DE102012215663B4 - Abgasbehandlungssystem für einen verbrennungsmotor mit einem steuersystem für eine vorrichtung für selektive katalytische reduktion (scr) - Google Patents

Abgasbehandlungssystem für einen verbrennungsmotor mit einem steuersystem für eine vorrichtung für selektive katalytische reduktion (scr) Download PDF

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Abstract

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend:eine Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor (12), die derart konfiguriert ist, ein Abgas (15) von dem Verbrennungsmotor (12) aufzunehmen, wobei das Abgas (15) Stickoxide („NO“), Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe enthält;eine Oxidationskatalysator-(„OC“)-Vorrichtung (24) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), wobei die OC-Vorrichtung (24) eine Vorderseite (64) aufweist;eine Vorrichtung mit elektrisch beheiztem Katalysator („EHC“) (22) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), die derart konfiguriert ist, das Abgas (15) aufzunehmen, wo bei die EHC-Vorrichtung (22) selektiv aktiviert wird, um Wärme zu erzeugen und eine weitere Oxidation des Abgases (15) zu bewirken, wobei die EHC-Vorrichtung (22) eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung zum Umwandeln von Stickoxid („NO“) zu Stickstoffdioxid („NO“) besitzt;eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“) (26) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), die derart konfiguriert ist, das Abgas (15) aufzunehmen, wobei die SCR-Vorrichtung (26) stromabwärts der EHC-Vorrichtung (22) und der OC-Vorrichtung (24) angeordnet ist, und wobei die SCR-Vorrichtung (26) in Kommunikation mit der Reduktionsmittelquelle (46) steht und Reduktionsmittel (36) von der Reduktionsmittelquelle (46) aufnimmt und speichert;ein Steuermodul (50) in Kommunikation mit der EHC-Vorrichtung (22) und dem Verbrennungsmotor (12), umfassend:eine Steuerlogik zum Bestimmen, ob die SCR-Vorrichtung (26) einen Schwellenwert von Reduktionsmittel (36) darin gespeichert hat, wobei der Schwellenwert von Reduktionsmittel die Menge an Reduktionsmittel ist, die erforderlich ist, um eine chemische Reaktion zu erzeugen und damit das Reduktionsmittel (36) und die Stickoxide NOin dem Abgas (15) in Zwischenstoffe umzuwandeln; undeine Steuerlogik zum Aktivieren der Reduktionsmittelquelle (46), falls die SCR-Vorrichtung (26) den Schwellenwert von Reduktionsmittel nicht gespeichert hat;dadurch gekennzeichnet ,dass die OC-Vorrichtung (24) Kohlenwasserstoffe adsorbiert und selektiv aktiviert wird, um eine Oxidation der Kohlenwasserstoffe in dem Abgas (15) zu bewirken;dass die EHC-Vorrichtung (22) stromabwärts der Vorderseite (64) der OC-Vorrichtung (24) positioniert ist und in der OC-Vorrichtung (24) angeordnet ist, so dass die Kohlenwasserstoffe in dem Abgas (15) die Erzeugung von NOdurch die EHC-Vorrichtung (22) nicht wesentlich stören.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor und insbesondere ein Abgasbehandlungssystem, das einen elektrisch beheizten Katalysator („EHC“) aufweist, der selektiv aktiviert wird, um eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“) zu heizen. Ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielweise aus der DE 10 2007 040 439 A1 bekannt. Ferner ist es aus der DE 10 2008 023 395 A1 bekannt, zur Senkung von HC-Emissionen im Kaltstart zusätzlich zu einem EHC einen Katalysator und einen HC-Absorber vorzusehen.
  • HINTERGRUND
  • Das Abgas, das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, ausgestoßen wird, stellt ein heterogenes Gemisch dar, das gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid („CO“), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe („HC“) und Stickoxide („NOx“) wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Partikelmaterial („PM“) bilden. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise an Katalysatorträgern oder -substraten angeordnet sind, sind in einem Motorabgassystem vorgesehen, um bestimmte oder alle dieser Abgasbestandteile in nicht regulierte Abgaskomponenten umzuwandeln.
  • Ein Typ von Abgasbehandlungstechnologie zur Reduzierung von CO- und HC-Emissionen ist eine Oxidationskatalysatorvorrichtung („OC“). Die OC-Vorrichtung umfasst ein Durchströmsubstrat und eine auf das Substrat aufgetragene Katalysatorverbindung. Die Katalysatorverbindung des OC bewirkt eine Oxidationsreaktion der Abgase, sobald die OC-Vorrichtung eine Schwellen- oder Anspringtemperatur erreicht hat. Ein Typ von Abgasbehandlungstechnologie zur Reduzierung von NOx-Emissionen ist eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“), die stromabwärts der OC-Vorrichtung positioniert sein kann. Die SCR-Vorrichtung weist ein Substrat auf, das eine auf das Substrat aufgetragene SCR-Katalysatorverbindung besitzt. Ein Reduktionsmittel wird typischerweise in heiße Abgase stromaufwärts der SCR-Vorrichtung gesprüht. Das Reduktionsmittel kann eine Harnstofflösung sein, die sich zu Ammoniak („NH3“) in den heißen Abgasen zersetzt und von der SCR-Vorrichtung absorbiert wird. Das Ammoniak reduziert dann das NOx zu Stickstoff in der Anwesenheit des SCR-Katalysators. Jedoch muss die SCR-Vorrichtung auch eine Schwellen- oder Anspringtemperatur erreichen, um NOx effektiv zu reduzieren. Während eines Kaltstarts des Motors haben die OC- und die SCR-Vorrichtungen die jeweiligen Anspringtemperaturen nicht erreicht und können daher möglicherweise allgemein CO, HC und NOx von den Abgasen nicht effektiv entfernen.
