DE102012220016A1 - Elektrisch beheizter NOx-Adsorber-Katalysator - Google Patents
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Abstract
Es ist ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, das eine Abgasleitung, eine stromaufwärtige Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”), eine elektrisch beheizte Katalysator(”EHC”)-Vorrichtung, eine Oxidationskatalysator-(”OC”)-Vorrichtung, eine stromabwärtige SCR-Vorrichtung und ein Steuermodul aufweist. Die EHC-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und ist derart konfiguriert, das Abgas aufzunehmen. Die EHC-Vorrichtung ist stromabwärts der stromaufwärtigen SCR-Vorrichtung angeordnet und wird selektiv aktiviert, um Wärme zu erzeugen. Die OC-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und wird durch die EHC-Vorrichtung selektiv erhitzt. Zumindest eines von der EHC-Vorrichtung und der OC-Vorrichtung besitzen einen daran angeordneten NOx-Adsorberkatalysator zur selektiven Adsorption von NOx unterhalb einer Schwellentemperatur und zum wesentlichen Freisetzen von NOx oberhalb der Schwellentemperatur.
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Abgasbehandlungssystem, das einen elektrisch beheizten Katalysator (”EHC”), der selektiv aktiviert wird, und einen NOx-Adsorberkatalysator aufweist.
- 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. 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 adsorbiert 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. Nach einem Kaltstart des Motors hat die SCR-Vorrichtung die jeweilige Anspringtemperatur nicht erreicht und kann daher allgemein nicht effektiv NOx von den Abgasen entfernen. Demgemäß ist es angestrebt, eine effiziente Vorgehensweise zur effektiven Entfernung von NOx von den Abgasen bereitzustellen, bevor die SCR-vorrichtung die jeweilige Anspringtemperatur erreicht.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor vorgesehen und umfasst eine Abgasleitung, eine stromaufwärtige Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”), eine elektrisch beheizte Katalysator-(”EHC”)-Vorrichtung, eine Oxidationskatalysator-(”OC”)-Vorrichtung, eine stromabwärtige SCR-Vorrichtung und ein Steuermodul. Die Abgasleitung steht in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor und ist derart konfiguriert, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen. Das Abgas enthält Stickoxide (”NOx”) und Kohlenwasserstoffe. Die stromaufwärtige SCR-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und ist derart konfiguriert, das Abgas aufzunehmen. Die EHC-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und ist derart konfiguriert, das Abgas aufzunehmen. Die EHC-Vorrichtung ist stromabwärts der stromaufwärtigen SCR-Vorrichtung angeordnet. Die EHC-Vorrichtung wird selektiv aktiviert, um Wärme zu erzeugen. Die EHC-Vorrichtung umfasst einen Monolith. Die OC-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung. Die OC-Vorrichtung wird durch die EHC-Vorrichtung selektiv erhitzt. Zumindest eines aus dem Monolith der EHC-Vorrichtung und der OC-Vorrichtung besitzt einen darauf aufgetragenen NOx-Adsorberkatalysator zur Adsorption von NOx unterhalb einer Schwellentemperatur und wesentlichen Freisetzung von NOx oberhalb der Schwellentemperatur. Die stromabwärtige SCR-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und ist derart konfiguriert, das Abgas aufzunehmen. Die stromabwärtige SCR-Vorrichtung ist stromabwärts der OC-Vorrichtung angeordnet. Die stromabwärtige SCR-Vorrichtung weist eine stromabwärtige SCR-Aktivierungstemperatur auf Grundlage eines stromabwärtigen SCR-Temperaturprofils auf. Die stromabwärtige SCR-Aktivierungstemperatur gibt an, dass die stromabwärtige SCR-Vorrichtung innerhalb eines festgelegten Bereiches einer jeweiligen Anspringtemperatur der stromabwärtigen SCR-Vorrichtung liegt. Das Steuermodul steht in Kommunikation mit der EHC-Vorrichtung. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zur Bestimmung des stromabwärtigen SCR-Temperaturprofils auf. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zur Aktivierung der EHC-Vorrichtung auf, wenn das stromabwärtige SCR-Temperaturprofil oberhalb der stromabwärtigen SCR-Aktivierungstemperatur liegt.
- 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.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- 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”), wie in1 gezeigt ist, zeigt. - BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. 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.
