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Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Emissionssteuerungssystem für Motoren.
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Hintergrund und Zusammenfassung
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Eine Technologie, wie selektive katalytische Reduktion (Selektive Catalyst Reduktion, SCR), kann zur NOx-Reduzierung in Motoren und zur Erfüllung von Emissionsrichtlinien angewendet werden. In einem Ansatz wird in den Abgasstrom wässriger Harnstoff eingesprüht, der anschließend auf der Oberfläche eines SCR-Katalysators mit NOx-Spezies reagiert und so zur Reduzierung der vom Motor ausgestoßenen NOx-Emissionen führt. Für verbesserte NOx-Reduzierung muss der eingespritzte Harnstoff gleichmäßig auf der Oberfläche des SCR-Katalysators aufgetragen werden.
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Verschiedene Ansätze können verwendet werden, um das eingespritzte Reduktionsmittel gleichmäßig auf der Oberfläche des SCR-Katalysators zu verteilen. Ein beispielhafter Mischansatz ist von Brück et al. in
US 7.380.395 veranschaulicht. Darin ist ein Mischer in den Abgaskanal zwischen der Stelle der Harnstoffeinspritzung und dem SCR-Katalysator eingebunden, sodass der eingespritzte Harnstoff zerstäubt und ausreichend mit dem Abgas vermischt wird, bevor es das Katalysatorsubstrat erreicht. Der Ansatz von Brück umfasst auch ein Filterelement mit Mikrostrukturen, das stromaufwärts vom Mischer zum Erzeugen von Turbulenz angeordnet ist, um das Vermischen von Harnstoff zu unterstützen. In noch anderen Ansätzen kann ein Zerstäuber zusammen mit einem Mischer enthalten sein, um die Zerstäubung und das Vermischen von eingespritztem Harnstoff mit Abgas weiter zu verbessern.
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Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben jedoch mögliche Schwierigkeiten solch eines Ansatzes erkannt. Zum Beispiel könnten die Mikrostrukturen für kein ausreichendes Vermischen und Zerstäuben des eingespritzten Harnstoffs sorgen. Demzufolge könnte das System in hohem Maße vom Mischer abhängig sein, um für das gewünschte Vermischen von Harnstoff zu sorgen. Als weiteres Beispiel können der metallische Zerstäuber und der Mischer wesentliches Gewicht und Kosten zur Komponentenherstellung hinzufügen. Außerdem könnten verschiedene Stützstrukturen erforderlich sein, um den Mischer und/oder Zerstäuber im Abgaskanal an ihrem Platz zu halten. Die Stützstrukturen, typischerweise aus metallischen Materialien hergestellt, können auch zusätzliches Gewicht und Kosten zu der Komponentenherstellung hinzufügen. Als noch weiteres Beispiel kann das Vorhandensein eines Mischers und/oder Zerstäubers zusammen mit der zugehörigen Stützstruktur einen Abfall der Temperatur von dem Zeitpunkt an verursachen, in dem Abgas aus einem stromaufwärtigen Katalysator (wie einem Dieseloxidationskatalysator) ausströmt und in den stromabwärtigen SCR-Katalysator einströmt. Infolge des Abfalls der Abgastemperatur könnte der SCR-Katalysator eine längere Zeit zum Anspringen benötigen, was zu verschlechterten Abgasemissionen führt.
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Demgemäß könnten in einem Beispiel einige der obigen Schwierigkeiten angegangen werden durch.
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Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben sind. Mit dieser ist nicht beabsichtigt, entscheidende oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstandes auszuweisen, dessen Umfang einzig durch die Ansprüche definiert ist, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Zudem ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Ausgestaltungen eingeschränkt, die irgendwelche Nachteile beseitigen, die oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung erwähnt sind.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 veranschaulicht ein Emissionssteuerungssystem für Motoren, das mit einem Motorabgaskanal gekoppelt ist;
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2 veranschaulicht ein beispielhaftes monolithisches Substrat mit mehreren Kanälen, das in das Emissionssteuerungssystem von 1 einbezogen ist;
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3–5 bilden beispielhafte Ausführungsformen der Anordnung der mehreren Kanäle des Substrats ab;
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6 veranschaulicht beispielhafte Variationen des Verdrillungswinkels der Länge des Substrats nach.
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7 bildet ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben des Emissionssteuerungssystems von 1 ab.
