oder HC-reich ist). In dem ersten Betriebsmodus ist der erste Turbolader 18 so konfiguriert, dass er eine Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung 70 an einen Ansaugkanal 111 einer Maschine oder alternativ an einen Ansaugkrümmer 113 zur Verteilung an die Maschinenzylinder (nicht gezeigt) liefert.
In dem zweiten Betriebsmodus 80 (4) befindet sich das erste Ventil 38 in der zweiten Position 42 und das zweite Ventil befindet sich in der zweiten Position 54 und die Abgasströmung 16 folgt einem zweiten Pfad 86 (2) durch den Turbolader 18, den SCR-Katalysator 28 und den PF 30. Der zweite Betriebsmodus 80 ist insbesondere als ein normaler Betriebsmodus verwendbar, wie hier beschrieben ist, bei denn die Maschine 10 und das Abgasnachbehandlungssystem 12 eine vorbestimmte Betriebstemperatur oder ein vorbestimmtes Gemisch von Abgasbestandteilen einreicht haben, wie beispielsweise, wenn die Maschine 10 und das Abgasnachbehandlungssystem 12 bei oder oberhalb einer vorbestimmten Betriebstemperatur, bei der der SCR-Katalysator 28 und der PF 30 funktionieren, oder innerhalb eines Bereiches von Temperaturen liegen, die mit einer erwünschten Betriebstemperatur in Verbindung stehen, oder wo ein vorbestimmtes Magerverbrennungsgemisch von Abgasbestandteilen erreicht worden ist (beispielsweise wenn das Abgas eine Temperatur oder ein Gemisch aufweist, das für einen Regenerationszustand repräsentativ ist, oder wenn die NO_x-Konzentration über einer vorbestimmten Menge oder innerhalb eines vorbestimmten Bereiches von Mengen liegt und die Verwendung des SCR-Katalysators 28 oder des PF 30 oder von beiden erforderlich ist/sind, um Abgasemissionen zu steuern, der OC 26 jedoch nicht erforderlich ist. In dem zweiten Betriebsmodus ist der erste Turbolader 18 auch so konfiguriert, dass er eine Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung 70 an einen Ansaugkanal 111 einer Maschine oder alternativ einen Ansaugkrümmer 113 zur Verteilung an die Maschinenzylinder (nicht gezeigt) liefert.
In dem dritten Betriebsmodus 82 (5) befindet sich das erste Ventil 38 in der ersten Position 40 und das zweite Ventil befindet sich in der ersten Position 52 und die Abgasströmung 16 folgt einem dritten Pfad 87 (2) durch den OC 26 und den PF 30. Der dritte Betriebsmodus 82 ist insbesondere als ein Regenerationsmodus nützlich, wie hier beschrieben ist, bei dem die Maschine 10 und das Abgasnachbehandlungssystem 12 eine vorbestimmte Betriebstemperaturgrenze oder ein vorbestimmtes Gemisch von Abgasbestandteilen überschritten haben, oder wo eine Regenerationstemperatur oder ein Regenerationsgemisch von Abgasbestandteilen oder ein Regenerationszustand erreicht worden ist, wie beispielsweise, wenn die Maschine 10 und das Abgasnachbehandlungssystem 12 über einer vorbestimmten Betriebstemperaturgrenze für den SCR-Katalysator 28 und den PF 30 liegen, oder wenn ein vorbestimmtes Gemisch aus Abgasbestandteilen, ein vorbestimmtes Zeitintervall oder ein vorbestimmter Betriebsparameter oder -zustand (beispielsweise Gegendruck stromaufwärts des PF 30) erreicht worden ist/sind. In dem dritten Betriebsmodus 82 wird die Abgasströmung 16 so geführt, dass sie nicht durch den Turbolader 18 oder den SCR-Katalysator 28 gelangt, bis die gewünschte Regeneration erreicht worden ist. Während dieses Modus kann es sein, dass die Abgasströmung 16 durch den Turbolader 18 nicht ausreichend ist, um eine vorbestimmte Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung 70 oder eine für die Maschine 10 gewünschte Aufladung zu erreichen. In solchen Fällen wie auch während transienter Bedingungen, die an dem Turboladerabgaseingang und der Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung 70 auftreten, wenn von einem Modus zu einem anderen Modus gewechselt wird, wenn die Positionen des ersten Ventils 38 und des zweiten Ventils 50 gewechselt werden und es sein kann, dass die Abgasströmung 16 durch den Turbolader 18 nicht ausreichend ist, um eine vorbestimmte Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung 70 oder eine für die Maschine 10 gewünschte Aufladung zu erreichen. In solchen Fällen kann der Betriebsmodus von einem des ersten Modus 78 oder des zweiten Modus 80 zur Bereitstellung der vorbestimmten Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung 70 gewechselt werden. Alternativ dazu kann es gewünscht sein, ein Mittel zur Ergänzung der Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung 70 mit einer zusätzlichen Menge an Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung bereitzustellen, wie hier beschrieben ist, so dass das System in dem dritten Betriebsmodus 82 bleiben kann, während auch die gewünschte Menge an Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung bereitgestellt wird.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfassen die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 einen OC 26, einen SCR-Katalysator 28 und einen PF 30, und kann insbesondere, wenn die Maschine 10 eine Dieselmaschine ist, einen Diesel-OC 26 (DOC), einen SCR-Katalysator 28 und einen Diesel-PF 30 (DPF) aufweisen. Der SCR-Katalysator 28 kann einen beliebigen geeigneten SCR-Katalysator 28 oder eine Kombination aus SCR-Katalysatoren 28 aufweisen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der SCR-Katalysator 28 einen Mager-NO_x-Fänger (LNT) 88 oder einen U-SCR-Katalysator 90 aufweisen. Alternativ dazu kann der SCR-Katalysator 28 eine Kombination aus einem LNT 88 und einem U-SCR-Katalysator 90 (2) aufweisen. Noch spezieller kann der SCR-Katalysator 28 eine Konfiguration aufweisen, bei der der LNT 88 stromabwärts des Turbinenauslasses 62 angeordnet und fluidtechnisch mit diesem gekoppelt ist und der U-SCR-Katalysator 90 stromabwärts des LNT 88 angeordnet und fluidtechnisch mit diesem gekoppelt ist (2). Alternativ dazu kann ein U-SCR-Katalysator 90' in dem PF 30 untergebracht sein (2). Bei dieser Konfiguration können der U-SCR-Katalysator 90' und der PF 30 an separaten Substraten untergebracht sein, und genauer kann der U-SCR-Katalysator 90' an dem PF 30 angeordnet sein und einen Zwei-Wege-Katalysator umfassen, wie hier beschrieben ist.