- Mit Bezug nun auf
1 ist eine beispielhafte Ausführungsform auf ein Abgasbehandlungssystem10 für die Reduzierung regulierter Abgasbestandteile eines Verbrennungs-(IC)-Motors12 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 Abgasleitungen14 und eine oder mehrere Abgasbehandlungsvorrichtungen auf. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, weisen die Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems eine erste Oxidationskatalysatorvorrichtung (”OC”)18 , eine erste Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”)20 , eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung (”EHC”)22 , eine zweite Oxidationskatalysatorvorrichtung24 , eine zweite SCR-Vorrichtung26 und eine Partikelfiltervorrichtung (”PF”)28 auf. Wie angemerkt sei, kann das Abgasbehandlungssystem der vorliegenden Offenbarung verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren der in1 gezeigten Abgasbehandlungsvorrichtungen und/oder andere Abgasbehandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) aufweisen und ist nicht auf das vorliegende Beispiel beschränkt. - In
1 transportiert die Abgasleitung14 , die mehrere Segmente umfassen kann, Abgas15 von dem Verbrennungsmotor12 an die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems10 . Die erste OC-Vorrichtung18 ist stromaufwärts der ersten SCR-Vorrichtung20 angeordnet. Die erste OC-Vorrichtung18 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 Abgasleitung14 gepackt sein kann. Das Substrat kann eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung aufweisen. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle enthalten, wie Platin (”Pt”), Palladium (”Pd”) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus. Die OC-Vorrichtung18 ist bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nicht flüchtiger HC und CO verwendbar, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden. - Die erste SCR-Vorrichtung
20 kann stromabwärts der OC-Vorrichtung18 angeordnet sein. Auf eine Weise ähnlich der OC-Vorrichtung18 kann die erste SCR-Vorrichtung20 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 Abgasleitung14 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 Abgas15 in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak (”NH3”) umzuwandeln. - Ein Ammoniakreduktionsmittel
36 kann von einer Reduktionsmittelversorgungsquelle (nicht gezeigt) geliefert werden und kann in die Abgasleitung14 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung20 unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung46 oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Lieferung des Reduktionsmittels an das Abgas15 eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel36 kann in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Harnstofflösung vorliegen und kann mit Luft in der Einspritzeinrichtung46 gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprühnebels zu unterstützen. Ein Mischer oder Turbulator48 kann ebenfalls in der Abgasleitung14 in enger Nähe zu der Einspritzeinrichtung46 angeordnet sein, um eine vollständige Mischung des Reduktionsmittels36 mit dem Abgas15 weiter zu unterstützen. - Eine HC- oder Kraftstoffeinspritzeinrichtung
40 kann stromaufwärts der EHC-Vorrichtung22 in Fluidkommunikation mit dem Abgas15 in der Abgasleitung14 angeordnet sein. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung40 steht in Fluidkommunikation mit einer HC-Versorgung (nicht gezeigt) und ist derart konfiguriert, nicht verbrannte HC25 in den Abgasstrom zur Lieferung an die EHC-Vorrichtung22 einzuführen. Ein Mischer oder Turbulator44 kann ebenfalls in der Abgasleitung14 in enger Nähe zu der HC-Einspritzeinrichtung40 angeordnet sein, um eine vollständige Mischung der HC25 mit dem Abgas15 weiter zu unterstützen, um ein Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch zu erzeugen. Das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch wird an die EHC-Vorrichtung22 geliefert. - Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, ist die EHC-Vorrichtung