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Ausführliche Beschreibung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Ausführungsformen eines Emissionssteuerungssystems für Motoren, das mit einem Abgaskanal gekoppelt ist, wie das System von 1. Ein derartiges Emissionssteuerungssystem kann zur NOx-Reduzierung in einem Abgasstrom verwendet werden. Das Emissionssteuerungssystem kann ein zylindrisches monolithisches Substrat mit mehreren Kanälen umfassen, wie in 2 gezeigt, das stromabwärts von einer Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung positioniert ist. Die mehreren Kanäle können mit radial variierender Zelldichte ausgestaltet sein, wie in 3–6 dargestellt. Eine Motorsteuerungsvorrichtung kann zum Ausführen eines Programms ausgestaltet sein, wie in 7 dargestellt, um eine Menge an Reduktionsmittel stromaufwärts von dem Substrat einzuspritzen und Abgas durch das Substrat strömen zu lassen. Die mehreren Kanäle mit radial variierender Zelldichte in dem monolithischen Substrat erzeugen eine Strömungsturbulenz, die das eingespritzte Reduktionsmittel in vorteilhafter Weise mit dem Abgas vermischt, wodurch die Notwendigkeit eines speziell dafür vorgesehenen Mischers und/oder Zerstäubers reduziert wird. Das vermischte Abgas kann dann über einen katalytischen SCR-Washcoat strömen lassen werden, wie z. B. auf dem monolithischen Substrat und/oder auf einem stromabwärtigen Substrat, um die Reduzierung von NOx-Spezies im Abgas zu ermöglichen.
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1 veranschaulicht ein Emissionssteuerungssystem 100, das mit einem Abgaskanal 45 gekoppelt ist. Abgas, das während des Betriebs von Motor 10 durch einen oder mehrere Zylinder erzeugt wird, kann von Abgassammelrohr 120 in Abgaskanal 45 befördert werden, wobei die verschiedenen Komponenten des Emissionssteuerungssystems 100 eine oder mehrere Komponenten des Abgases katalytisch umwandeln können, bevor das Abgas durch Endrohr 168 in die Atmosphäre freigesetzt wird. Als ein nicht-einschränkendes Beispiel umfasst Motor 10 einen Dieselmotor, der durch Verbrennen eines Gemisches aus Luft und Dieselkraftstoff einen mechanischen Ausstoß erzeugt. Alternativ kann Motor 10 andere Typen von Motoren umfassen, wie u. a. Benzinverbrennungsmotoren.
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Emissionssteuerungssystem 100 kann mehrere Abgasreinigungsvorrichtungen umfassen, wie z. B. einen Dieseloxidationskatalysator 130, einen Dieselpartikelfilter 132 und einen SCR-Katalysator 136. Auch können zusätzliche katalytische Umformer bereitgestellt sein. Dieseloxidationskatalysator (DOC) 130, der stromabwärts von Abgassammelrohr 120 angeordnet ist, kann ausgestaltet sein, um mindestens etwas CO und Kohlenwasserstoffe des Abgases zu CO2 und Wasser zu oxidieren. Dieselpartikelfilter (DPF) 132, der stromabwärts von DOC 130 angeordnet ist, kann ausgestaltet sein, um mindestens einige Partikeln bzw. etwas Ruß zurückzuhalten. In einigen Ausführungsformen kann DPF 132 mit einer Regenerationsvorrichtung (z. B. Brenner oder Erhitzer) zum periodischen Regenerieren des Partikelfilters durch Abbrennen des gespeicherten Rußes gekoppelt sein, wodurch die Speicherkapazität des Filters wiederhergestellt wird.
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Ein SCR-System 140 zum Reduzieren von mindestens einigen NOx-Spezies im Abgas kann stromabwärts von DPF 132 angeordnet sein. Als ein nicht-einschränkendes Beispiel kann SCR-System 140 eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 136 zum Einspritzen einer Menge an Reduktionsmittel in den Abgaskanal, ein erstes stromaufwärtiges monolithisches Substrat 134 und ein zweites stromabwärtiges Substrat 138 umfassen. Eine Schalldämpfungsvorrichtung 150 kann stromabwärts des SCR-Systems 140 mit Abgaskanal 45 gekoppelt sein.