Bei der beispielhaften Ausführungsform der 1–5 steht der OC 26 in Fluidkommunikation mit der Maschine 10 und ist mit Bezug auf die Abgasströmung 16 stromaufwärts von dem SCR-Katalysator 28 angeordnet, der den LNT-Katalysator 88 und den U-SCR-Katalysator 90 aufweist, und ist derart konfiguriert, dass er gewisse Bestandteile der Abgasströmung 16 oxidiert, um nicht regulierte Nebenprodukte oder Bestandteile zu erzeugen, die zur Weiterbehandlung in anderen Komponenten des Abgasbehandlungssystems 12 angepasst sind, wie hier beschrieben ist. In dem ersten Betriebsmodus 78 (3) des Abgasnachbehandlungssystems 12 ist der OC 26 fluidtechnisch mit dem LNT-Katalysator 88, dem U-SCR-Katalysator 90 und dem Zwei-Wege-Katalysator gekoppelt, der den PF 30 bzw. die U-SCR-Katalysatoren 90' aufweist. In dem zweiten Betriebsmodus 80 (4) wird die Abgasströmung 16 um den OC 26 durch den LNT-Katalysator 88, den U-SCR-Katalysator 90 und den Zwei-Wege-Katalysator, der dem PF 30 und die U-SCR-Katalysatoren 90' aufweist, parallel geschaltet. Wenn der Gebrauch der U-SCR-Katalysatoren 90, 90' in diesem Betriebsmodus gewünscht ist, kann das Ventil 38 teilweise offengelassen werden, um einen Anteil der Abgasströmung 16 in der ersten, dritten, vierten und zweiten Abgasleitung zu unterstützen, um Harnstoff von dem Harnstoffinjektor 106 an die U-SCR-Katalysatoren 90, 90' zu transportieren. Alternativ dazu kann das Ventil 38 in der zweiten Position 42 angeordnet sein, und ein zweiter Harnstoffinjektor 106', der auch fluidtechnisch mit dem Harnstofftank 112 gekoppelt sein kann, kann in der zweiten Abgasleitung 46 angeordnet sein, wie an einer Stelle 45, um Harnstoff an die U-SCR-Katalysatoren 90, 90' zu liefern. In dem dritten Betriebsmodus 82 (5) ist der OC 26 nur fluidtechnisch mit dem PF 30 und dem U-SCR-Katalysator 90' gekoppelt, um einen Schaden oder eine Reduktion der Lebensdauer des LNT-Katalysators 88 zu vermeiden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der OC 26 eine Durchströmvorrichtung, die aus einem metallischen oder keramischen Monolith oder Substrat besteht, der/das eine wabenartige Struktur aufweist, die eine Mehrzahl allgemein paralleler, sich in Längsrichtung erstreckender verbundener Zellen aufweist, die ein Netzwerk bereitstellen, das eine Mehrzahl von Strömungskanälen zur Aufnahme einer Abgasströmung 16 umfasst, und die durch ein entsprechendes Netzwerk von Zellenwänden getrennt sind. Das Substrat besitzt eine große Oberfläche entlang der Zellenwände. Die Zellenwände besitzen einen Washcoat, der eine poröse keramische Matrix mit einer Oberfläche aufweist, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Katalysators eines Metalls der Platingruppe beschichtet ist. Geeignete Metalle der Platingruppe umfassen Pt, Pd, Rh, Ru, Os oder Ir oder eine geeignete Kombination daraus. Aus diesen sind Pt oder Pd oder Kombinationen daraus, einschließlich deren Legierungen, besonders nützlich. Wenn die Abgasströmung 16 die Länge des OC 26, insbesondere die Strömungskanäle und die mit Washcoat beschichteten Zellenwände durchquert, katalysiert der Katalysator aus Metall der Platingruppe die Oxidation von CO zu CO₂ und katalysiert auch die Oxidation verschiedener HC-Bestandteile, einschließlich gasförmiger Kohlenwasserstoffe und flüssiger Kohlenwasserstoffpartikel, wie nicht verbranntem Kraftstoff oder Öl oder Kraftstoff oder anderen HC, die zu diesem Zweck in das Abgasnachbehandlungssystem eingeführt werden, um CO₂ und H₂O zu bilden, wodurch schädliche Emissionen reduziert werden. Beispielsweise kann in dem ersten Betriebsmodus 78 das Steuersystem 32, das das ECM 34 enthält, dazu verwendet werden, eine Verbrennung zu bewirken, die ein höheres Niveau an HC in der Abgasströmung 16 zur Folge hat, als mit stöchiometrischen Luft/Kraftstoffgemischen während der normalen Verbrennung erzeugt wird. Der OC 26 ist derart konfiguriert, dass er die Zersetzung durch Oxidation zumindest eines Anteils der erhöhten Mengen an HC anlässt oder katalysiert, um ein Erreichen der U-SCR-Katalysatoren 90, 90' durch die HC in der Abgasströmung und ein Vergiften dieser Vorrichtungen durch Reduzierung ihrer Fähigkeit zur Katalysierung von NO_x oder ein Erreichen der externen Umgebung durch Freisetzung von dem Abgasnachbehandlungssystem 12 zu reduzieren oder alternativ zu verhindern. Die exotherme Oxidationsreaktion erwärmt auch die anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen 14, einschließlich dem SCR-Katalysator 28, auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur, wie hier beschrieben ist. Bei einem anderen Beispiel kann in dem dritten Betriebsmodus 82 das Steuersystem 32, das das ECM 34 aufweist, dazu verwendet werden, eine Verbrennung zu bewirken, die höhere Niveaus an HC in der Abgasströmung 16 zur Folge hat, als mit stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemischen während der normalen Verbrennung erzeugt wird, und die Wärme aus der exothermen Oxidationsreaktion kann dazu verwendet werden, dem PF 30 durch Oxidation des darin mitgeführten PM zu regenerieren.
Der OC 26 kann derart konfiguriert sein, dass er verschiedene regulierte Abgasbestandteile in andere regulierte oder nicht regulierte Abgasbestandteile durch Oxidation umwandelt. Beispielsweise kann der OC 26 derart konfiguriert sein, dass er Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlendioxid CO₂ und Wasser (H₂O) umwandelt, Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO₂) umwandelt, Schwefeldioxid (SO₂) zu Schwefeltrioxid (SO₃) und/oder Schwefelsäure (H₂SO₄) umwandelt und Stickoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) umwandelt, oder anderweitig. Es sei zu verstehen, dass der OC 26 derart konfiguriert sein kann, dass er beliebige der obigen Umwandlungen, Kombinationen der obigen Umwandlungen oder sogar alle der obigen Umwandlungen abhängig von den Reaktandenverbindungen und deren Konzentrationen, die in der Abgasströmung 16 gefunden werden, der Temperatur des OC 26 und der als Katalysator gewählten Metalle der Platingruppe ausführt. Andere Oxidationen sind ebenfalls denkbar, wie Oxidationen von Aldehyden, polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen oder anderen. Ferner können die Reaktionen in dem OC 26 dazu verwendet werden, den Geruch gewisser Emissionskomponenten zu reduzieren.
Der OC 26 ist in dem Gehäuse 20 angeordnet. Er kann in einer Kammer 92, die in dem Gehäuse 20 geformt ist, angeordnet sein (2), oder kann alternativ dazu in einer Dose 44 angeordnet sein, die ihrerseits in einem Gehäuse 20 angeordnet ist, wie eine Metalldose, die eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung oder anderes aufweist und zur Bereitstellung einer Abstützung und zum Lenken einer Abgasströmung 16 zu und von dem OC 26 konfiguriert ist, oder kann in sowohl der Kammer 92 als auch der Dose 44 angeordnet sein. Die Kammer 92 oder die Dose 44 kann eine beliebige geeignete Form oder Größe aufweisen, einschließlich denen mit einer zylindrischen Form. Das Fach kann ferner Befestigungsmerkmale aufweisen, wie ein zylindrisches Einlassrohr 21 (2), das nahe einer Einlassöffnung 23 angeordnet ist (2 und 3–5), und ein zylindrisches Auslassrohr 25 (2), das nahe an der Auslassöffnung 27 des Faches zur Fluidkopplung des OC 26 mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 12 angeordnet ist. Es sei zu verstehen, dass der OC 26 einschließlich des Gehäuses 20 eine oder mehrere zusätzliche Abgaskomponenten (3) zur Unterstützung des Betriebs des OC 26 oder des Abgasnachbehandlungssystems 12 oder Steuersystems 32 aufweisen kann, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, verschiedene Gassensoren 98 (beispielsweise NO_x), Temperatursensoren 100, Drucksensoren 102, HC-Injektoren 104 oder Harnstoffinjektoren 106 oder andere. Derartige zusätzliche Merkmale können insbesondere zur Überwachung von Charakteristiken der Abgasströmung 16 vorteilhaft sein, wie einem Durchfluss gewisser Emissionskomponenten (beispielsweise PM oder andere), was insbesondere zur Bestimmung der Notwendigkeit der Auslösung des Betriebs des OC 26, des SCR-Katalysators 28 einschließlich des LNT-Katalysators 88 oder der U-SCR-Katalysatoren 90, 90' oder zur Regeneration des PF 30 vorteilhaft sein kann.