22 stromabwärts sowohl der OC-Vorrichtung18 als auch der ersten SCR-Vorrichtung20 angeordnet. Die EHC-Vorrichtung22 weist einen Monolith32 und eine elektrische Heizung34 auf, wobei die elektrische Heizung34 selektiv aktiviert wird und den Monolith32 heizt. Die elektrische Heizung34 ist mit einer elektrischen Quelle (nicht gezeigt) verbunden, die Leistung daran liefert. Bei einer Ausführungsform arbeitet die elektrische Heizung32 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-Vorrichtung22 kann aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut sein, das elektrisch leitend ist, wie einem gewickelten oder gestapelten Metallmonolith28 . - Eine Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt) kann auf den Monolith
32 der EHC-Vorrichtung22 als ein Washcoat aufgetragen werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Oxidationskatalysatorverbindung Palladium (”Pd”), Kupfer (”Cu”) oder eine andere Oxidationskatalysatorverbindung sein, die zur Oxidation des Reduktionsmittels36 von der Einspritzeinrichtung46 bei relativ höheren Temperaturen im Vergleich zu einigen anderen Typen von Oxidationskatalysatorverbindungen tendiert. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform die Oxidationskatalysatorverbindung als ein Washcoat aufgetragen werden und enthält eine palladiumbasierte Oxidationskatalysatorverbindung. Einige Typen von palladiumbasierten Oxidierungsverbindungen tendieren zu einer Oxidation des Reduktionsmittels36 bei Temperaturen von größer als etwa 250°C. Bei einer anderen Ausführungsform tendieren, wenn ein kupferbasierter Oxidationskatalysator verwendet wird, einige Typen von kupferbasierten Oxidationskatalysatorverbindungen zur Oxidation des Reduktionsmittels36 bei Temperaturen, die größer als etwa 400°C sind. - Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, ist die zweite OC-Vorrichtung
24 stromabwärts der EHC-Vorrichtung22 angeordnet. Die zweite OC-Vorrichtung24 kann beispielsweise ein Durchström-Metall- oder Keramikmonolithsubstrat aufweisen, das in eine Schale oder einen Kanister aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung14 gepackt sein kann. Das Substrat kann eine darauf aufgetragene Oxidationskatalysatorverbindung aufweisen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Oxidationskatalysatorverbindung auch Palladium, Kupfer oder ein anderer Typ von Oxidationskatalysator sein, der allgemein das Reduktionsmittel36 von der Einspritzeinrichtung46 bei relativ höheren Temperaturen oxidiert, ähnlich der Oxidationskatalysatorverbindung, die auf die EHC-Vorrichtung22 aufgetragen wird. - Sowohl die EHC-Vorrichtung
22 als auch die zweite OC-Vorrichtung24 besitzen einen NOx-Adsorberkatalysator, der darauf als ein Washcoat aufgetragen ist. Der NOx-Adsorberkatalysator ist zur selektiven Adsorption von NOx unterhalb einer Schwellentemperatur und zum wesentlichen Freisetzen von NOx oberhalb der Schwellentemperatur konfiguriert. Genauer speichert der NOx-Adsorberkatalysator NOx bei relativ niedrigeren Temperaturen und ist zum Freisetzen von NOx konfiguriert, wenn die Temperatur des Abgases15 zunimmt. Bei einer Ausführungsform liegt die Schwellentemperatur, bei der der NOx-Adsorberkatalysator das NOx im Wesentlichen freisetzt, zwischen etwa 150°C bis etwa 300°C, wobei jedoch zu verstehen sei, dass genauso andere Temperaturbereiche verwendet werden können. Bei einer Ausführungsform kann der NOx-Adsorberkatalysator Bariumzeolit oder Ceroxid sein. - Der NOx-Adsorberkatalysator ist zur Adsorption von NOx nach einem Kaltstart des Motors