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Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 136 kann selektiv ein Reduktionsmittel in den Abgaskanal stromaufwärts von monolithischem Substrat 134 einspritzen. Als ein nicht-einschränkendes Beispiel kann das Reduktionsmittel, das von Einspritzvorrichtung 136 eingespritzt wird, ein flüssiges Reduktionsmittel 178, wie z. B. Ammoniak oder Harnstoff, umfassen. Das flüssige Reduktionsmittel 178 kann aus einem Speicherbehälter 176 über eine dazwischengeschaltete Pumpe 172 durch Leitung 174 Einspritzvorrichtung 136 zugeführt werden. In alternativen Ausführungsformen jedoch kann das eingespritzte Reduktionsmittel fester oder gasförmiger Harnstoff sein. Ein Freiraum 133 kann zwischen der Spitze von Einspritzvorrichtung 136 an der Einspritzstelle und dem Einlass von monolithischem Substrat 134 einbezogen sein, sodass das eingespritzte Reduktionsmittel ungehindert von der Einspritzvorrichtung zu dem Substrat strömen kann. In einem Beispiel erstreckt sich der Freiraum völlig von der Spitze der Einspritzvorrichtung bis zur Einlassoberfläche bzw. Vorderseite des Substrats sowie auch völlig bis zur inneren Oberfläche des Abgaskanals.
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In einem Beispiel kann monolithisches Substrat 134 als ein zylindrisches Substrat ausgestaltet sein. Es versteht sich jedoch, dass in alternativen Ausführungsformen das Substrat in einer alternativen Form ausgestaltet sein kann, wie z. B. rechteckig. Wie in 2–4 näher dargelegt ist, kann monolithisches Substrat 134 mehrere Kanäle mit variierender Zelldichte aufweisen. Mindestens einige der mehreren Kanäle können mit einem Stopfen verschlossen sein. In einem Beispiel kann jeder alternierende Kanal mit einem Stopfen verschlossen sein. Die mehreren Kanäle mit variierender Zelldichte können so angeordnet sein, dass eine Zelldichte der Kanäle radial variiert. In einer Ausführungsform, wie in 3A–B gezeigt, können innere Kanäle (d. h. Kanäle, die einer Mitte des zylindrischen monolithischen Substrats näher sind) eine höhere Zelldichte aufweisen, während äußere Kanäle (d. h. Kanäle, die einem Umfang des zylindrischen monolithischen Substrats näher sind) eine niedrigere Zelldichte aufweisen können. Durch Platzieren von Kanälen mit einer größeren offenen Vorderfläche längs der Außenränder des monolithischen Substrats kann ein größerer Anteil von Abgas, das durch das Substrat strömt, gegen die Außenränder des Substrats streben lassen werden. Demzufolge kann in dem monolithischen Substrat Strömungsturbulenz (z. B. Verwirbelungseffekte) erzeugt werden, die radiales Vermischen von Abgas mit dem eingespritzten Reduktionsmittel (hier Harnstoff) ermöglichen kann. Auf diese Weise kann das Vermischen von Harnstoff ohne die Benutzung eines speziell dafür vorgesehenen Zerstäubers und/oder Mischers verbessert werden. Es versteht sich jedoch, dass in alternativen Ausführungsformen in das Emissionssteuerungssystem weiter ein Zerstäuber und/oder Mischer eingebunden werden können/kann, beispielsweise stromabwärts von dem monolithischen Substrat gekoppelt, um das Vermischen und Zerstäuben von Harnstoff weiter zu verbessern.
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Die abgebildete Ausgestaltung ermöglicht auch, dass das monolithische Substrat 134 eine geringe thermisch wirksame Masse aufweist, beispielsweise eine geringere thermisch wirksame Masse als stromabwärtiges Substrat 138. Das monolithische Substrat 134 kann auch eine geringere thermisch wirksame Masse aufweisen als speziell dafür vorgesehene Reduktionsmittelmischer und -zerstäuber. Die geringere thermisch wirksame Masse des monolithischen Substrats reduziert schlichtweg auch die Notwendigkeit zusätzlicher Stützstruktur. Somit können durch Reduzieren der thermisch wirksamen Masse des Substrats sowie der Notwendigkeit speziell dafür vorgesehener Mischer, Zerstäuber und/oder zugehöriger Stützstruktur Vorteile der Komponentenreduzierung erzielt werden. Außerdem kann ein Abfall der Abgastemperatur zwischen dem (stromaufwärtigen) DOC und dem (stromabwärtigen) monolithischen Substrat reduziert werden, wodurch das Erreichen der Anspringtemperatur des SCR-Katalysators beschleunigt wird und Abgasemissionen verbessert werden.