Bei einer bestimmten Konfiguration ist der OC 26 derart konfiguriert, dass er Stickoxid in der Abgasströmung 16 zu Stickstoffdioxid oxidiert. Dies ist vorteilhaft, da diese Umwandlung den Gesamt-NO_x-Umwandlungsprozess unterstützt, indem eine Speicherung von Stickstoffdioxid in dem LNT-Katalysator 88 oder eine Reduktion zu Stickstoff durch U-SCR-Katalysatoren 90, 90' oder einer Kombination daraus ermöglicht wird, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reaktionen in dem Abgasnachbehandlungssystem 12 existieren. Eine Oxidation von Stickstoff und der anderen Bestandteile, wie hier beschrieben ist, wird unter Magerverbrennungsbedingungen unterstützt, die relativ höhere O₂-Niveaus und geringere HC-Niveaus aufweisen, wobei die Bedingungen unter Verwendung des Steuersystems 32, das das ECM 34 aufweist, beeinflusst werden können. Demgemäß ist eine Anordnung des OC 26 stromaufwärts von dem LNT-Katalysator 88 und der U-SCR-Katalysatoren 90, 90' besonders vorteilhaft, wobei besonders die Fähigkeit gegeben ist, das Abgasnachbehandlungssystem 12 zu rekonfigurieren, um die Anordnung dieser Vorrichtungen gemäß den hier beschriebenen Moden zu ändern. Es ist auch sehr vorteilhaft, das Abgasnachbehandlungssystem 12 und den OC 26 insbesondere nahe der Maschine 10 und denn Abgaskanal 24, bevorzugt so nahe wie möglich mit der Maschine zu koppeln, um eine Betriebstemperatur in dem OC 26 von zumindest etwa 356°F (180°C) und bevorzugter im Bereich von etwa 482°F (250°C) bis etwa 842°F (450°C) beizubehalten.
Bei der beispielhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 12 und des Turboladers 18, wie in den 1–5 gezeigt ist, umfasst der OC 26 einen ersten OC 26.1 und einen zweiten OC 26.2, der fluidtechnisch mit dem ersten OC 26.1 gekoppelt und stromabwärts von diesem angeordnet ist. Diese Anordnung kann dazu verwendet werden, die Gesamtbehandlungskapazität des OC 26 durch Bereitstellung einer größeren katalytisch aktiven Oberfläche zu steigern. Sie kann auch dazu verwendet werden, die Anspringcharakteristiken des OC 26 durch Bereitstellung eines kleineren OC 26.1 stromaufwärts eines größeren OC 26.2 zu ändern, wobei die kleinere thermische Masse des OC 26.1 eine schnellere Erwärmung und ein schnelleres Anspringen dieser Vorrichtung unterstützt, und wobei die aus dem Anspringen des OC 26.1 resultierende exotherme Reaktion dazu verwendet wird, den OC 26.2 schnell zu erwärmen und ein schnelles Anspringen zu unterstützen, als es ohne die Wirkung des OC 26.1 der Fall wäre. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft für Kaltstartbedingungen, da sie ein schnelleres Anspringen sowohl des OC 26.1 als auch des OC 26.2 ermöglicht und einen HC-Schlupf durch das Abgasnachbehandlungssystem 12 reduziert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform dieser Anordnung besitzt der erste OC 26.1 ein erstes Volumen (V₁) und der zweite OC 26.2 besitzt ein zweites Volumen (V₂), und V₁ < V₂.
Wie in den Ausführungsformen der 1–5 gezeigt ist, weist der SCR-Katalysator 28 einen LNT-Katalysator 88 auf, der fluidtechnisch mit einem Turbolader 18 und einem U-SCR-Katalysator 90 gekoppelt ist. Der LNT-Katalysator 88 ist stromabwärts (relativ weiter von der Maschine und weiter entlang des Abgasströmungspfades) von der Maschine 10 als der OC 26 zwischen dem OC 26 und dem U-SCR-Katalysator 90 angeordnet. Der LNT 88 ist derart konfiguriert, dass er gewisse Bestandteile der Abgasströmung 16, insbesondere NO_x zum Freisetzen und Umwandeln speichert, um nicht regulierte Nebenprodukte oder regulierte Bestandteile zu erzeugen, die zur weiteren Behandlung in anderen Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 12 angepasst sind, wie hier beschrieben ist. Der LNT-Katalysator 88 kann einen keramischen Durchströmmonolithen mit einem Katalysator-Washcoat aufweisen, der an den Wänden des Monolithen angeordnet ist.
Der LNT-Katalysator 88 ist eine Durchströmvorrichtung, die einen keramischen Monolith oder Substrat mit einer wabenförmigen Struktur aufweisen kann, die eine Mehrzahl von allgemein parallelen, sich in Längsrichtung erstreckenden, verbundenen Zellen aufweist, die ein Netzwerk bereitstellen, das eine Mehrzahl von Strömungskanälen zur Aufnahme einer Abgasströmung 16 umfasst, und durch ein entsprechendes Netzwerk von Zellenwänden getrennt sind. Das Substrat besitzt eine große Oberfläche entlang der Zellenwände. Der Washcoat ist an den Zellenwänden des keramischen Durchströmmonolithen angeordnet. Der Washcoat umfasst einen Oxidationskatalysator, ein Adsorptionsmittel und einen Reduktionskatalysator, der an der porösen Matrix angeordnet ist. Der Washcoat kann an beliebiger Stelle entlang der Zellenwände der Mehrzahl von Zellendurchgängen angeordnet sein. Der Washcoat umfasst eine poröse Matrix mit einer Oberfläche, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Oxidationskatalysators, einem Adsorptionsmittel und einem Reduktionskatalysator beschichtet ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Oxidationskatalysator Pt oder PD aufweisen; das Adsorptionsmittel kann ein Oxid oder eine andere Verbindung aus Ba, Ca, Sr, Mg, K, Na, Li, Cs, La oder Y oder eine Kombination daraus aufweisen; und der Reduktionskatalysator kann Rh aufweisen. Die poröse Matrix kann eine poröse keramische Matrix aufweisen, die verschiedene poröse Zeolithmatrizen aufweist. Der keramische Wandströmungsmonolith kann aus einer beliebigen geeigneten Keramik hergestellt sein, einschließlich Cordierit oder Aluminiumoxid oder dergleichen.