12 konfiguriert. Bei einer Ausführungsform wird, falls der NOx-Adsorberkatalysator ein passiver NOx-Adsorber (”PNA”) ist, dann, sobald das Abgas15 die Schwellentemperatur erreicht, NOx von dem PNA desorbiert und zurück in das Abgas15 freigegeben. Das durch den PNA freigegebene NOx verläuft stromabwärts und wird an der zweiten SCR-Vorrichtung26 reduziert. Die zweite SCR-Vorrichtung26 ist stromabwärts der zweiten OC-Vorrichtung24 angeordnet. Die zweite SCR-Vorrichtung26 ist zum Umwandeln des desorbierten NOx von dem PNA in dem Abgas15 in der Anwesenheit des Reduktionsmittels36 vorgesehen. - Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist der NOx-Adsorberkatalysator ein Mager-NOx-Fänger (”LNT”), der eine NOx-Speicherungs- oder -Adsorberbeschichtung in Kombination mit einem Dreiwegekatalysator aufweist. Während fetter Betriebsbedingungen wird das Abgas
15 eingestellt, um dem LNT ein an Sauerstoff reduziertes Gemisch (d. h. unterstöchiometrisch) bereitzustellen. Beispielsweise wird bei einer Ausführungsform die Kraftstoffeinspritzeinrichtung40 selektiv aktiviert, um die Kohlenwasserstoffe25 in den Abgasstrom zur Lieferung an den LNT einzuführen. Alternativ dazu können die Betriebsparameter des Motors12 modifiziert werden, um die Kohlenwasserstoffniveaus in dem Abgas15 zu steuern. Genauer werden der Motorzündzeitpünkt und die Rate/Frequenz der Kraftstofflieferung eingestellt, um überschüssigen nicht verbrannten Kraftstoff in die Abgasleitung14 zur Mischung mit dem Abgas15 zu liefern. Der Dreiwegekatalysator des LNT reduziert dann das NOx in Stickstoff (”N2”). - Die PF-Vorrichtung
28 kann stromabwärts der zweiten SCR26 angeordnet sein. Die PF-Vorrichtung28 dient dazu, das Abgas15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die PF-Vorrichtung28 unter Verwendung eines keramischen Wandströmungsmonolithfilters23 aufgebaut sein, der in eine Schale oder einen Kanister gepackt sein kann, die/der beispielsweise aus rostfreiem Stahl aufgebaut ist und die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung14 besitzt. Der keramische Wandströmungsmonolithfilter23 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. Abgas15 , das in den Filter23 durch die Einlassenden der Einlassdurchgänge eintritt, wird durch benachbarte, sich längs erstreckende Wände zu den Auslassdurchgängen getrieben. Durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel werden an den sich längs erstreckenden Wanden der Einlassdurchgänge abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung der Erhöhung des Abgasgegendrucks, dem der Verbrennungsmotor12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der keramische Wandströmungsmonolithfilter lediglich beispielhafter Natur ist und dass die PF-Vorrichtung28 andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Die Zunahme des Abgasgegendrucks, der durch die Ansammlung von Partikelmaterial in dem Monolithfilter23 bewirkt wird, erfordert typischerweise, dass die PF-Vorrichtung28 periodisch gereinigt oder regeneriert wird. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (> 600°C). - Ein Steuermodul
50 ist funktional mit dem Motor12 und dem Abgasbehandlungssystem10 verbunden und überwacht diese durch eine Anzahl von Sensoren. Das Steuermodul50 ist auch funktional mit der elektrischen Heizung34 der EHC-Vorrichtung22 , dem Motor12 , der Kraftstoffeinspritzeinrichtung40 und der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung46 verbunden.1 zeigt das Steuermodul50 in Kommunikation mit zwei Temperatursensoren52 und54 , die in der Abgasleitung14 angeordnet sind. Der erste Temperatursensor52 ist stromaufwärts der zweiten SCR-Vorrichtung26 vorgesehen, und der zweite Temperatursensor54 ist stromabwärts der zweiten SCR-Vorrichtung26 angeordnet. Die Temperatursensoren52 und54 senden elektrische Signale an das Steuermodul50 , die jeweils die Temperatur in der Abgasleitung14 an spezifischen Stellen angeben. Das Steuermodul50 steht auch in Kommunikation mit zwei NOx-Sensoren60 und62 , die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung14 stehen. Genauer ist der erste NOx-Sensor60 stromaufwärts der zweiten OC-Vorrichtung24 angeordnet, um ein NOx-Konzentrationsniveau zu detektieren. Der zweiten NOx-Sensor62 ist stromabwärts der zweiten OC-Vorrichtung24 angeordnet, um das NOx-Konzentrationsniveau zu detektieren. - Das Steuermodul