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In einer Ausführungsform kann wahlweise ein katalytischer SCR-Washcoat auf dem monolithischen Substrat positioniert werden. Der katalytische SCR-Washcoat kann Zeolithe, wie z. B. metallimprägnierte Zeolithe, umfassen. Jedoch kann der katalytische Washcoat alternativ jeden Katalysator umfassen, der zum Reduzieren von NOx geeignet ist. Durch Einbeziehen einer katalytischen SCR-Washcoat auf dem monolithischen Substrat zusätzlich zu verbesserter Harnstoffvermischung kann der eingespritzte Harnstoff auch gleichmäßig über die Oberfläche des mit SCR-Katalysator beschichteten Substrats verteilt werden. Das bedeutet, dass in dieser Ausführungsform monolithisches Substrat 134 so ausgestaltet sein kann, dass es zusätzlich zum Vermischen von Abgas mit dem eingespritzten Reduktionsmittel mindestens einige NOx-Spezies im Abgas reduziert.
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In einer anderen Ausführungsform kann anstatt eines (oder zusätzlich zu einem) katalytischen SCR-Washcoat ein alternativer katalytischer Washcoat auf monolithischem Substrat 134 einbezogen sein. Der alternative katalytische Washcoat kann beispielsweise einen Thermolyse oder Hydrolyse verstärkenden Katalysator umfassen. Die ausgewählte katalytische Beschichtung kann zum Behandeln eines alternativen Verbrennungsproduktes im Abgas, das durch die Verbrennung von Kraftstoff durch Motor 10 entsteht (d. h. ein anderes Verbrennungsprodukt als NOx), geeignet sein. In noch anderen Ausführungsformen kann monolithisches Substrat 134 auch eine Porosität aufweisen, sodass in den mehreren Kanälen mindestens einige Abgaspartikel eingeschlossen oder zurückgehalten werden können.
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In einigen Ausführungsformen von Emissionssteuerungssystem 100 kann ein zweites stromabwärtiges Substrat 138 mit mehreren Kanälen stromabwärts von monolithischem Substrat 134 einbezogen sein. Demgegenüber können die mehreren Kanäle von stromabwärtigem Substrat 138 gleichmäßige Zelldichte aufweisen. Außerdem kann sich die Zelldichte der Kanäle des stromabwärtigen Substrats von der Zelldichte der Kanäle des monolithischen Substrats unterscheiden. Ein katalytischer SCR-Washcoat kann auf dem stromabwärtigen Substrat positioniert sein, sodass mindestens einige NOx-Spezies in dem vermischten Abgas, d. h. Abgas, das beim Strömen durch das monolithische Substrat mit Harnstoff vermischt wird, beim Strömen durch das stromabwärtige Substrat reduziert werden können.
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Emissionssteuerungssystem 100 kann weiter Steuerungssystem 14 umfassen. Steuerungssystem 14 ist dargestellt, wie es Informationen von mehreren Sensoren 16 erhält und Steuersignale an mehrere Stellglieder 81 sendet. Als ein Beispiel können Sensoren 16 einen Abgassensor (in Abgassammelrohr 120 angeordnet), verschiedene Temperatursensoren und Drucksensoren (stromaufwärts und/oder stromabwärts von DOC 130, DPF 132 und SCR-System 140 angeordnet), einen oder mehrere NOx-Sensoren (stromaufwärts und/oder stromabwärts von den Substraten von SCR-System 140 angeordnet) usw. umfassen. Andere Sensoren, wie z. B. zusätzliche Druck-, Temperatur-, Luft/Kraftstoff-Verhältnis- und Zusammensetzungssensoren können mit verschiedenen Stellen in dem Emissionssteuerungssystem 100 gekoppelt sein. Als ein weiteres Beispiel können die Stellglieder Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 136, Pumpe 172, Brenner und/oder Erhitzer zur DPF-Regeneration, verschiedene Ventile (nicht gezeigt) usw. umfassen. Das Steuerungssystem 14 kann eine Steuerungsvorrichtung 12 umfassen. Die Steuerungsvorrichtung kann Eingabedaten von den verschiedenen Sensoren erhalten, die Eingabedaten verarbeiten und unter Ansprechen auf die verarbeiteten Eingabedaten auf Grundlage von Anweisungen oder Code, die/der darin programmiert sind/ist und einem oder mehreren Programmen entsprechen/entspricht, die Stellglieder ansteuern. Ein beispielhaftes Steuerungsprogramm ist hierin unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
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Zu beachten ist, dass im Hinblick auf Fahrzeuganwendungen Emissionssteuerungssystem 100 an der Unterseite des Fahrgestells angeordnet werden kann. Außerdem versteht es sich, dass in einigen Ausführungsformen Emissionssteuerungssystem 100 zusätzliche Komponenten umfassen kann, die in 1 nicht dargestellt sind, und/oder dass Komponenten weggelassen sind, die hierin beschrieben sind.