Das Adsorptionsmittel ist das NO_x-Speichermaterial des LNT-Katalysators 88. Das Adsorptionsmittel ist an dem Washcoat angeordnet und kann sich auch in die Zellenwände erstrecken. Unter Bedingungen, die magerer als ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis sind, d. h. mit Überschussluft, was als ein Magerzustand bezeichnet wird, wird NO_x an dem Oxidationskatalysator oxidiert und durch Adsorption an dem Adsorptionsmittel primär in der Form eines Nitrats gespeichert. Wenn das Steuersystem 32 Bedingungen in dem Abgasnachbehandlungssystem 12, die fetter als ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis sind, d. h. mit überschüssigem Kraftstoff, was als ein fetter Zustand bezeichnet wird, entweder durch Steuerung der Verbrennung in der Maschine 10 oder durch direktes Dosieren oder direkte Injektion von HC-Reduktionsmittel in das Abgasnachbehandlungssystem 12 unter Verwendung eines HC-Kraftstoffinjektors 104 bereitstellt, wird NO_x von dem NO_x-Speichermaterial ausgetragen. NO wird zu Stickstoff mit HC und CO in dem Abgas reduziert, während PM in dem PF 30 mit dem somit erzeugten aktiven Sauerstoff weiter oxidiert wird. Der LNT-Katalysator 88 ist derart angepasst, dass er eine Adsorption von NO_x über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Abgasnachbehandlungssystems 12 und der Maschine 10 bereitstellt, einschließlich typischer Umgebungstemperaturen zum Abstellen/zum Start des Fahrzeugs zwischen etwa –40°F (etwa –40°C) bis etwa 120°F (etwa 49°C) bis zu Betriebstemperaturen von bis zu etwa 1292°F (etwa 700°C). Allgemein beginnt die katalytische Zersetzung von NO_x in dem LNT-Katalysator 88 bei einer Betriebstemperatur von 356°F (180°C) aufzutreten, wobei eine bevorzugtere Betriebstemperatur zur NO_x-Zersetzung in dem LNT-Katalysator 88 zumindest etwa 392°F (200°C) ist und noch bevorzugter einen Betriebstemperaturbereich von etwa 482°F (250°C) bis etwa 842°F (450°C) umfasst. Ähnlicher Weise filtert der PF 30 des Zwei-Wege-Katalysators Ruß über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Maschine 10, einschließlich typischer Umgebungstemperaturen zum Abstellen/Start des Fahrzeugs zwischen etwa –40°F (etwa –40°C) bis etwa 120°F (etwa 49°C) bis zu Betriebstemperaturen bis zu etwa 1292°F (etwa 700°C). Eine passive Regeneration des PF 30 und eine Oxidation der Rußpartikel findet in der Anwesenheit von NO_x über den Temperaturbereich von 482°F (250°C) bis zu etwa 842°F (450°C) statt, während eine aktive Regeneration und Oxidation der Rußartikel in der Anwesenheit von O₂ bei Temperaturen von etwa 932°F (500°C) und mehr und bevorzugter über den Temperaturbereich von etwa 1112°F (600°C) bis zu etwa 1202°F (650°C) stattfinden.
NO_x-Adsorbersysteme des LNT-Katalysators 88 enthalten ein NO_x-Sorbtionsmittel oder -Adsorber. Die Speicherkomponenten der NO_x-Adsorber umfassen Erdalkalielemente und Alkalimetalle, einschließlich Ba, Ca, Sr, Mg, K, Na, Li, Cs, La oder Y oder Kombinationen daraus allgemein als Oxide oder andere Verbindungen dieser Elemente. Der Gesamtzyklus des NO_x-Adsorberbetriebs kann durch die folgenden fünf Schritte beschrieben werden: Stickstoffmonoxidoxidation zu Stickstoffdioxid, Adsorption von Stickoxiden (NO₂ oder NO), der dritte und vierte Schritt sind eine NO_x-Freisetzung von den Nitrit- oder Nitratstellen, und der fünfte Schritt ist eine NO_x-Reduktion zu Stickstoff. Während des Betriebs unter fetten Bedingungen erzeugt der LNT-Katalysator 88 auch vorteilhafterweise Ammoniak, das in den U-SCR-Katalysatoren 90, 90' verwendet werden kann.
Da die Abgasströmung 16 die Länge des LNT-Katalysators 88, insbesondere die Strömungskanäle und die mit Washcoat beschichteten Zellenwände durchquert, katalysiert ein Katalysator aus Metall der Platingruppe oder ein Grundmetallkatalysator oder eine Kombination daraus verschiedene Reaktionen, wie hier beschrieben ist. Bei einer bestimmten Konfiguration ist der LNT-Katalysator 88 so konfiguriert, dass er Stickoxid in der Abgasströmung 16 oxidiert, wie auch zu anderen Oxidationsreaktionen ähnlich denen des OC 26. Dies ist auch vorteilhaft, da diese Umwandlung den Gesamt-NO_x-Umwandlungsprozess unterstützt, indem eine anschließende Reduktion zu Stickstoff durch die U-SCR-Katalysatoren 90, 90' ermöglicht wird, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reaktion in dem Abgasnachbehandlungssystem 12 existieren. Dies erfolgt unter Magerverbrennungsbedingungen, die relativ höhere O₂-Niveaus und geringere HC-Niveaus besitzen, wobei die Bedingungen unter Verwendung des Steuersystems 32, das das ECM 34 aufweist, beeinflusst werden können. In dieser gleichen Konfiguration kann der LNT-Katalysator 88 auch dazu verwendet werden, NO_x in der Abgasströmung 16 zu Stickstoff zu reduzieren, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reduktionsreaktion in einem Abgasnachbehandlungssystem 12 existieren, wie unter Bedingungen mit relativ höheren Niveaus an HC aus der Maschine heraus, wobei das O₂, das ansonsten die beschriebene Oxidation unterstützen würde, verbraucht worden ist. Diese Reduktionsreaktion kann auch stattfinden, wenn relativ höhere HC-Niveaus durch die Direktinjektion von HC stromaufwärts des LNT-Katalysators 88 unter Verwendung des HC-Injektors 104 erhalten werden, wobei die Bedingungen unter Verwendung des Steuersystems 32, das das ECM 34 aufweist, beeinflusst werden können.
Der LNT 88 ist in dem Gehäuse 20 angeordnet. Er kann in einer Kammer 92, die in dem Gehäuse 20 geformt ist, angeordnet sein (2). Er kann auch in einer Dose 74 angeordnet sein, die ihrerseits in einem Gehäuse 20 angeordnet ist, wie eine Metalldose, die eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung oder anderes aufweist und zur Bereitstellung einer Abstützung und zum Lenken einer Abgasströmung 16 zu dem LNT-Katalysator 88 konfiguriert ist. Er kann auch in sowohl der Kammer 92 als auch der Dose 74 angeordnet sein. Die Kammer 92 oder die Dose 74 können eine beliebige geeignete Form oder Größe aufweisen, einschließlich denen mit einer zylindrischen Form. Das Fach kann ferner Befestigungsmerkmale aufweisen, wie ein zylindrisches Einlassrohr, das nahe einer Einlassöffnung angeordnet ist, und ein zylindrisches Auslassrohr, das nahe an einer Auslassöffnung des Faches zur Fluidkopplung des LNT-Katalysators 88 mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 12 angeordnet ist. Es sei zu verstehen, dass der LNT-Katalysator 88 einschließlich des Gehäuses 20 eine oder mehrere zusätzliche Abgaskomponenten zur Unterstützung des Betriebs des LNT-Katalysators 88 oder des Abgasnachbehandlungssystems 12 oder Steuersystems 32 aufweisen kann, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, verschiedene Gassensoren 98 (beispielsweise NO_x) oder Temperatursensoren 100, Drucksensoren 102, HC-Injektoren 104 oder Harnstoffinjektoren 106 oder andere. Derartige zusätzliche Merkmale können insbesondere zur Überwachung von Charakteristiken der Abgasströmung 16 vorteilhaft sein, wie einem Durchfluss gewisser Emissionskomponenten (beispielsweise Partikelmaterial oder andere), was insbesondere zur Bestimmung der Notwendigkeit der Auslösung des OC 26, des LNT-Katalysators 88 oder der U-SCR-Katalysatoren 90, 90' oder zur Regeneration des PF 30 vorteilhaft sein kann.