  • Eine Vorgehensweise zur Erhöhung der Wirksamkeit der OC- und der SCR-Vorrichtungen betrifft, dass der Motor mit einer höheren Temperatur betrieben wird, was seinerseits auch die Temperatur der Abgase anhebt. Jedoch betrifft diese Vorgehensweise, dass der Motor mit einem geringeren Wirkungsgradniveau betrieben wird, um heißere Abgase zu erzeugen, was in einem größeren Kraftstoffverbrauch resultiert.
  • Demgemäß ist es erwünscht, eine effiziente Vorgehensweise zur Erhöhung der Temperatur der Abgase stromaufwärts der OC- und der SCR-Vorrichtungen bereitzustellen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diesem Wunsch gerecht zu werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Aufgabe wird mit einem Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, mit einer Abgasleitung, einer Oxidationskatalysator-(„OC“)-Vorrichtung, einer Vorrichtung mit elektrisch beheiztem Katalysator („EHC“), einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“) und einem Steuermodul. Die Abgasleitung steht in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor und ist derart konfiguriert, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen. Das Abgas enthält Stickoxide („NOx = NO + NO2“), Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe. Die OC-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung. Die OC-Vorrichtung weist eine Vorderseite auf. Die OC-Vorrichtung adsorbiert Kohlenwasserstoffe und wird selektiv aktiviert, um eine Oxidation der Kohlenwasserstoffe in dem Abgas zu bewirken. Die EHC-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und ist derart konfiguriert, das Abgas aufzunehmen. Die EHC-Vorrichtung ist in der OC-Vorrichtung angeordnet und wird selektiv aktiviert, um Wärme zu erzeugen und eine weitere Oxidation des Abgases zu bewirken. Die EHC-Vorrichtung besitzt eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung zum Umwandeln von Stickoxid („NO“) zu Stickstoffdioxid („NO2“). Die EHC-Vorrichtung ist stromabwärts der Vorderseite der OC-Vorrichtung positioniert, so dass die Kohlenwasserstoffe in dem Abgas die Erzeugung von NO2 durch die EHC-Vorrichtung nicht wesentlich stören. Die SCR-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und ist derart konfiguriert, das Abgas aufzunehmen. Die SCR-Vorrichtung ist stromabwärts der EHC-Vorrichtung und der OC-Vorrichtung angeordnet. Die SCR-Vorrichtung steht in Kommunikation mit einer Reduktionsmittelquelle und nimmt Reduktionsmittel von dieser auf und speichert dieses. Das Steuermodul steht in Kommunikation mit der EHC-Vorrichtung und dem Verbrennungsmotor. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zur Bestimmung auf, ob die SCR-Vorrichtung einen Schwellenwert von Reduktionsmittel darin gespeichert ha. Der Schwellenwert von Reduktionsmittel ist die Menge an Reduktionsmittel, die erforderlich ist, um eine chemische Reaktion zu erzeugen und damit das Reduktionsmittel und die Stickoxide NOx in dem Abgas in Zwischenstoffe umzuwandeln. Das Steuermodul weist auch eine Steuerlogik zur Aktivierung der Reduktionsmittelquelle auf, falls die SCR-Vorrichtung den Schwellenwert von Reduktionsmittel nicht gespeichert hat.
  • Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
  • Figurenliste
  • Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten sind nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen gezeigt, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
    • 1 ein schematisches Schaubild eines beispielhaften Abgasbehandlungssystems ist; und
    • 2 ein Prozessflussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Aktivieren eines elektrisch beheizten Katalysators („EHC“) und einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“), wie in 1 gezeigt ist, zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Es sei zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben. Der hier verwendete Begriff Modul betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
  • Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform auf ein Abgasbehandlungssystem 10 für die Reduzierung regulierter Abgasbestandteile eines Verbrennungs-(IC)-Motors 12 gerichtet. Das Abgasbehandlungssystem, das hier beschrieben ist, kann in verschiedenen Motorsystemen implementiert sein, die Dieselmotorsysteme, Benzindirekteinspritzsysteme und Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung aufweisen können, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
  • Das Abgasbehandlungssystem 10 weist allgemein eine oder mehrere Abgasleitungen 14 und eine oder mehrere Abgasbehandlungsvorrichtungen auf. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, weisen die Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems einen Kohlenwasserstoffadsorber 20, eine Vorrichtung 22 mit elektrisch beheiztem Katalysator („EHC“), eine Oxidationskatalysatorvorrichtung („OC“) 24, eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“) 26 und eine Partikelfiltervorrichtung („PF“) 30 auf. Wie angemerkt sei, kann das Abgasbehandlungssystem der vorliegenden Offenbarung verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren der in 1 gezeigten Abgasbehandlungsvorrichtungen und/oder andere Abgasbehandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) aufweisen und ist nicht auf das vorliegende Beispiel beschränkt.