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Es versteht sich, dass Komponenten, die vorher in 1 vorgestellt wurden, in den folgenden Figuren in gleicher Weise nummeriert sein können und möglicherweise nicht erneut vorgestellt werden.
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2 zeigt eine herangeholte Ansicht 200 des monolithischen Substrats 134 von 1 in Abgaskanal 45. Wie gezeigt, kann monolithisches Substrat 134 so ausgestaltet sein, dass es von zylindrischer Form ist, obwohl in alternativen Ausführungsformen unterschiedliche Formen benutzt werden können. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 136, stromaufwärts von zylindrischem monolithischem Substrat 134 positioniert, kann ein Reduktionsmittel, wie z. B. flüssigen Harnstoff, stromaufwärts des Substrats einspritzen. Ein Freiraum 208 (durch gepunktete Linien gekennzeichnet) kann zwischen der Einspritzvorrichtung 136 und dem monolithischen Substrat vorhanden sein, sodass das eingespritzte Reduktionsmittel ungehindert von der Einspritzstelle zu einem Einlass 206 des Substrats 134 strömen kann. Spezifisch kann Freiraum 208 einen Bereich in dem Abgaskanal darstellen, der sich in der Länge von einer Spitze der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 136 bis zu einer Oberfläche an dem Einlass 206 von monolithischem Substrat 134 erstreckt. Freiraum 203 kann sich auch seitlich gegen die Oberfläche von Abgaskanal 45 erstrecken, um so einen Durchmesser aufzuweisen, der dem Durchmesser des Abgaskanals im Wesentlichen gleich ist. In dem abgebildeten Beispiel kann ein Durchmesser von Abgaskanal 45 in einem Bereich, der zylindrisches monolithisches Substrat 134 umgibt, größer sein als der Durchmesser des Abgaskanals in einem Bereich in der Nähe der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 136 und der Einspritzstelle. Entsprechend kann Freiraum 203 auch an dem Ende in der Nähe der Spitze von Einspritzvorrichtung 136 einen kleineren Durchmesser und an dem Ende in der Nähe des Einlasses 206 von monolithischem Substrat 134 einen größeren Durchmesser aufweisen.
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Substrat 134 kann der Länge 204 des Substrats nach mehrere Kanäle 202 aufweisen. In einem Beispiel, wie in 3 dargestellt, kann jeder Kanal einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Jedoch kann der Querschnitt der Kanäle in alternativen Ausführungsformen eine unterschiedliche Form aufweisen, wie beispielsweise eine Wabenstruktur. Außerdem können die mehreren Kanäle eine variierende Zelldichte aufweisen. Spezifisch kann die Zelldichte von monolithischem Substrat 134 längs Linie 3-3 radial variieren, wie in den Schnittansichten in 3 gezeigt.
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Es wird sich 3 zugewendet, die beispielhafte Ausführungsformen der Anordnung von Kanälen in dem monolithischen Substrat mit einer radialen Variation der Zelldichte abbildet. Spezifisch stellt 3 beispielhafte Schnittansichten von monolithischem Substrat 134 längs Ebene 210 dar (2), das heißt, längs der gepunkteten Linien 3-3 (2). 3 zeigt eine erste Ausführungsform 300 der mehreren Kanäle von monolithischem Substrat 134 mit radial variierender Zelldichte. Hierin können die mehreren Kanäle so angeordnet sein, dass die inneren Kanäle 302 (das heißt, die Kanäle in oder in der Nähe der Mitte des Substrats) eine erste, höhere Zelldichte (z. B. 400 cpsi) aufweisen, während die äußeren Kanäle 304 (das heißt, die Kanäle am oder in der Nähe des Umfangs des Substrats) eine zweite, niedrigere Zelldichte aufweisen (z. B. 50 cpsi). Obwohl die erste Ausführungsform 300 von 3 die mehreren Kanäle in zwei Bereichen mit variierender Zelldichte angeordnet zeigt, versteht es sich, dass in alternativen Ausführungsformen die mehreren Kanäle in eine größere Anzahl von Bereichen mit variierender Zelldichte unterteilt sein können. Als ein nicht-einschränkendes Beispiel zeigt die zweite Ausführungsform 310 von 3 die mehreren Kanäle, die in einer ersten, inneren Zone 312 in oder in der Nähe der Mitte des Substrats mit einer ersten, höheren Zelldichte, einer zweiten, äußeren Zone 314 am oder in der Nähe des Umfangs des Substrats mit einer zweiten, niedrigeren Zelldichte, und einer dritten, dazwischenliegenden Zone 316, positioniert zwischen innerer Zone 312 und äußerer Zone 314, mit einer dritten, dazwischenliegende Zelldichte angeordnet sind. Wie dargestellt, kann die dritte, dazwischenliegende Zelldichte niedriger sein als die erste Zelldichte der ersten, inneren Zone 312 und größer als die zweite Zelldichte der zweiten, äußeren Zone 314.