50 weist eine Steuerlogik zur Überwachung des ersten Temperatursensors52 , der stromabwärts der zweiten OC-Vorrichtung24 angeordnet ist, und zur Bestimmung der Temperatur der zweiten OC-Vorrichtung24 auf Grundlage des ersten Temperatursensors52 auf. Das Steuermodul50 weist auch eine Steuerlogik zur Überwachung sowohl des ersten Temperatursensors52 als auch des zweiten Temperatursensors54 und zur Berechnung eines Temperaturprofils der zweiten SCR-Vorrichtung26 auf. Genauer werden der erste Temperatursensor52 und der zweite Temperatursensor54 gemeinsam gemittelt, um das Temperaturprofil der zweiten SCR-Vorrichtung26 zu erzeugen. Das Steuermodul50 weist auch eine Steuerlogik zur selektiven Aktivierung oder Deaktivierung der EHC-Vorrichtung22 auf Grundlage des Temperaturprofils der zweiten SCR-Vorrichtung26 auf. Genauer wird, wenn das Temperaturprofil der zweiten SCR-Vorrichtung26 innerhalb eines festgelegten Bereiches einer Anspring- oder minimalen Betriebstemperatur liegt, dann der elektrische Heizer34 aktiviert und heizt die EHC-Vorrichtung22 . Die Temperatur, bei der der elektrische Heizer34 aktiviert wird, wird auch als eine Aktivierungstemperatur der zweiten SCR-Vorrichtung bezeichnet. Die Aktivierungstemperatur ist ein Wert, der in einem Speicher des Steuermoduls50 gespeichert ist. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform der festgelegte Bereich etwa 30–50°C innerhalb der Anspringtemperatur der zweiten SCR-Vorrichtung26 betragen. Der festgelegte Bereich gibt an, dass sich die zweite SCR-Vorrichtung26 der jeweiligen Anspringtemperatur annähert. Sobald die zweite SCR-Vorrichtung26 auf die jeweilige Anspringtemperatur erhitzt ist, reduziert dies allgemein die Menge von NOx in dem Abgas15 effektiv. - Im aktivierten Zustand liefert die EHC-Vorrichtung
22 Wärme an den Monolithen32 der EHC-Vorrichtung22 wie auch die zweite OC-Vorrichtung24 , die ihrerseits den Monolith32 der EHC-Vorrichtung22 und der zweiten OC-Vorrichtung24 auf die Schwellentemperatur erhitzt. Genauer erhitzt die Aktivierung der EHC-Vorrichtung22 den NOx-Adsorberkatalysator auf die Schwellentemperatur, um im Wesentlichen NOx freizusetzen oder zu desorbieren. Bei einer Ausführungsform kann die Kraftstoffeinspritzeinrichtung40 auch mit der EHC-Vorrichtung22 aktiviert sein, um nicht verbrannte HC25 in das Abgas15 freizusetzen. - Das Steuermodul
50 weist eine Steuerlogik zur Bestimmung einer Menge von NOx in dem Abgas15 auf, die an der EHC-Vorrichtung22 und der zweiten OC-Vorrichtung gespeichert ist. Die Menge von NOx in dem Abgas15 , die von dem NOx-Adsorberkatalysator an der EHC-Vorrichtung22 und der zweiten OC-Vorrichtung24 gespeichert oder adsorbiert ist, kann auf Grundlage des Ausgangs des ersten NOx-Sensors60 , des zweiten NOx– Sensors62 und der Temperatur der zweiten OC-Vorrichtung24 berechnet werden. Eine Schwellenmenge von NOx kann an dem Monolith32 der EHC-Vorrichtung22 und der zweiten OC-Vorrichtung24 gespeichert werden, wobei die Schwellenmenge von NOx eine maximale Menge von NOx repräsentiert, für die der NOx-Adsorberkatalysator zum Halten oder Adsorbieren ausgelegt ist. Die Schwellenmenge von NOx ist ein Wert, der in dem Speicher des Steuermoduls50 gespeichert ist. Bei einer Ausführungsform weist, falls die Menge an NOx in dem Abgas15 , die an der EHC-Vorrichtung22 und der zweiten OC-Vorrichtung24 gespeichert ist, über der Schwellenmenge von NOx liegt, und falls die zweite SCR-Vorrichtung26 über der Aktivierungstemperatur liegt, das Steuermodul50 eine Steuerlogik zum Aktivieren der EHC-Vorrichtung22 auf. - Sobald der NOx-Adsorberkatalysator das NOx freisetzt oder desorbiert, wird das NOx in Stickstoff durch die zweite SCR-Vorrichtung