  • In 1 transportiert die Abgasleitung 14, die mehrere Segmente umfassen kann, Abgas 15 von dem Verbrennungsmotor 12 an die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10. Der Kohlenwasserstoffadsorber 20 umfasst z.B. ein Durchström-Metall- oder Keramik-Monolithsubstrat. Das Substrat kann eine daran angeordnete Kohlenwasserstoffadsorberverbindung aufweisen. Die Kohlenwasserstoffadsorberverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann Materialien enthalten, wie beispielsweise Zeolith. Der Kohlenwasserstoffadsorber 20 ist stromaufwärts der EHC-Vorrichtung 22, der OC-Vorrichtung 24 und der SCR-Vorrichtung 26 angeordnet. Der Kohlenwasserstoffadsorber 20 ist zur Reduzierung der Emissionen von HC während eines Motorkaltstartzustandes konfiguriert, wenn die EHC-Vorrichtung 22, die OC-Vorrichtung 24 und die SCR-Vorrichtung 26 nicht auf die jeweiligen Anspringtemperaturen erhitzt worden sind und nicht aktiv sind, indem er als ein Mechanismus zum Speichern von Kraftstoff dient. Genauer wird das Material auf Zeolithbasis dazu verwendet, Kraftstoff oder Kohlenwasserstoffe während eines Kaltstarts zu speichern.
  • Die OC-Vorrichtung 24 ist stromabwärts des Kohlenwasserstoffadsorbers 20 angeordnet und kann beispielsweise ein Durchström-Metall- oder -Keramik-Monolithsubstrat aufweisen, das in eine Schale oder einen Kanister aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt sein kann. Das Substrat kann eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung aufweisen. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen sein und kann Metalle, wie Platin („Pt“), Palladium („Pd“), Perovskit- oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus enthalten. Die OC-Vorrichtung 24 behandelt nicht verbrannte gasförmige und nichtflüchtige HC und CO, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu erzeugen.
  • Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, ist die EHC-Vorrichtung 22 in der OC-Vorrichtung 24 angeordnet. Die EHC-Vorrichtung 22 weist einen Monolith 28 und eine elektrische Heizung 32 auf, wobei die elektrische Heizung 32 selektiv aktiviert wird und den Monolith 28 heizt. Die elektrische Heizung 32 ist mit einer elektrischen Quelle (nicht gezeigt) verbunden, die Leistung daran liefert. Bei einer Ausführungsform arbeitet die elektrische Heizung 32 bei einer Spannung von etwa 12 - 24 Volt und einem Leistungsbereich von etwa 1 - 3 Kilowatt, wobei jedoch zu verstehen sei, dass genauso gut andere Betriebsbedingungen verwendet werden können. Die EHC-Vorrichtung 22 kann aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut sein, das elektrisch leitend ist, wie einem gewickelten oder gestapelten Metallmonolith 28. Eine Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt) kann auf die EHC-Vorrichtung 22 als ein Washcoat aufgetragen sein und kann Metalle, wie Pt oder Pd, Perovskit- oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren und Kombinationen daraus enthalten.
  • Die SCR-Vorrichtung 26 kann stromabwärts der OC-Vorrichtung 24 angeordnet sein. Auf eine Weise ähnlich der OC-Vorrichtung 24 kann die SCR-Vorrichtung 26 beispielsweise ein Durchström-Keramik- oder -Metall-Monolithsubstrat aufweisen, das in eine Schale oder einen Kanister aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt sein kann. Das Substrat kann eine daran aufgebrachte SCR-Katalysatorzusammensetzung aufweisen. Die SCR-Katalysatorzusammensetzung kann einen Zeolith sowie eine oder mehrere Basismetallkomponenten aufweisen, wie Eisen („Fe“), Kobalt („Co“), Kupfer („Cu“) oder Vanadium („V“), die effizient dazu dienen können, NOx-Bestandteile in dem Abgas 15 in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak („NH3“) umzuwandeln.
  • Bei dem Beispiel, wie in 1 gezeigt ist, kann ein Ammoniakreduktionsmittel 36 von einer Reduktionsmittellieferquelle (nicht gezeigt) geliefert werden und kann in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 26 unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung 46 oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Lieferung des Reduktionsmittels an das Abgas 15 eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel 36 kann in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Harnstofflösung vorliegen und kann mit Luft in der Einspritzeinrichtung 46 gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprühnebels zu unterstützen. Ein Mischer oder Turbulator 48 kann ebenfalls in der Abgasleitung 14 in enger Nähe zu der Einspritzeinrichtung 46 angeordnet sein, um eine vollständige Mischung des Reduktionsmittels 36 mit dem Abgas 15 weiter zu unterstützen. Alternativ dazu kann ein passives Ammoniaksystem genauso verwendet werden, wobei ein Dreiwegekatalysator (nicht gezeigt) stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 26 platziert ist und ein fetter Motorbetrieb Ammoniak an dem Dreiwegekatalysator erzeugt.