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Während das abgebildete Beispiel eine einzelne dazwischenliegende Zone zeigt, kann in alternativen Ausführungsformen eine größere Zahl von dazwischenliegenden Zonen zwischen der Mitte und dem Umfang des monolithischen Substrats einbezogen sein. In einem Beispiel kann die Zelldichte in der radialen Richtung allmählich variieren (beispielsweise allmählich von 400 cpsi in der Mitte bis 50 cpsi am Umfang). In einem anderen Beispiel kann die Zelldichte in der radialen Richtung schrittweise variieren (beispielsweise schrittweise von 400 cpsi in der Mitte bis 50 cpsi am Umfang). Während die Ausführungsformen von 3 die radial variierende Zelldichte zeigen, die im Wesentlichen gleichmäßig in einer radialen Richtung verteilt ist, versteht es sich weiter, dass in alternativen Ausführungsformen die Zelldichte ungleichmäßig in der radialen Richtung variieren kann.
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Auf diese Weise kann durch Ausgestalten des Substrats mit einer höheren Zelldichte von Kanälen in der Mitte und einer niedrigeren Zelldichte in der Nähe der äußeren Ränder ein höherer Anteil des Abgasstroms gegen die äußeren Ränder streben lassen werden, wodurch für ausreichend Turbulenz gesorgt wird, um das Vermischen des eingespritzten Reduktionsmittels mit Abgas an dem monolithischen Substrat zu verbessern.
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4 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform 400 von monolithischem Substrat 134, wobei die mehreren Kanäle mit radial variierender Zelldichte weiter einer Länge 204 des Substrats 134 nach eine Verdrillung aufweisen. Die Verdrillung kann durch Vergleichen der Position eines ausgewählten Kanals in einer ersten Schnittansicht quer über ein erstes Ende des Substrats (näher beim Einlass 206 des Substrats) längs Linie 5-5 mit einer zweiten Schnittansicht quer über ein zweites Ende des Substrats (näher bei einem Auslass 405 des Substrats) längs Linie 5'-5' erkannt werden. Ein nicht-einschränkendes Beispiel für solch einen Vergleich ist in 5 dargestellt.
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Es wird sich 5 zugewendet, die eine erste Querschnittsansicht 501 des monolithischen Substrats 134 längs Ebene 402 (4), das heißt längs gepunkteter Linien 5-5 (4), in einer ersten Zone näher am Einlass 206 des Substrats veranschaulicht. 5 veranschaulicht weiter eine zweite Querschnittsansicht 502 des monolithischen Substrats 134 längs Ebene 404 (4), das heißt längs gepunkteter Linien 5'-5' (4), in einer zweiten Zone näher einem Auslass 405 des Substrats. Wie durch Vergleichen der Position eines ausgewählten Kanals in erster Schnittansicht 501 mit der Position desselben Kanals in zweiter Schnittansicht 502, beispielsweise längs Achse 503, erkannt werden kann, können die Kanäle der Länge des Substrats nach fortschreitend verdrillt sein, das heißt vom Einlassende zum Auslassende. Die Verdrillung der Kanäle kann durch einen Verdrillungswinkel 504 (hierin auch als θ bezeichnet) definiert werden. Somit kann ein erster Kanal, positioniert längs Ebene 402 (4) in der Nähe des Einlasses des Substrats 134, mit dem Verdrillungswinkel 504 von einem zweiten Kanal längs Ebene 404 (4) in der Nähe des Auslasses des Substrats verdrillt sein, wobei der Verdrillungswinkel 504 längs einer Seitenachse 503 gemessen wird.