26 in Anwesenheit des Reduktionsmittels36 umgewandelt. Genauer liefert eine Aktivierung des EHC22 auch Wärme an die zweite SCR-Vorrichtung26 . Somit wird die zweite SCR-Vorrichtung26 durch die EHC-Vorrichtung22 erhitzt und befindet sich allgemein bei der jeweiligen Anspringtemperatur, nachdem die EHC-Vorrichtung22 NOx im Wesentlichen freigibt oder desorbiert. Es sei angemerkt, dass bei einer Ausführungsform die Oxidationskatalysatorverbindung, die auf die EHC-Vorrichtung22 und die zweite OC-Vorrichtung24 aufgetragen ist, das Reduktionsmittel36 von der Einspritzeinrichtung46 allgemein bei relativ höheren Temperaturen (d. h. typischerweise bei etwa 250°C bis etwa 400°C) oxidiert. Dies bedeutet, die EHC-Vorrichtung22 und die zweite OC-Vorrichtung24 können das Reduktionsmittel36 bei Temperaturen oxidieren, die relativ höher als die Anspringtemperatur der zweiten SCR-Vorrichtung26 sind (die typischerweise bei etwa 200°C liegt). Somit oxidiert das Reduktionsmittel36 von der Einspritzeinrichtung46 allgemein nicht in der zweiten OC-Vorrichtung24 bei der Anspringtemperatur der zweiten SCR-Vorrichtung26 und gelangt oder schlüpft stattdessen zu der zweiten SCR-Vorrichtung26 . - Eine Aktivierung der EHC-Vorrichtung
22 kann ebenfalls Wärme an die PF-Vorrichtung28 liefern. Die von der EHC-Vorrichtung22 bereitgestellte Wärme unterstützt eine Erwärmung der PF-Vorrichtung28 , wenn eine relativ hohe Temperatur während der Regeneration erforderlich ist. Somit reduziert, da die EHC-Vorrichtung22 Wärme an die PF-Vorrichtung28 liefert, dies die Menge von Kohlenwasserstoffen oder Kraftstoff25 , die in den Abgasstrom15 durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung40 oder den Motor12 eingespritzt werden. Daher kann eine Aktivierung der EHC-Vorrichtung22 auch eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) verbessern. - Nach dem Motorstart befindet sich die SCR-Vorrichtung
20 nicht auf der jeweiligen Anspringtemperatur und führt daher keine effektive Filterung von NOx durch. Stattdessen ist der NOx-Adsorberkatalysator, der auf zumindest eines von dem Monolith32 der EHC-Vorrichtung22 und der zweiten OC-Vorrichtung24 aufgetragen ist, zur Adsorption von NOx nach dem Motorstart konfiguriert. Das Steuermodul50 weist eine Steuerlogik zum selektiven Aktivieren der EHC-Vorrichtung22 auf Grundlage des Temperaturprofils der zweiten SCR-Vorrichtung26 auf. Genauer wird, wenn das Temperaturprofil der zweiten SCR-Vorrichtung26 innerhalb eines festgelegten Bereiches innerhalb der Anspring- oder minimalen Betriebstemperatur (auch als die Aktivierungstemperatur bezeichnet) liegt, dann die elektrische Heizung34 aktiviert, um den Monolith32 der EHC-Vorrichtung22 und der OC-Vorrichtung24 zu erhitzen. Dies setzt seinerseits das von dem NOx-Adsorberkatalysator adsorbierte NOx frei. Die zweite SCR-Vorrichtung26 wird auf die jeweilige Anspringtemperatur durch Aktivierung der EHC-Vorrichtung22 erhitzt. Somit wandelt die erhitzte zweite SCR-Vorrichtung26 das Reduktionsmittel36 um und senkt die Menge von NOx, die von dem NOx-Adsorberkatalysator freigesetzt worden ist, allgemein effektiv oder beseitigt diese im Wesentlichen. Daher verbessert die Kombination der EHC-Vorrichtung22 und des NOx-Adsorberkatalysators einen NOx-Wirkungsgrad nach dem Motorstart im Vergleich zu einem Abgasbehandlungssystem, das keine EHC-Vorrichtung oder keinen NOx-Adsorberkatalysator aufweist. Die EHC-Vorrichtung22 und der NOx-Adsorberkatalysator können genauso auch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors12 verbessern. - Nun ist ein Verfahren zum Betrieb des Abgasbehandlungssystems