  • Die PF-Vorrichtung 30 kann stromabwärts der SCR-Vorrichtung 26 angeordnet sein. Die PF-Vorrichtung 30 dient dazu, das Abgas 15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die PF-Vorrichtung 30 unter Verwendung eines keramischen Wandströmungsmonolithfilters 23 aufgebaut sein, der in eine Schale oder einen Kanister gepackt ist, die/der beispielsweise aus rostfreiem Stahl aufgebaut ist und die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 besitzt. Der keramische Wandströmungsmonolithfilter 23 kann eine Mehrzahl sich längs erstreckender Durchgänge besitzen, die durch sich längs erstreckende Wände definiert sind. Die Durchgänge umfassen einen Untersatz von Einlassdurchgängen, die ein offenes Einlassende und ein geschlossenes Auslassende besitzen, sowie einen Untersatz von Auslassdurchgängen, die ein geschlossenes Einlassende und ein offenes Auslassende besitzen. Abgas 15, das in den Filter 23 durch die Einlassenden der Einlassdurchgänge eintritt, wird durch benachbarte, sich längs erstreckende Wände zu den Auslassdurchgängen getrieben. Durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas 15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel werden an den sich längs erstreckenden Wänden der Einlassdurchgänge abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung der Erhöhung des Abgasgegendrucks, dem der Verbrennungsmotor 12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der keramische Wandströmungsmonolithfilter lediglich beispielhafter Natur ist und dass die PF-Vorrichtung 30 andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc.
  • Ein Steuermodul 50 ist funktional mit dem Motor 12 und dem Abgasbehandlungssystem 10 verbunden und überwacht diese durch eine Anzahl von Sensoren. Das Steuermodul 50 ist auch funktional mit der elektrischen Heizung 32 der EHC-Vorrichtung 22, dem Motor 12 und der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 verbunden. 1 zeigt das Steuermodul 50 in Kommunikation mit zwei Temperatursensoren 52 und 54, die in der Abgasleitung 14 angeordnet sind. Der erste Temperatursensor 52 ist stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 26 vorgesehen, und der zweite Temperatursensor 54 ist stromabwärts der SCR-Vorrichtung 26 angeordnet. Die Temperatursensoren 52 und 54 senden elektrische Signale an das Steuermodul 50, die jeweils die Temperatur in der Abgasleitung 14 an spezifischen Stellen angeben. Das Steuermodul 50 steht auch in Kommunikation mit zwei NOx-Sensoren 60 und 62, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 stehen. Genauer ist der erste NOx-Sensor 60 stromabwärts des Verbrennungsmotors 12 und stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 26 angeordnet, um ein NOx-Konzentrationsniveau zu detektieren. Der zweite NOx-Sensor 62 ist stromabwärts der SCR-Vorrichtung 26 angeordnet, um das NOx-Konzentrationsniveau in der Abgasleitung 14 an spezifischen Stellen zu detektieren.
  • Das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik zur Überwachung des ersten Temperatursensors 52 und des zweiten Temperatursensors 54 und zur Berechnung eines Temperaturprofils der SCR-Vorrichtung 26 auf. Genauer werden der erste Temperatursensor 52 und der zweite Temperatursensor 54 gemeinsam gemittelt, um das Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung 26 zu erzeugen. Das Steuermodul 50 weist auch eine Steuerlogik zum selektiven Aktivieren oder Deaktivieren der EHC-Vorrichtung 22 auf Grundlage des Temperaturprofils der SCR-Vorrichtung 26 auf. Genauer wird, wenn das Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung 26 oberhalb einer Anspring- oder Minimalbetriebstemperatur liegt, dann die elektrische Heizung 32 deaktiviert und heizt die EHC-Vorrichtung 22 nicht mehr. Jedoch ist, solange das Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung 22 unterhalb der Anspringtemperatur liegt, die elektrische Heizung 32 aktiviert oder bleibt aktiviert, und Wärme wird an die SCR-Vorrichtung 26 geliefert.