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6 zeigt eine Abbildung 600, die beispielhafte Variationen eines Verdrillungswinkels θ der mehreren Kanäle auf einer Länge des monolithischen Substrats abbildet. In einem Beispiel, wie dargestellt durch Linie 601, kann der Verdrillungswinkel der Länge des Substrats nach konstant bleiben. In einem anderen Beispiel, wie durch Linie 602, 604 und 606 dargestellt, kann der Verdrillungswinkel der Länge des Substrats nach als eine Funktion der Länge des Substrats variieren. Das heißt, ein Verdrillungswinkel der Kanaldrehung kann variieren, sodass ein Verdrillungswinkel für einen gegebenen Kanal auf einem Abstand des Kanals von dem Einlass des monolithischen Substrats basiert. Beispielsweise kann der Verdrillungswinkel linear der Länge des Substrats nach variieren, wie an Linie 602 dargestellt. Alternativ kann der Verdrillungswinkel exponentiell der Länge des Substrats nach variieren, wie an Linie 604 dargestellt. In einem anderen Beispiel, wie dargestellt an Linie 606, kann der Verdrillungswinkel so variieren, dass er für eine im Wesentlichen Zickzackverteilung der Zelldichte sorgt. In einem noch anderen Beispiel kann der Verdrillungswinkel einem Winkel nachkommen, der gewöhnlich in Blättern von Wirbelmischern für Reduktionsmittel angewendet wird. In noch anderen Beispielen kann der Verdrillungswinkel als eine alternative Funktion der Länge des Substrats variieren.
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Es wird sich nun 7 zugewendet, in der ein Programm 700 zum Betreiben des Emissionssteuerungssystems von 1, um die Reduzierung mindestens einiger NOx-Spezies in dem Abgasstrom zu ermöglichen, beschrieben ist. In einem Beispiel kann das Programm von 7 von einer Motorsteuerungsvorrichtung unter Ansprechen auf einen NOx-Gehalt im Abgas, der eine Schwelle übersteigt, eine Abgastemperatur, die eine Schwelle übersteigt (wie z. B. eine Anspringtemperatur), und/oder nach einer Schwellendauer des Motorbetriebs ausgeführt werden.
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Bei 701 umfasst das Programm das Schätzen und/oder Messen von Motorbetriebsbedingungen. Diese können beispielsweise Drehzahl, Last, Drehmoment, Motortemperatur, Abgastemperatur, NOx-Gehalte des Abgases usw. umfassen. Bei 702 kann eine Reduktionsmittel-Einspritzmenge auf Grundlage der abgeschätzten Motorbetriebsbedingungen festgelegt werden. Bei 704 kann die festgelegte Menge an Reduktionsmittel von der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung stromaufwärts von einem ersten (stromaufwärtigen) monolithischen Substrat eingespritzt werden, sodass die eingespritzte Menge an Reduktionsmittel ungehindert von der Einspritzvorrichtung in das Substrat strömt. Bei 706 kann das Abgas durch die mehreren Kanäle des monolithischen Substrats strömen lassen werden, um das Abgas mit dem eingespritzten Reduktionsmittel zu vermischen. Bedingt durch die radial variierende Zelldichte der Kanäle können/kann in dem monolithischen Substrat ein Verwirbelungseffekt und/oder eine lokale Turbulenz erzeugt werden, um so die Zerstäubung des eingespritzten Reduktionsmittels und das Vermischen des zerstäubten Reduktionsmittels mit dem Abgas zu verbessern. Bei 708 kann das mit Reduktionsmittel vermischte Abgas über einen katalytischen SCR-Washcoat strömen lassen werden, um eine NOx-Komponente des vermischten Abgases katalytisch umzuwandeln. In einem Beispiel, wobei der katalytische SCR-Washcoat auf dem monolithischen Substrat einbezogen ist, können mindestens einige NOx-Spezies des Abgases an dem monolithischen Substrat reduziert werden. In einem anderen Beispiel, wobei der katalytische SCR-Washcoat auf einem zweiten Substrat einbezogen ist, das stromabwärts von dem ersten monolithischen Substrat positioniert ist, kann die Steuerungsvorrichtung weiter das vermischte Abgas durch das zweite Substrat strömen lassen, sodass mindestens einige NOx-Spezies des Abgases an dem zweiten stromabwärtigen Substrat reduziert werden können.