10 erläutert. Bezug nehmend auf2 ist ein beispielhaftes Prozessflussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum Betrieb des Abgasbehandlungssystems10 zeigt, allgemein mit Bezugszeichen200 bezeichnet. Der Prozess200 beginnt bei Schritt202 , bei dem ein Steuermodul50 eine Steuerlogik zum Überwachen des Temperaturprofils einer zweiten SCR-Vorrichtung24 aufweist. Genauer weist Bezug nehmend auf1 das Steuermodul50 eine Steuerlogik zum Überwachen eines ersten Temperatursensors52 und eines zweiten Temperatursensors54 und zum Berechnen eines Temperaturprofils der zweiten SCR-Vorrichtung26 auf. Genauer werden der erste Temperatursensor52 und der zweite Temperatursensor54 gemeinsam gemittelt, um das Temperaturprofil der zweiten SCR-Vorrichtung26 zu erzeugen. Der Prozess200 kann dann mit Schritt204 fortfahren. - Bei Schritt
204 weist das Steuermodul50 eine Steuerlogik zum Bestimmen auf, ob die zweite SCR-Vorrichtung24 über oder unter einer Aktivierungstemperatur der zweiten SCR-Vorrichtung24 liegt. In dem Fall, dass die zweite SCR-Vorrichtung24 die Aktivierungstemperatur nicht erreicht hat, kehrt der Prozess200 dann zu Schritt202 zurück. In dem Fall, dass zweite SCR-Vorrichtung24 die Anspringtemperatur erreicht hat, kann der Prozess200 dann mit Schritt206 fortfahren. - Bei Schritt
206 weist das Steuermodul50 eine Steuerlogik zur Aktivierung einer EHC-Vorrichtung22 auf. Genauer weist mit Bezugnahme auf1 die EHC-Vorrichtung22 einen Monolith32 und eine elektrische Heizung34 auf, wobei die elektrische Heizung34 selektiv aktiviert wird, um den Monolith32 zu heizen. Der Prozess200 kann dann mit Schritt208 fortfahren. - Bei Schritt
208 weist das Steuermodul50 eine Steuerlogik zur Aktivierung einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung40 auf. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung40 steht in Fluidkommunikation mit einer HC-Versorgung (nicht gezeigt) und ist derart konfiguriert, nicht verbrannte HC25 in den Abgasstrom zur Lieferung an die EHC-Vorrichtung22 einzuführen. Es sei angemerkt, dass der Schritt208 optional ist und bei einigen Ausführungsformen weggelassen werden kann. Der Prozess200 kann dann mit Schritt210 fortfahren. - Bei Schritt
210 weist das Steuermodul50 eine Steuerlogik zur Überwachung der Temperatur einer zweiten OC-Vorrichtung24 auf. Mit Bezug auf1 weist das Steuermodul50 eine Steuerlogik zur Überwachung des ersten Temperatursensors52 , der stromabwärts der zweiten OC-Vorrichtung24 platziert ist, und zur Bestimmung der Temperatur der zweiten OC-Vorrichtung24 auf Grundlage des ersten Temperatursensors52 auf. Der Prozess200 kann dann mit Schritt212 fortfahren. - Bei Schritt
212 weist das Steuermodul50 eine Steuerlogik zur Bestimmung auf, ob die Temperatur der zweiten OC-Vorrichtung24 bei einer Schwellentemperatur liegt oder diese überschreitet. Die Schwellentemperatur repräsentiert die Temperatur, bei der der NOx-Adsorberkatalysator, der auf die zweite OC-Vorrichtung24 und einen Monolith32 der EHC-Vorrichtung22 aufgetragen ist, das NOx im Wesentlichen freisetzt, das darin adsorbiert ist. Bei einer Ausführungsform liegt die Schwellentemperatur im Bereich von etwa 150°C bis etwa 300°C, wobei jedoch zu verstehen sei, dass genauso gut andere Temperaturbereiche verwendet werden können. Wenn die Schwellentemperatur die Schwellentemperatur nicht überschreitet, kehrt der Prozess200 zu Schritt210 zurück. In dem Fall, dass die Schwellentemperatur bei der Schwellentemperatur liegt oder diese überschreitet, kann der Prozess200 dann mit Schritt214 fortfahren. - Bei Schritt
214 weist das Steuermodul50 eine Steuerlogik zur Deaktivierung der EHC-Vorrichtung22 auf. Der Prozess200 kann dann enden. - Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann zu verstehen, 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, die offenbart sind, beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der Anmeldung fallen.