  • Das Steuermodul 50 weist auch eine Steuerlogik zum Überwachen der Temperatur der EHC-Vorrichtung 22 auf. Genauer kann das Steuermodul 50 die Temperatur der EHC-Vorrichtung 22 durch mehrere verschiedene Vorgehensweisen überwachen. Bei einer Vorgehensweise ist ein Temperatursensor (nicht gezeigt) stromabwärts der EHC-Vorrichtung 22 platziert und steht in Kommunikation mit dem Steuermodul 50 zur Detektion der Temperatur der EHC-Vorrichtung 22. Bei einer alternativen Vorgehensweise wird der Temperatursensor weggelassen und stattdessen weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Bestimmen der Temperatur der EHC-Vorrichtung 22 auf Grundlage von Betriebsparametern des Abgassystems 10 auf. Genauer kann die Temperatur der EHC-Vorrichtung 22 auf Grundlage der Abgasströmung des Motors 12, einer Eingangsgastemperatur des Motors 12 und der elektrischen Leistung berechnet werden, die an die elektrische Heizung 32 geliefert wird. Die Abgasströmung des Motors 12 wird durch Addition der Ansaugluftmasse des Motors 12 und der Kraftstoffmasse des Motors 12 berechnet, wobei die Ansaugluftmasse unter Verwendung eines Ansaugluftmassenstromsensors (nicht gezeigt) des Motors 12 gemessen wird, der den Luftmassenstrom misst, der in den Motor 12 eintritt. Der Kraftstoffmassenstrom wird durch Summieren der Gesamtmenge von Kraftstoff, die in den Motor 12 über eine gegebene Zeitperiode eingespritzt wird, gemessen. Der Kraftstoffmassenstrom wird zu dem Luftmassendurchfluss addiert, um die Abgasströmung des Motors 12 zu berechnen.
  • Das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik zur Bestimmung auf, ob die Temperatur der EHC-Vorrichtung 22 über einer Schwellen- oder EHC-Anspringtemperatur liegt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform beträgt die EHC-Anspringtemperatur etwa 250°C. Falls die Temperatur der EHC-Vorrichtung 22 über der EHC-Anspringtemperatur liegt, dann weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Aberregen einer elektrischen Quelle (nicht gezeigt) der elektrischen Heizung 32 auf.
  • Das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik zur Bestimmung einer Menge von NOx in dem Abgas 15 auf, die durch die SCR-Vorrichtung 26 reduziert ist. Die Menge an NOx in dem Abgas 15, die von der SCR-Vorrichtung 26 reduziert ist, kann auf Grundlage des Ausgangs des ersten NOx-Sensors 60, des zweiten NOx-Sensors 62 und der Temperatur des SCR-Temperaturprofils auf Grundlage des ersten und zweiten Temperatursensors 52 und 54 berechnet werden. Das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik auf, um zu bestimmen, ob die Menge an NOx in dem Abgas 15, die durch die SCR-Vorrichtung 26 reduziert ist, über einem Schwellen-NOx-Wert liegt. Bei einer Ausführungsform repräsentiert der Schwellen-NOx-Wert die maximale Menge an NOx, die die SCR-Vorrichtung 26 nach Erreichen der Anspringtemperatur zu reduzieren in der Lage ist. Der Schwellen-NOx-Wert wird in dem Speicher des Steuermoduls 50 gespeichert. In dem Fall, dass das Steuermodul 50 bestimmt, dass die Menge an NOx in dem Abgas, die durch die SCR-Vorrichtung 26 reduziert ist, nicht über dem Schwellen-NOx-Wert liegt, weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Aktivieren der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 auf, um das Reduktionsmittel 36 zu der SCR-Vorrichtung 26 zu dosieren.
  • Das Steuermodul 50 weist auch eine Steuerlogik auf, um zu bestimmen, ob die SCR-Vorrichtung 26 einen Schwellenwert von Reduktionsmittel 36 darin gespeichert hat. Bei einer Ausführungsform repräsentiert der Schwellenwert von Reduktionsmittel 36 die Menge an Reduktionsmittel 36, die erforderlich ist, um eine chemische Reaktion zu erzeugen, um das Reduktionsmittel und die Stickoxide NOx in dem Abgas in der SCR-Vorrichtung 26 in einen Zwischenstoff umzuwandeln, wie beispielsweise Ammoniaknitrat („NH4NO3“) oder Ammoniumnitrit („NH4NO2“). Bei einer noch weiteren Ausführungsform repräsentiert der Schwellenwert von Reduktionsmittel 36 das Reduktionsmittel 36, das von der SCR-Vorrichtung 26 an einem Sättigungspunkt gespeichert ist. Der Sättigungspunkt repräsentiert eine maximale Menge an Reduktionsmittel 36, die die SCR-Vorrichtung 26 speichern kann. Genauer speichert der Speicher des Steuermoduls 50 einen Wert, der die maximale Menge an Reduktionsmittel 36 angibt, die in der SCR-Vorrichtung 26 gespeichert werden kann. Das Steuermodul 50 weist auch eine Steuerlogik zum Aktivieren der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 auf, falls die SCR-Vorrichtung 26 den Schwellenwert von Reduktionsmittel 36 nicht gespeichert hat. Beispielsweise weist bei einer Ausführungsform das Steuermodul 50 auch eine Steuerlogik 50 zum Aktivieren der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 auf, um die SCR-Vorrichtung 26 mit Reduktionsmittel 36 vor einem Kaltstart des Motors 12 zu beladen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems 10 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Aktivieren der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 auf, um die SCR-Vorrichtung 26 mit Reduktionsmittel 36 bis zu dem Sättigungspunkt der SCR-Vorrichtung 26 zu beladen.