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Auf diese Weise kann durch Benutzen eines monolithischen Substrats zum Vermischen von Harnstoff ein „Mischer” mit einer geringeren thermisch wirksamen Masse bereitgestellt werden, der anstelle von oder zusätzlich zu schwereren und voluminöseren Mischern und Zerstäubern benutzt werden kann. Durch Anordnen der mehreren Kanäle des monolithischen Substrats mit radial variierender Zelldichte können radiales Vermischen von Harnstoff und gleichmäßige Verteilung von Harnstoff auf dem SCR-Katalysator ermöglicht werden. Spezifisch kann durch Auslegen der Kanäle mit einer höheren Zelldichte in der Nähe der Mitte des Substrats und einer niedrigeren Zelldichte in der Nähe des Umfangs des Substrats ein größerer Anteil des Abgasstroms gegen die äußeren Ränder des Substrats streben lassen werden, wodurch das Vermischen von Harnstoff mit dem Abgasstrom ohne die Benutzung eines speziell dafür vorgesehenen Mischers oder Zerstäubers verbessert wird. Durch Reduzieren der Notwendigkeit eines speziell dafür vorgesehenen Mischers und der zugehörigen Stützstruktur können Vorteile der Komponentenreduzierung erzielt werden. Außerdem können durch Reduzieren der thermisch wirksamen Masse der Mischvorrichtung und der Zahl von Komponenten, die zum Vermischen erforderlich sind, Abgastemperaturen beibehalten werden, wodurch das Erreichen der Anspringtemperatur eines SCR-Katalysators beschleunigt wird. Es ist zu beachten, dass, obwohl in den veranschaulichten Beispielen die radiale Variation in einem Mittelpunkt beginnt, eine Mitte der variierenden Zelldichte gegenüber der geometrischen Mitte der Vorderseite des Bausteins versetzt sein kann, falls gewünscht.
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Durch weiteres Einbeziehen eines oder mehrerer katalytischer Washcoats oder Beschichtungen auf der Oberfläche des Substrats kann eine gleichmäßigere Verteilung des eingespritzten Harnstoffs auf der Oberfläche des SCR-Katalysators erreicht werden, wodurch die katalytische Leistung des Substrats erhöht wird. Beispielsweise können durch Einbeziehen eines katalytischen SCR-Washcoat auf der Oberfläche des Substrats mindestens einige NOx-Spezies des Abgases auf dem Substrat reduziert werden. In ähnlicher Weise können durch Einbeziehen eines alternativen katalytischen Washcoat auf der Oberfläche des Substrats katalytische Reaktionen, wie z. B. Hydrolyse oder Thermolyse, verstärkt werden und die Behandlung von mindestens einigen Abgaskomponenten verbessert werden. Weiter können durch Zustopfen mindestens einiger der Kanäle des Substrats (wie z. B. alternierender Kanäle) und durch Einbeziehen einer Porosität in das Substrat mindestens einige Abgaspartikel in dem Substrat zurückgehalten werden. Auf diese Weise können Abgasemissionen verbessert werden.
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Es ist zu beachten, dass die beispielhaften Steuerungs- und Schätzprogramme, die hierin einbezogen sind, mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemausgestaltungen benutzt werden können. Die spezifischen Programme, die hierin beschrieben sind, können eine oder mehrere oder eine beliebige Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie z. B. ereignisgesteuert, Interrupt-gesteuert, Multi-Tasking, Multi-Threading und dergleichen, darstellen. Verschiedene veranschaulichte Vorgänge, Operationen oder Funktionen können schlichtweg in der veranschaulichten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen ausgelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erzielen, ist aber zur Erleichterung der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. In Abhängigkeit von der jeweils angewendeten Strategie können ein oder mehrere der veranschaulichten Vorgänge oder Funktionen wiederholt durchgeführt werden. Weiter können die beschriebenen Vorgänge grafisch Code darstellen, der in das computerlesbare Speichermedium in dem Motorsteuerungssystem programmiert werden muss.
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Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Ausgestaltungen und Programme von beispielhafter Art sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht als einschränkend angesehen werden dürfen, denn zahlreiche Varianten sind möglich. Beispielsweise kann die obige Technologie auf Motoren vom Typ V-6, I-4, I-6, V-12, Boxer-4 und andere angewendet werden. Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuen und nicht-offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Ausgestaltungen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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