Claims (10)
- Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend: eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen, wobei das Abgas Stickoxide (”NOx”) enthält; eine stromaufwärtige Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, das Abgas aufzunehmen; eine elektrisch beheizte Katalysator-(”EHC”)-Vorrichtung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, das Abgas aufzunehmen, wobei die EHC-Vorrichtung stromabwärts der stromaufwärtigen SCR-Vorrichtung angeordnet ist und selektiv aktiviert wird, um Wärme zu erzeugen, wobei die EHC-Vorrichtung einen Monolith aufweist; eine Oxidationskatalysator-(”OC”)-Vorrichtung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, wobei die OC-Vorrichtung selektiv durch die EHC-Vorrichtung erhitzt wird, und wobei zumindest eines von dem Monolith der EHC-Vorrichtung und der OC-Vorrichtung einen daran angeordneten NOx-Adsorberkatalysator zur Adsorption von NOx unterhalb einer Schwellentemperatur und zum wesentlichen Freisetzen von NOx oberhalb der Schwellentemperatur aufweist; eine stromabwärtige SCR-Vorrichtung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, das Abgas aufzunehmen, wobei die stromabwärtige SCR-Vorrichtung stromabwärts der OC-Vorrichtung angeordnet ist, wobei die stromabwärtige SCR-Vorrichtung eine stromabwärtige SCR-Aktivierungstemperatur auf Grundlage des stromabwärtigen SCR-Temperaturprofils aufweist, wobei die stromabwärtige SCR-Aktivierungstemperatur angibt, dass die stromabwärtige SCR-Vorrichtung innerhalb eines festgelegten Bereiches einer jeweiligen Anspringtemperatur der stromabwärtigen SCR-Vorrichtung liegt; und ein Steuermodul in Kommunikation mit der EHC-Vorrichtung, umfassend: eine Steuerlogik zum Bestimmen des stromabwärtigen SCR-Temperaturprofils; und eine Steuerlogik zum Aktivieren der EHC-Vorrichtung, falls das stromabwärtige SCR-Temperaturprofil oberhalb der stromabwärtigen SCR-Aktivierungstemperatur liegt.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Kohlenwasserstoffversorgung, die mit der Abgasleitung verbunden ist und damit in Verbindung steht, wobei die Kohlenwasserstoffversorgung zur Lieferung von Kohlenwasserstoff und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches darin selektiv aktiviert wird, wobei das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch an die EHC-Vorrichtung und die OC-Vorrichtung geliefert wird.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 2, wobei das Steuermodul eine Steuerlogik zur Aktivierung der Kohlenwasserstoffversorgung aufweist, falls das stromabwärtige SCR-Temperaturprofil über der stromabwärtigen SCR-Aktivierungstemperatur liegt.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die OC-Vorrichtung und der Monolith der EHC-Vorrichtung zumindest eines von Palladium- und Kupfer-Washcoat besitzen, die jeweils eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung sind.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 4, wobei eine Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und in Signalkommunikation mit dem Steuermodul steht, wobei die Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung stromaufwärts der stromaufwärtigen SCR-Vorrichtung angeordnet ist, wobei die Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung zum Dosieren eines Reduktionsmittels konfiguriert ist.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der NOx-Adsorberkatalysator ein passiver NOx-Adsorber (”PNA”) oder ein Mager-NOx-Fänger (”LNT”) ist.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen ersten Temperatursensor, der stromaufwärts der stromabwärtigen SCR-Vorrichtung angeordnet ist; und einen zweiten Temperatursensor, der stromabwärts der stromabwärtigen SCR-Vorrichtung angeordnet ist.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei das Steuermodul eine Steuerlogik zum Überwachen des ersten Temperatursensors und des zweiten Temperatursensors aufweist.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei das Steuermodul eine Steuerlogik zur Berechnung des stromabwärtigen SCR-Temperaturprofils auf Grundlage von Signalen von dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor aufweist, wobei die Temperaturen des ersten Temperatursensors und des zweiten Temperatursensors gemeinsam gemittelt werden, um das SCR-Temperaturprofil zu erzeugen.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei der erste Temperatursensor dazu verwendet wird, eine OC-Temperatur der OC-Vorrichtung zu berechnen.
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