  • Die SCR-Vorrichtung 26 wird auf die Anspringtemperatur erhitzt, was allgemein die Menge an NOx in dem Abgas 15 effektiv reduziert. Genauer wird das NOx in dem Abgas 15 zu Stickstoff nach einem Anspringen der SCR-Vorrichtung 26 reduziert. Wie oben diskutiert ist, kann bei einer Ausführungsform die Oxidationskatalysatorverbindung, die auf die EHC-Vorrichtung 22 und die OC-Vorrichtung 24 aufgetragen ist, Metalle enthalten, wie Pt, Pd oder Perovskit. Diese Typen von Oxidationskatalysatoren können NO zu NO2 mit einer relativ hohen Rate während eines Kaltstarts eines Motors im Vergleich zu einigen anderen Typen von Oxidationskatalysatorverbindungen, die derzeit erhältlich sind, umwandeln. Der Großteil von NOx, das von dem Motor ausgestoßen wird, liegt in der Form von NO vor, wobei jedoch angemerkt sei, dass NO2 leichter von der SCR-Vorrichtung 26 adsorbiert werden kann, als NO. Somit kann die Umwandlung von NO zu NO2 mit einer relativ hohen Rate die Reduzierung von NOx in dem Abgas 15 durch die SCR-Vorrichtung 26 unterstützen oder verbessern, sobald die SCR-Vorrichtung 26 auf die Anspringtemperatur erhitzt ist.
  • Die EHC-Vorrichtung 22 ist auch stromabwärts einer Vorderseite 64 der OC-Vorrichtung 24 positioniert, so dass Kohlenwasserstoffe in dem Abgas 15 die Erzeugung von NO zu NO2 durch die EHC-Vorrichtung 22 nicht wesentlich stören. Genauer wird die OC-Vorrichtung 24 in einer Anstrengung verwendet, nicht verbrannte gasförmige und nichtflüchtige HC und CO stromaufwärts der EHC-Vorrichtung 22 zu behandeln. Kohlenwasserstoffe in dem Abgas 15 können die Umwandlung von NO zu NO2 durch die EHC-Vorrichtung 22 stören. Somit unterstützt die Anordnung der OC-Vorrichtung 24 stromaufwärts der EHC-Vorrichtung 22 eine Reduzierung der Menge von NOx in dem Abgas 15 durch Reduzierung oder wesentliche Beseitigung von Kohlenwasserstoffen, die die NO2-Erzeugung stören. Beispielsweise beträgt bei einer Ausführungsform, die eine Perovskit-Oxidationskatalysatorverbindung verwendet, die Umwandlung von NO zu NO2 bei 300°C etwa 85 %. Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform, die eine Katalysatorverbindung auf Pt-Basis verwendet, beträgt die Umwandlung von NO zu NO2 bei 300°C etwa 55 %, wobei jedoch zu verstehen sei, dass andere Beispiele des Betriebs genauso erhalten werden können.
  • Überdies ist der Kohlenwasserstoffadsorber 20 zur Reduzierung der Menge an HC konfiguriert, die die EHC-Vorrichtung 22 und die OC-Vorrichtung 24 während eines Kaltstarts erreicht, was auch die Reduzierung von NOx in dem Abgas 15 unterstützt oder verbessert. Der Kohlenwasserstoffadsorber 20 wirkt als ein Mechanismus zum Speichern von Kraftstoff oder Kohlenwasserstoffen während eines Kaltstarts. Dies bedeutet, die Kohlenwasserstoffe werden von dem Kohlenwasserstoffadsorber 20 vor Erreichen der EHC-Vorrichtung 22 und der OC-Vorrichtung 24 adsorbiert. Somit kann der Kohlenwasserstoffadsorber 20 auch eine Reduzierung der Menge von NOx in dem Abgas 15 durch Reduzierung oder wesentliche Beseitigung von Kohlenwasserstoffen, die die NO2-Erzeugung stören, unterstützen.
  • Nun wird ein Verfahren zum Betrieb des Abgasbehandlungssystems 10 erläutert. Bezug nehmend auf 2 ist ein beispielhaftes Prozessflussschaubild, das einen beispielhaften Prozess zum Betrieb des Abgasbehandlungssystems 10 veranschaulicht, allgemein mit Bezugszeichen 200 gezeigt. Der Prozess 200 beginnt mit Schritt 202, wo ein Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Überwachen eines Temperaturprofils einer SCR-Vorrichtung 26 aufweist, um zu bestimmen, ob die SCR-Vorrichtung 26 über oder unter einer jeweiligen Anspringtemperatur liegt. Genauer steht Bezug nehmend auf 1 das Steuermodul 50 in Kommunikation mit zwei Temperatursensoren 52 und 54, die in der Abgasleitung 14 angeordnet sind, wobei der erste Temperatursensor 52 stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 26 platziert ist und der zweite Temperatursensor 54 stromabwärts der SCR-Vorrichtung 26 vorgesehen ist. Das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik zum Überwachen des ersten Temperatursensors 52 und des zweiten Temperatursensors 54 und zum Berechnen eines Temperaturprofils der SCR-Vorrichtung 26 auf. Genauer werden der erste Temperatursensor 52 und der zweite Temperatursensor 54 gemeinsam gemittelt, um das Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung 26 zu erzeugen. In dem Fall, dass sich die SCR-Vorrichtung 26 über der Anspringtemperatur befindet, kann der Prozess 200 dann mit Schritt 210 fortfahren. Wenn die SCR-Vorrichtung 26 sich unterhalb der jeweiligen Anspringtemperatur befindet, kann der Prozess 200 dann mit Schritt 204 fortfahren.