Bei den Ausführungsformen der 1–5 umfasst ein Zwei-Wege-Katalysator den PF 30 und den U-SCR-Katalysator 90'. Der Zwei-Wege-Katalysator ist eine Wandströmungsvorrichtung, die einen keramischen Monolith oder ein keramisches Substrat mit einer wabenartigen Struktur aufweist, die eine Mehrzahl allgemein paralleler, sich in Längsrichtung erstreckender verbundener Zellen aufweist, die ein Netzwerk mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen für Abgasströmung 16 bereitstellen und durch ein entsprechendes Netzwerk poröser Zellenwände getrennt sind. Das Substrat besitzt eine große Oberfläche entlang der Zellenwände. Alternierende benachbarte Zellen besitzen einen verstopften Einlass oder einen verstopften Auslass, so dass eine alternierende Gruppierung von Einlässen verstopft ist, wobei Einlässe der unmittelbar benachbarten Zellen offen sind, und eine alternierende Gruppierung von Auslässen verstopft ist, wobei Auslässe der unmittelbar benachbarten Zellen offen sind. Die Struktur besitzt offene Poren in den Zellenwänden. Somit gelangt die Abgasströmung 16 in die Mehrzahl von Einlässen und wird durch die porösen Zellenwände und in die benachbarten Auslasszellen getrieben, wo sie dann aus der Mehrzahl von nicht verstopften Auslässen strömt. Die Poren erlauben einen Durchgang der gasförmigen Bestandteile durch die Zellenwände, während das PM in den Poren abgefangen wird, wodurch die PM-Filterwirkung des PF 30 bereitgestellt wird. Der U-SCR-Katalysator 90' ist als ein Washcoat vorgesehen, der an dem keramischen Wandströmungsmonolith angeordnet ist. Der Washcoat umfasst einen SCR-Katalysator, der an einer keramischen Matrix angeordnet ist. Der Washcoat kann entlang der Zellenwände der Mehrzahl von Einlassdurchgängen oder der Mehrzahl von Auslassdurchgängen oder beiden angeordnet sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Washcoat an der Mehrzahl von Auslassdurchgängen angeordnet. Der Washcoat umfasst eine poröse Matrix mit einer Oberfläche, die mit einer katalytisch aktiven Menge an Reduktionskatalysator beschichtet ist. Der keramische Wandströmungsmonolith kann aus einer beliebigen geeigneten Keramik hergestellt sein, einschließlich Cordierit oder Aluminiumoxid oder dergleichen. Die Verwendung eines Zwei-Wege-Katalysators ist aufgrund der Raumreduktion, die gegenüber der Verwendung eines diskreten PF 30 und des U-SCR-Katalysators 90' erreicht wird, wie auch der Reduzierung der Gesamtanzahl einzelner Abgaskomponenten vorteilhaft. Der Zwei-Wege-Katalysator, der den PF 30 und den U-SCR-Katalysator 90' aufweist, ist derart angepasst, dass er eine Reduktion von NO_x (U-SCR-Katalysator 90') und eine Sammlung von PM (PF 30) über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Abgasnachbehandlungssystems 12 und der Maschine 10 bereitstellt, einschließlich typischer Umgebungstemperaturen zum Abstellen/Start des Fahrzeugs und Betriebstemperaturen, wie hier beschrieben ist. Eine passive Regeneration und eine aktive Regeneration und Oxidation der Rußpartikel erfolgt in der Anwesenheit von O₂, wie hier beschrieben ist.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Washcoat der U-SCR-Katalysatoren 90, 90' eine poröse keramische Matrix mit einer Oberfläche, die mit einer katalytisch aktiven Menge an Grundmetallkatalysator beschichtet ist, d. h. einer Menge, die ausreichend ist, um die gewünschten chemischen Reaktionen zu katalysieren. Geeignete Grundmetallkatalysatoren umfassen Kupfer (Cu) oder Eisen (Fe) oder eine Kombination daraus einschließlich Legierungen und Verbindungen daraus. Die poröse Matrix kann eine beliebige geeignete poröse Matrix aufweisen. Geeignete poröse Matrizen umfassen verschiedene Zeolithe, wie diejenigen, die Aluminiumoxid umfassen, einschließlich verschiedener Aluminiumoxidsilikate. In dem Fall von Cu-Katalysatoren ist ein geeigneter Zeolith kommerziell als ZSM-5 bekannt. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst der Washcoat eine poröse keramische Matrix mit einer Oberfläche, die mit einer katalytisch aktiven Menge an Grundmetallkatalysator beschichtet ist, wobei der Grundmetallkatalysator Vanadium aufweist, einschließlich Legierungen und Verbindungen daraus, wie Vanadiumoxid (V₂O₅). Die poröse Matrix kann eine beliebige geeignete poröse Matrix aufweisen. Geeignete poröse Matrizen umfassen Titanoxid, wie auch verschiedene Zeolithe, die Titanoxid aufweisen, und Aluminiumoxid, einschließlich verschiedener Aluminiumoxidsilikate. Poröse Titanoxidmatrizen können auch Wolfram- und Molybdänoxide aufweisen. Die Verwendung eines Grundmetallkatalysators erlaubt die Umwandlung des NO_x ohne die Verwendung von Edelmetallen.
U-SCR-Katalysatoren 90, 90' verwenden Ammoniak, um NO_x zu reduzieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird Harnstoff stromaufwärts der U-SCR-Katalysatoren 90, 90' durch Einführung einer wässrigen Harnstofflösung bereitgestellt. Der Harnstoff wird stromaufwärts eine ausreichende Distanz von den U-SCR-Katalysatoren 90, 90' eingeführt, um eine Zersetzung des Harnstoffs in der Abgasströmung 16 zuzulassen, um Ammoniak vor einem Eintritt in die U-SCR-Katalysatoren 90, 90' zu bilden. Bei einer vorteilhaften Konfiguration wird auch Ammoniak in dem LNT-Katalysator 88 erzeugt und strömt stromabwärts zu einem der U-SCR-Katalysatoren 90, 90'. Bei dieser Konfiguration sind reduzierte Mengen an Harnstoff aufgrund des in dem LNT-Katalysator 88 erzeugten Ammoniaks erforderlich. U-SCR-Katalysatoren 90, 90' beginnen, wie oben beschrieben ist, bei einer Betriebstemperatur von etwa 356°F (180°C) zu funktionieren und können bevorzugter in dem Bereich von etwa 482°F (250°C) bis etwa 1022°F (550°C) betrieben werden.
Der U-SCR-Katalysator 90' und der PF 30 umfassen einen Zwei-Wege-Katalysator und sind in dem Gehäuse 20 angeordnet. Sie können in einer in dem Gehäuse 20 geformten Kammer 93 angeordnet sein (2) oder können alternativ dazu in einer Dose 76 angeordnet sein (3–5), die ihrerseits in dem Gehäuse 20 angeordnet ist, wie eine Metalldose, die eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung oder anderes aufweist und zur Bereitstellung einer Abstützung und zum Lenken einer Abgasströmung 16 zu dem U-SCR-Katalysator 90' und den PF 30, konfiguriert ist. Die Kammer 93 oder die Dose 76 kann eine beliebige geeignete Form oder Größe aufweisen, einschließlich denen mit einer zylindrischen Form. Das Fach kann ferner Befestigungsmerkmale aufweisen, wie ein zylindrisches Einlassrohr, das nahe einer Einlassöffnung angeordnet ist, und ein zylindrisches Auslassrohr, das nahe an einer Auslassöffnung des Faches zur Fluidkopplung des U-SCR-Katalysators 90' und des PF 30 mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 12 angeordnet ist. Es sei zu verstehen, dass der Zwei-Wege-Katalysator, der das Gehäuse 20 aufweist, eine oder mehrere zusätzliche Abgaskomponenten zur Unterstützung des Betriebs des Zwei-Wege-Katalysators oder des Abgasnachbehandlungssystems 12 oder Steuersystems 32 aufweisen kann, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, verschiedene Gassensoren 98 (beispielsweise NO_x) oder Temperatursensoren 100, Drucksensoren 102, HC-Injektoren 104 oder Harnstoffinjektoren 106 oder andere. Derartige zusätzliche Merkmale können insbesondere zur Überwachung von Charakteristiken der Abgasströmung 16 vorteilhaft sein, wie einem Durchfluss gewisser Emissionskomponenten (beispielsweise Partikelmaterial oder andere), was insbesondere zur Bestimmung der Notwendigkeit der Auslösung des U-SCR-Katalysators 90' oder zur Regeneration des PF 30 vorteilhaft sein kann.
Das Abgasnachbehandlungssystem 12 umfasst Abgaskomponenten, einschließlich verschiedener Gassensoren 98 (z. B. NO_x) oder Temperatursensoren 100, Drucksensoren 102, HC-Injektoren 104 oder Harnstoffinjektoren 106, die in Signalkommunikation mit der Maschinensteuersystem 32, das das ECM 34 aufweist, stehen. Die Gassensoren 98, wie beispielsweise ein NO_x-Sensor, dienen dazu, die die Maschine 10 verlassenden Abgase zu erfassen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für die NO_x-Konzentration in der Abgasströmung 16 korrelierbar ist und dienen ferner dazu, ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Abgasströmung 16 korrelierbar ist, aus dem der Sauerstoffgehalt bestimmt werden kann. Alternativ dazu kann der Gassensor 98 eine virtuelle Erfassungsvorrichtung umfassen, wobei die NO_x-Konzentration in der Abgasströmung 16 auf Grundlage von Maschinenbetriebsbedingungen bestimmt wird, was eine bekannte Technik darstellt. Temperatursensoren 100 dienen dazu, eine Betriebstemperatur in dem System 12 zur Rückkopplung und zur Diagnose zu bestimmen.
Das Abgasnachbehandlungssystem 12 kann einen HC-Injektor 104 oder eine Dosiervorrichtung zur Injektion einer gesteuerten Menge an HC stromaufwärts eines OC 26 aufweisen. Ein beispielhafter HC-Injektor 104 umfasst einen Kraftstoffinjektor, wie einen Dieselkraftstoffinjektor, zur Injektion von Dieselkraftstoff in die Abgasströmung 16. Die Kraftstoffleitung 108 von der Maschine 10 liefert druckbeaufschlagten Kraftstoff an den HC-Injektor 104. Der HC-Injektor 104 ist funktionell mit dem Maschinensteuersystem 32 verbunden, das derart angepasst ist, um eine zeitliche Steuerung und Menge (beispielsweise Massenstrom) von HC zu steuern, der typischerweise in der Form von Fahrzeugkraftstoff in die Abgasströmung 16 injiziert wird. Alternativ dazu können Kohlenwasserstoffe von einem Kohlenwasserstoffreservoir (nicht gezeigt) oder einer Reformervorrichtung (nicht gezeigt) verwendet werden, um HC bereitzustellen.
Das Abgasnachbehandlungssystem 12 umfasst auch eine Harnstoffdosiervorrichtung, wie einen Harnstoffinjektor 106, zur Injektion einer gesteuerten Menge an Harnstoff oder Ammoniak als ein Reduktionsmittel stromaufwärts der U-SCR-Katalysatoren 90, 90' von einem Harnstoffreservoir 112 durch eine Leitung 114. Wie hier verwendet ist, kann der Begriff Harnstoff auch die Verwendung von Ammoniak (NH₃) als ein Reduktionsmittel aufweisen, da sich der Harnstoff zersetzt, um Ammoniak als ein Reaktionsnebenprodukt zu erzeugen, und es ist dieser Ammoniak, der als eine Reaktandenart in den katalytischen Reaktionen verwendet wird, die in dem U-SCR-Katalysator 90, 90' stattfinden. Ein Beispiel eines geeigneten Harnstoffreservoirs ist ein Harnstofftank. Die Harnstoffdosiervorrichtung 110 ist funktionell mit der Maschinensteuersystem 32 verbunden, das derart angepasst ist, die zeitliche Steuerung und Menge an Harnstoffinjektion in die Abgasströmung 16 zu steuern. Wenn Harnstoff als das Reduktionsmittel verwendet wird, sollte die Injektion ausreichend stromaufwärts von dem U-SCR-Katalysator 90, 90' stattfanden, um die Zersetzung des Harnstoffs zu Ammoniak vor einem Eintritt in den Katalysator zu ermöglichen.
Das Maschinensteuersystem 32 umfasst bevorzugt eine verteilte Steuermodularchitektur mit einer Mehrzahl von Steuermodulen, die derart angepasst sind, eine koordinierte Steuerung der verschiedenen Fahrzeugsysteme einschließlich des Leistungsstrangsystems, wie hier beschrieben ist, bereitzustellen. Das Steuersystem ist betreibbar, um Eingänge von Erfassungsvorrichtungen zu überwachen, entsprechende Information zu synthetisieren und Algorithmen auszuführen, um verschiedene Aktuatoren zu steuern, um damit Bedieneranforderungen zu erfüllen und Steuerziele zu erreichen, einschließlich derartiger Parameter wie Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen, Leistung, Fahrverhalten und Schutz der Hardware. Die verteilte Controllerarchitektur umfasst das ECM 34 und eine Anwenderschnittstelle (UI von engl.: ”User Interface”) 116, die funktionell mit anderen Vorrichtungen verbunden sind und in Signalkommunikation stehen, durch die ein Fahrzeugbediener typischerweise einen Betrieb des Fahrzeugs und des Leistungsstrangs steuert oder lenkt. Vorrichtungen, durch die ein Fahrzeugbediener einen Eingang zu der UI 116 bereitstellt, umfassen typischerweise ein Gaspedal, ein Bremspedal, einen Gangwählhebel wie auch einen Tempomat. Jedes der vorher erwähnten Steuermodule und jede der vorher erwähnten Vorrichtungen kommunizieren mit anderen Steuermodulen, Vorrichtungen, Sensoren und Aktuatoren über Hochgeschwindigkeits-Local-Area-Network-(LAN)-Bus, der allgemein als Objekt 118 gezeigt ist. Der LAN-Bus 118 erlaubt eine strukturierte Kommunikation von Steuerparametern und Anweisungen zwischen den verschiedenen Prozessoren, Steuermodulen und Vorrichtungen. Das spezifische Kommunikationsprotokoll, das verwendet wird, ist anwendungsspezifisch. Der LAN-Bus 118 und geeignete Protokolle sorgen für eine robuste Nachrichtenübermittlung wie auch eine Multi-Steuermodul-Kopplung zwischen den verschiedenen Steuermodulen und anderen Steuermodulen, die eine Funktionalität bereitstellen, wie Antiblockierbremsen, Traktionssteuerung und Fahrzeugstabilität.