  • Bei Schritt 204 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zur Bestimmung auf, ob eine EHC-Vorrichtung 22 über der jeweiligen Anspringtemperatur liegt. Wie oben diskutiert ist, kann das Steuermodul 50 die Temperatur der EHC-Vorrichtung 22 durch mehrere verschiedene Vorgehensweisen überwachen. Bei einer Vorgehensweise wird ein Temperatursensor (in 1 nicht gezeigt) stromabwärts der EHC-Vorrichtung 22 platziert und steht in Kommunikation mit dem Steuermodul 50 zur Detektion der Temperatur der EHC-Vorrichtung 22. Bei einer alternativen Vorgehensweise wird der Temperatursensor weggelassen und das Steuermodul 50 umfasst stattdessen eine Steuerlogik zum Bestimmen der Temperatur der EHC-Vorrichtung 22 auf Grundlage von Betriebsparametern eines Abgassystems 10. Falls sich die EHC-Vorrichtung 22 oberhalb der Anspringtemperatur befindet, fährt der Prozess 200 mit Schritt 206 fort, wo eine elektrische Heizung 32, die einen Monolith 28 der EHC-Vorrichtung 22 heizt, deaktiviert ist. Falls die EHC-Vorrichtung 22 sich unterhalb der Anspringtemperatur befindet, fährt der Prozess 200 mit Schritt 208 fort, bei dem die elektrische Heizung 32 aktiviert wird. Beide Schritte 206 und 208 kehren dann zu Schritt 202 zurück, wo sich der Prozess 200 wiederholt.
  • In dem Fall, dass sich bei Schritt 202 die SCR-Vorrichtung 26 über der Anspringtemperatur befindet, fährt der Prozess 200 dann mit Schritt 210 fort. Bei Schritt 210 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Deaktivieren der elektrischen Heizung 32 der EHC-Vorrichtung 22 auf. Der Prozess 200 kann dann mit Schritt 212 fortfahren.
  • Bei Schritt 212 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zur Bestimmung einer Menge von NOx in dem Abgas 15 auf, die durch die SCR-Vorrichtung 26 reduziert ist. Die Menge an NOx in dem Abgas 15, die durch die SCR-Vorrichtung 26 reduziert ist, kann auf Grundlage des Ausgangs eines ersten NOx-Sensors 60, eines zweiten NOx-Sensors 62 und der Temperatur des SCR-Temperaturprofils auf Grundlage des ersten und zweiten Temperatursensors 52, 54 berechnet werden. Das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik auf, um zu bestimmen, ob die Menge an NOx in dem Abgas 15, die durch die SCR-Vorrichtung 26 reduziert ist, sich über einem Schwellen-NOx-Wert befindet. In dem Fall, dass das Steuermodul 50 bestimmt, dass die Menge an NOx in dem Abgas, die durch die SCR-Vorrichtung 26 reduziert ist, über dem Schwellen-NOx-Wert liegt, dann kann der Prozess 200 enden. In dem Fall, dass das Steuermodul 50 bestimmt, dass die Menge an NOx in dem Abgas, die durch die SCR-Vorrichtung 26 reduziert ist, unter dem Schwellen-NOx-Wert liegt, dann kann der Prozess 200 mit Schritt 214 fortfahren.
  • Bei Schritt 214 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Aktivieren der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 auf, um das Reduktionsmittel 36 zu der SCR-Vorrichtung 26 zu dosieren. Genauer weist bei einer beispielhaften Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems 10 das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Aktivieren der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 auf, um die SCR-Vorrichtung 26 mit Reduktionsmittel 36 bis zu dem Sättigungspunkt der SCR-Vorrichtung 26 zu beladen. Das Steuermodul 50 weist auch eine Steuerlogik 50 zum Aktivieren der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 auf, um die SCR-Vorrichtung 26 mit Reduktionsmittel 36 vor dem Kaltstart des Motors 12 zu beladen. Der Prozess 200 kann dann enden.