Das ECM 34 umfasst eine Zentralverarbeitungseinheit, die signaltechnisch mit flüchtigen und nichtflüchtigen Speichervorrichtungen über Datenbusse elektrisch verbunden ist. Das ECM 34 ist funktionell an Erfassungsvorrichtungen und anderen Ausgangsvorrichtungen angebracht, um den Betrieb der Maschine 10 und des Abgasnachbehandlungssystems 12, wie gezeigt ist, fortlaufend zu überwachen und zu steuern. Die Ausgabevorrichtungen umfassen bevorzugt Subsysteme, die zur richtigen Steuerung und zum richtigen Betrieb der Maschine erforderlich sind, einschließlich beispielsweise ein Luftansaugsystem, ein Kraftstoffinjektionssystem, ein Zündfunkensystem (wenn eine funkengezündete Maschine verwendet wird, beispielsweise eine Maschine mit homogener Kompressionszündung), ein Abgasrückführungs-(AGR)-System wie auch ein Verdunstungssteuersystem. Die Maschinenerfassungsvorrichtungen umfassen Vorrichtungen, die dazu dienen, einen Maschinenbetrieb, externe Bedingungen und eine Bedieneranforderung zu überwachen, und sind typischerweise signaltechnisch über Kabelbäume an dem ECM 34 befestigt.
Algorithmen, die in den nichtflüchtigen Speichervorrichtungen gespeichert sind, werden durch die Zentralverarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingänge von den Erfassungsvorrichtungen zu überwachen und Maschinensteuer- und Diagnoseroutinen zur Steuerung des Betriebs der Maschine unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen auszuführen. Die Verwendung des ECM 34 zur Steuerung und Diagnose eines Betriebs verschiedener Aspekte der Brennkraftmaschine 10 ist dem Fachmann gut bekannt. Jedoch kann das ECM 34 derart angepasst sein, dass es die einmaligen Vorteile des Abgasemissionssystems 12 nutzt, wie hier beschrieben ist, um die Reduktion von NO_x unter verschiedenen Betriebsbereichen der Maschine 10 zu maximieren und auch akzeptable Niveaus einer NO_x-Reduktion während der Regeneration des PF 30 beizubehalten.
Wenn das erste Ventil 38 oder das zweite Ventil 50 elektrisch steuerbare Ventile aufweist, kann das Maschinensteuersystem 32, das das ECM 34 aufweist, zur Signalkommunikation verwendet werden, um die Ventilpositionen zu konfigurieren und den ersten Betriebsmodus, den zweiten Betriebsmodus oder den dritten Betriebsmodus zu definieren.
Bezug nehmend auf die 6–8 kann bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform ein Abgasnachbehandlungssystem 12 und ein Turbolader 18 mit den Komponenten, Konfigurationen, Funktionen und Betriebsmoden, wie oben unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der 1–5 beschrieben ist, auch einen Superlader 118 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform ist ein Kompressorauslass 68 des Turboladers 18 fluidtechnisch mit dem Ansaugkanal 111 oder einem Ansaugkrümmer 113 verbunden und steht in Fluidkommunikation damit, der derart konfiguriert ist, um Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmungen zur Verteilung an eine Mehrzahl von Zylindern durch zumindest einen Ansaugkanal 111 der Maschine 10 aufzunehmen, einschließlich der Aufnahme einer Zwangsbeatmungsluftströmung 70 als eine erste Zwangsbeatmungsluftströmung daran durch die Leitung 115. Der Superlader 118 ist auch fluidtechnisch mit dem Ansaugkanal 111 durch die Leitung 117 gekoppelt und steht in Fluidkommunikation damit, um eine zweite Zwangsbeatmungsluftströmung 119 daran zu liefern. Der Superlader 118 kann dazu verwendet werden, eine zusätzliche Menge an Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung für beliebige Zwecke bereitzustellen, einschließlich der Bereitstellung einer zusätzlichen Menge an Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung zur Verwendung in einem der hier beschriebenen Betriebsmoden, insbesondere dem dritten Betriebsmodus 82. Der Superlader 118 kann auch dazu verwendet werden, eine zusätzliche Menge an Zwangsbeatmungs-Ansaugluftströmung während transienter Strömungsbedingungen bereitzustellen, wie beispielsweise, während von einem Betriebsmodus zu einem anderen gewechselt wird, während die Positionen des ersten Ventils 38 und des zweiten Ventils 50 geändert werden. Der Superlader 118 kann einen herkömmlichen Aufbau besitzen und kann durch die Maschine 10 oder durch einen separaten Elektromotor oder ein anderes Antriebsmittel mit Leistung beaufschlagt werden.
Wie in den 6–8 gezeigt ist, kann bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform das Abgasnachbehandlungssystem 12, wie hier beschrieben ist, optional auch eine Abwarmerückgewinnungsvorrichtung 120 aufweisen, die thermisch mit zumindest einer der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14 gekoppelt ist, die den OC 26 oder den PF 30 oder beide davon aufweist, um Wärme zueinander oder das zweite Fahrzeugsystem 122 zu liefern. Wie in Verbindung mit der Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 12 der 6–8 gezeigt ist, kann die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 120 auch in anderen Ausführungsformen der Erfindung enthalten sein, einschließlich der Ausführungsform derselben, die in den 1–5 gezeigt sind. Da der OC 26 in dem Abgasnachbehandlungssystem 12 eng mit der Maschine 10 gekoppelt ist, ist der Katalysator darin so konfiguriert, dass er seine Betriebstemperatur und sein Anspringen bei Maschinenkaltstart schnell erreicht, so dass er in der Lage ist, schnell Wärme durch die exothermen Reaktionen, die darin unterstützt werden, an das zweite Fahrzeugsystem 122 zu liefern, und macht dies allgemein wesentlich schneller als durch andere Mittel, die zur Erwärmung dieses Systems verfügbar sein können. Das zweite Fahrzeugsystem 122 kann ein beliebiges Fahrzeugsystem sein, ist jedoch bevorzugt ein Fahrzeugsystem 122, bei dem die Betriebsleistung des Fahrzeugs 1 oder der Maschine 10 oder des Systems 122 durch Aufnahme von Wärme von dem OC 26 insbesondere unter einer Kaltstartbedingung gesteigert sein kann, wenn das System 122 bei einer Umgebungstemperatur ist, die so niedrig wie –40°F oder geringer sein kann. Beispiele von Fahrzeugsystemen 122, die thermisch mit dem OC 26 gekoppelt sein können, umfassen ein Maschinenkühlmittelsystem 123, ein Maschinenschmiersystem 124, ein Getriebesystem 126, ein System 128 zur elektrischen Versorgung, ein elektrisches Speichersystem 130, ein Hydrauliksystem 132, ein Kraftstoffsystem 134 oder ein Umgebungs- bzw. Umweltsteuersystem 136 oder eine Kombination daraus.
Die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 120 kann eine beliebige geeignete Wärmerückgewinnungsvorrichtung sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 120 einen Wärmetauscher 138 aufweisen, der in thermischer Kommunikation mit dem OC 26 steht. Wie hier verwendet ist, bezeichnet ”thermische Kommunikation” den Durchgang von Wärme von einer Vorrichtung oder einer Stelle an eine andere Vorrichtung oder eine andere Stelle. Beispielsweise bedeutet eine thermische Kommunikation zwischen dem OC 26 und dem Wärmetauscher 138 eine Kommunikation von Wärme von dem OC 26 an den Wärmetauscher 138. Allgemein verwendet die thermische Kommunikation thermisch leitende Materialien, wie Metalle, um Wärme von der Abgasströmung 16 zu entziehen, wo sie ausgetauscht werden kann, um thermisch leitende Fluide zu erwärmen, die unter Verwendung von Leitungen, Rohren, Befestigungsflanschen, Dichtungen, Dichtungselementen und anderen Strukturen und Merkmalen zum Erreichen einer Kommunikation des Fluides an das zweite Fahrzeugsystem 122 transportiert werden können. Es kann jeder geeignete Wärmetauscher 138 verwendet werden, einschließlich denen, die so konfiguriert sind, dass sie Wärme direkt mit einem Fluid von dem Fahrzeugsystem 122 tauschen, wie auch diejenigen, die derart konfiguriert sind, dass sie Wärme indirekt von einem separaten Arbeitsfluid zu einem Fluid von dem Fahrzeugsystem 122 tauschen, und auch mit Wärmetauschern, die derart konfiguriert sind, dass sie ein separates Arbeitsfluid an das Fahrzeugsystem 122 zirkulieren, um Wärme daran zu liefern. Die bereitgestellte thermische Kommunikation kann auch eine gesteuerte Kommunikation sein, wie beispielsweise eine thermische Kommunikation, die zwischen einem thermisch gekoppelten Zustand und einem thermisch entkoppelten Zustand schaltbar ist, wie durch die Verwendung eines Ventils 139. Alternativ dazu kann die kommunizierte Wärmemenge auf eine Menge gesteuert werden, die im Bereich zwischen 0–100 Prozent der zur Kommunikation verfügbaren Wärme liegt.
Wie in den 6–8 gezeigt ist, kann das Abgasnachbehandlungssystem 12 auch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 14 aufweisen, die einen Reinigungskatalysator 140 umfasst, der stromabwärts des PF 30 angeordnet ist, um die Abgasströmung 16 weiter zu modifizieren und unerwünschte Abgasbestandteile zu entfernen oder umzuwandeln, die ansonsten eine Neigung zum Schlupf durch andere Abgasbehandlungsvorrichtungen 14 besitzen können. Der Reinigungskatalysator 140 kann einen Reduktionskatalysator aufweisen, der einen zweiten SCR-Katalysator 142 oder einen OC, der einen zweiten OC 144 aufweist, wie in den 3–5 gezeigt ist, oder eine Kombination davon aufweist, wie in den 6–8 gezeigt ist, wobei der PF 30 einen zweiten SCR-Katalysator 142 an einem stromabwärtigen Ende davon aufweisen kann und ein separater zweiter OC 144 stromabwärts des PF 30 und des zweiten SCR-Katalysators 142 angeordnet ist. Der Reinigungskatalysator 140, ob ein zweiter SCR-Katalysator 142 oder ein zweiter OC 144, kann einen Aufbau und eine Zusammensetzung besitzen, wie hier für den SCR-Katalysator 28 bzw. den OC 26 beschrieben ist, oder kann einen anderen Aufbau und eine andere Zusammensetzung besitzen.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann verständlich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente derselben ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Art offenbart sind, die zur Ausführung dieser Erfindung denkbar ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.

Claims

Eng gekoppeltes Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader, umfassend: eine erste Abgasleitung mit einem ersten Ventil, das zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position betreibbar ist, wobei die erste Position eine Abgasströmung in der ersten Abgasleitung zu einem Einlass eines Oxidationskatalysators (OC) unterstützt und die zweite Position die Abgasströmung in einer zweiten Abgasleitung unterstützt; eine dritte Abgasleitung, die fluidtechnisch mit einem Auslass des OC gekoppelt ist, wobei die dritte Abgasleitung ein zweites Ventil umfasst, das zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position betreibbar ist; wobei die erste Position eine Abgasströmung in der dritten Abgasleitung zu einem Einlass eines Partikelfilters (PF) unterstützt und die zweite Position die Abgasströmung durch eine vierte Abgasleitung zu einem Einlass in der zweiten Abgasleitung unterstützt; einen Turbolader, der fluidtechnisch mit der zweiten Abgasleitung stromabwärts des Einlasses gekoppelt ist; und einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), der stromabwärts des Turboladers angeordnet und fluidtechnisch mit diesem gekoppelt ist, um die Abgasströmung davon aufzunehmen, und stromaufwärts des PF angeordnet und mit diesem fluidtechnisch gekoppelt ist, um die Abgasströmung daran zu liefern.
Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Positionen des ersten Ventils und des zweiten Ventils bewegbar konfiguriert sein können, um einen ersten Betriebsmodus, einen zweiten Betriebsmodus und einen dritten Betriebsmodus zu definieren.
Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader nach Anspruch 2, wobei in dem ersten Betriebsmodus das erste Ventil in der ersten Position ist und das zweite Ventil in der zweiten Position ist und die Abgasströmung einem ersten Pfad durch den OC, den Turbolader und den SCR-Katalysator folgt.
Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader nach Anspruch 2, wobei in dem zweiten Betriebsmodus das erste Ventil in der zweiten Position ist und das zweite Ventil in der zweiten Position ist und die Abgasströmung einen zweiten Pfad durch den Turbolader, den SCR-Katalysator und den PF folgt.
Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader nach Anspruch 2, wobei in dem dritten Betriebsmodus das erste Ventil in der ersten Position ist und das zweite Ventil in der ersten Position ist und die Abgasströmung einem dritten Pfad durch den OC und den PF folgt.
Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader nach Anspruch 1, ferner mit einer Maschine, wobei die erste Abgasleitung fluidtechnisch mit einem Abgaskanal der Maschine gekoppelt ist, und einem Gehäuse, wobei der OC, der SCR-Katalysator und der PF in dem Gehäuse angeordnet sind und die erste Abgasleitung, die zweite Abgasleitung, die dritte Abgasleitung und die vierte Abgasleitung an oder in dem Gehäuse oder einer Kombination daraus angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader nach Anspruch 6, ferner mit einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung, die thermisch mit dem OC gekoppelt ist, um Wärme an ein zweites Fahrzeugsystem zu liefern, das funktionell mit der Maschine gekoppelt ist.
Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader nach Anspruch 7, wobei die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ein Wärmetauscher ist und das zweite Fahrzeugsystem ein Maschinenkühlmittelsystem, ein Maschinenschmiersystem, ein Getriebesystem, ein System zur elektrischen Versorgung, ein elektrisches Speichersystem, ein Hydrauliksystem, ein Kraftstoffsystem oder ein Umweltsteuersystem oder eine Kombination daraus umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader nach Anspruch 6, ferner mit einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung, die fluidtechnisch und thermisch mit dem Abgasnachbehandlungssystem nahe dem PF entweder stromaufwärts oder stromabwärts davon gekoppelt ist, um Wärme an ein zweites System zu liefern, das funktionell mit der Maschine gekoppelt ist.
Abgasnachbehandlungssystem und Turbolader nach Anspruch 9, wobei die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ein Wärmetauscher ist und das zweite System ein Maschinenkühlmittelsystem, ein Maschinenschmiersystem, ein Getriebesystem, ein System für elektrische Versorgung, ein elektrisches Speichersystem, ein Hydrauliksystem, ein Kraftstoffsystem oder ein Umweltsteuersystem oder eine Kombination daraus umfasst.