Claims (10)

  1. Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend: eine Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor (12), die derart konfiguriert ist, ein Abgas (15) von dem Verbrennungsmotor (12) aufzunehmen, wobei das Abgas (15) Stickoxide („NOx“), Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe enthält; eine Oxidationskatalysator-(„OC“)-Vorrichtung (24) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), wobei die OC-Vorrichtung (24) eine Vorderseite (64) aufweist; eine Vorrichtung mit elektrisch beheiztem Katalysator („EHC“) (22) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), die derart konfiguriert ist, das Abgas (15) aufzunehmen, wo bei die EHC-Vorrichtung (22) selektiv aktiviert wird, um Wärme zu erzeugen und eine weitere Oxidation des Abgases (15) zu bewirken, wobei die EHC-Vorrichtung (22) eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung zum Umwandeln von Stickoxid („NO“) zu Stickstoffdioxid („NO2“) besitzt; eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“) (26) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), die derart konfiguriert ist, das Abgas (15) aufzunehmen, wobei die SCR-Vorrichtung (26) stromabwärts der EHC-Vorrichtung (22) und der OC-Vorrichtung (24) angeordnet ist, und wobei die SCR-Vorrichtung (26) in Kommunikation mit der Reduktionsmittelquelle (46) steht und Reduktionsmittel (36) von der Reduktionsmittelquelle (46) aufnimmt und speichert; ein Steuermodul (50) in Kommunikation mit der EHC-Vorrichtung (22) und dem Verbrennungsmotor (12), umfassend: eine Steuerlogik zum Bestimmen, ob die SCR-Vorrichtung (26) einen Schwellenwert von Reduktionsmittel (36) darin gespeichert hat, wobei der Schwellenwert von Reduktionsmittel die Menge an Reduktionsmittel ist, die erforderlich ist, um eine chemische Reaktion zu erzeugen und damit das Reduktionsmittel (36) und die Stickoxide NOx in dem Abgas (15) in Zwischenstoffe umzuwandeln; und eine Steuerlogik zum Aktivieren der Reduktionsmittelquelle (46), falls die SCR-Vorrichtung (26) den Schwellenwert von Reduktionsmittel nicht gespeichert hat; dadurch gekennzeichnet , dass die OC-Vorrichtung (24) Kohlenwasserstoffe adsorbiert und selektiv aktiviert wird, um eine Oxidation der Kohlenwasserstoffe in dem Abgas (15) zu bewirken; dass die EHC-Vorrichtung (22) stromabwärts der Vorderseite (64) der OC-Vorrichtung (24) positioniert ist und in der OC-Vorrichtung (24) angeordnet ist, so dass die Kohlenwasserstoffe in dem Abgas (15) die Erzeugung von NO2 durch die EHC-Vorrichtung (22) nicht wesentlich stören.
  2. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum selektiven Aktivieren der EHC-Vorrichtung (22) abhängig davon aufweist, ob die SCR-Vorrichtung (26) eine Anspringtemperatur erreicht hat.
  3. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Kohlenwasserstoff-(„HC“)-Adsorber (20) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), der stromaufwärts sowohl der EHC-Vorrichtung (22), der OC-Vorrichtung (24) als auch der SCR-Vorrichtung (26) angeordnet ist, wobei der HC-Adsorber (20) Kohlenwasserstoffe von dem Abgas (15) adsorbiert.
  4. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem ersten Temperatursensor (52) und einem zweiten Temperatursensor (54) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), wobei der erste Temperatursensor (52) stromaufwärts der SCR-Vorrichtung (26) angeordnet ist und der zweite Temperatursensor (54) stromabwärts der SCR-Vorrichtung (26) angeordnet ist.
  5. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 4, wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum Überwachen des ersten Temperatursensors (52) und des zweiten Temperatursensors (54) und eine Steuerlogik zum Berechnen eines SCR-Temperaturprofils auf Grundlage von Signalen von dem ersten Temperatursensor (52) und dem zweiten Temperatursensor (54) aufweist.
  6. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 5, wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum Bestimmen, ob das SCR-Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung (26) unterhalb einer SCR-Anspringtemperatur liegt, eine Steuerlogik zum Aktivieren der EHC-Vorrichtung (22) auf eine EHC-Anspringtemperatur, falls das SCR-Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung (26) unter der SCR-Anspringtemperatur liegt, und eine Steuerlogik zum Deaktivieren der EHC-Vorrichtung (22) aufweist, falls das SCR-Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung (26) über der SCR-Anspringtemperatur liegt.
  7. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem ersten NOx-Sensor (60) und einem zweiten NOx-Sensor (62), die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) stehen, wobei der erste NOx-Sensor (60) stromabwärts des Verbrennungsmotors (12) und stromaufwärts der SCR-Vorrichtung (26) angeordnet ist und der zweite NOx-Sensor (62) stromabwärts der SCR-Vorrichtung (26) angeordnet ist.
  8. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum Bestimmen einer Menge von NOx in dem Abgas (15), die durch den SCR reduziert ist, aufweist, wobei die Menge von NOx in dem Abgas (15), die durch die SCR-Vorrichtung (26) reduziert ist, auf dem Ausgang des ersten NOx-Sensors (60), des zweiten NOx-Sensors (62) und der Temperatur des SCR-Temperaturprofils basiert.
  9. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum Bestimmen, ob die Menge an NOx in dem Abgas (15), die durch die SCR-Vorrichtung (26) reduziert ist, über einem Schwellen-NOx-Wert liegt, aufweist, wobei der Schwellen-NOx-Wert die maximale Menge an NOx repräsentiert, die die SCR-Vorrichtung (26) reduziert.
  10. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum Aktivieren der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung (46) aufweist, um das Reduktionsmittel (36) zu der SCR-Vorrichtung (26) zu dosieren, falls die Menge an NOx in dem Abgas (15), die durch den SCR reduziert ist, nicht über dem Schwellen-NOx-Wert liegt.
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