DE102013001619B4 - Systeme und Verfahren zum Steuern einer Reduktionsmittelzufuhr in einen Abgasstrom - Google Patents

Systeme und Verfahren zum Steuern einer Reduktionsmittelzufuhr in einen Abgasstrom Download PDF

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Abstract

Verfahren, umfassend:Betreiben eines Motors 102 mit einem Nachbehandlungssystem 100, wobei das Nachbehandlungssystem 100 eine Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 und eine Zufuhrleitung 120 enthält, die die Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 mit einem einen NOx-Umwandlungskatalysator 104 aufweisenden Abgasströmungsweg 116 des Nachbehandlungssystems 100 verbindet;Ermitteln einer Reduktionsmittelzufuhrrate 226, um ein NOx-Emissionsniveauziel 228 eines Abgases in dem Abgasströmungsweg 116 des Nachbehandlungssystems 100 zu erreichen; undSteuern einer Strömungsdrosseleinrichtung 156 in der Zufuhrleitung 120, um ein gasförmiges Reduktionsmittel 112, welches von der Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 freigesetzt worden ist, mit der Reduktionsmittelzufuhrrate 226 unmittelbar in den Abgasströmungsweg 116 zu liefern, wobei das Steuern der Strömungsdrosseleinrichtung 156 ein Ermitteln einer Stellung der Strömungsdrosseleinrichtung 156 in der Zufuhrleitung 120 beinhaltet, die das gasförmige Reduktionsmittel 112 mit der Reduktionsmittelzufuhrrate 226 eintreten lässt, und Bewegen der Strömungsdrosseleinrichtung 156 in die Stellung mittels eines Aktuators, und wobei das Ermitteln der Stellung der Strömungsdrosseleinrichtung 156 ein Ermitteln einer Temperatur und eines Drucks des gasförmigen Reduktionsmittels 112 in der Zufuhrleitung 120 und eines Drucks des Abgases in dem Abgasströmungsweg 116 beinhaltet.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Das technische Gebiet betrifft allgemein das Steuern von Emissionen in Dieselmotoren und betrifft insbesondere das Steuern einer Zufuhr eines Reduktionsmittelgases unmittelbar in einen Abgasstrom.
  • Hintergrund
  • Derzeit verfügbare Verbrennungsmotoren benötigen in vielen Fällen Nachbehandlungssysteme, um strenge Abgasanforderungen zu erfüllen. In einem Beispiel eines Nachbehandlungssystems sind Feststoffe zur Speicherung von Ammoniak (NH3) als eine Reduktionsmittelquelle in der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) entwickelt worden. Durch Dosieren gasförmigen Ammoniaks, der aus Feststoffspeichermedien desorbiert worden ist, ist das SCR-System dazu in der Lage, bei Temperaturen unterhalb der derzeitigen Grenzen herkömmlicher harnstoffbasierter SCR-Systeme zu arbeiten. Feststoffspeichermediensysteme für NH3 arbeiten darüber hinaus ohne die negativen Aspekte, die mit den Problemen fester, aus Harnstoff stammenden Ablagerungen in den Abgasanlagen einhergehen.
    Jedoch führt der Einsatz eines festen Speichermediums zur Erzeugung von gasförmigern NH3 zu neuen Herausforderungen, die das Zudosieren von gasförmigem NH3 in die Abgasanlage betreffen, um die gewünschten Betriebsergebnisse zu erreichen.
  • Die DE 10 2009 058 300 A1 beschreibt eine Steuervorrichtung für ein Abgasreinigungssystem mit einem SCR-Katalysator und einem Reduktionsmittelspeicher mit einem Abschnitt des Speichers als Heizabschnitt, der das feste Reduktionsmittel durch Nutzung der Abgaswärme erwärmt.
  • Die DE 101 56 714 B4 beschreibt eine Reduktionsmittelzufuhreinrichtung für einen Verbrennungsmotor, wobei ein Reduktionsmittel mit einer berechneten Wunschgeschwindigkeit in das Abgassystem eingeleitet wird.
  • Die DE 10 2009 060 286 A1 beschreibt ein SCR-Katalysatorsystem für Fahrzeuge, wobei das Katalysatorsystem temperaturabhängig Ammoniak in das System gegeben wird umfassend eine Wechselkartusche als Ammoniakspeicher.
  • Zusammenfassung
  • Eine Ausführungsform betrifft eine Vorgehensweise zur unmittelbaren, gesteuerten Zufuhr eines Reduktionsmittelgases, um eine Nox-Verringerung in einer Abgasanlage zu bewirken. Andere Ausführungsformen umfassen spezielle Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur gesteuerten, unmittelbaren Zufuhr eines Reduktionsmittelgases in eine Abgasanlage. Weitere Ausführungsformen, Ausgestaltungen, Ziele, Merkmale, Vorteile, Aspekte und Nutzen werden aus der folgenden Beschreibung und den Figuren ersichtlich.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die vorliegende Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen durch die verschiedenen Ansichten hinweg gleiche Teile bezeichnen und in denen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur unmittelbaren Zufuhr eines Reduktionsmittelgases in eine Abgasanlage ist,
    • 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Steuern einer unmittelbaren Zufuhr eines Reduktionsmittelgases in die Abgasanlage ist,
    • 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ermitteln und Abgeben eines Volumenstroms von Reduktionsmittelgas in die Abgasanlage ist.
  • Beschreibung der erläuternden Ausführungsformen
  • Zum Zwecke eines verbesserten Verständnisses der Grundlagen der Erfindung wird nun Bezug genommen werden auf die in den Figuren wiedergegebenen Ausführungsbeispiele und es werden Fachbegriffe zum Beschreiben derselben verwendet werden. Es versteht sich jedoch, dass dadurch keine Einschränkung des Bereichs der Erfindung beabsichtigt ist, sondern dass Änderungen und weitere Abwandlungen der dargestellten Ausführungsbeispiele und jegliche weiteren Anwendungen der Grundlagen der vorliegend dargestellten Erfindung, die einem Fachmann auf dem die Erfindung betreffenden Gebiet normalerweise einfallen würden, umfasst sind.
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems 100 zur unmittelbaren Zufuhr eines Reduktionsmittelgases in einen Abgasstrom einer Abgasanlage. Unmittelbare Zufuhr bedeutet vorliegend, dass das Reduktionsmittel dem Abgasstrom in einer Form zugegeben wird, die zur Behandlung von NOx-Emissionen geeignet ist, ohne Umwandlung durch ein Reaktionsmittel und ohne eine weitere Zersetzung zu erfordern, um zur wirksamen NOx-Verringerung auf dem Katalysator verwendet werden zu können. Das System 100 enthält einen Verbrennungsmotor 102, der einen Abgasstrom in einen Abgasströmungsweg 116 erzeugt, in dem der Abgasstrom vom Motor 102 zur Abgabe durch ein Auspuffendrohr oder einen anderen geeigneten Auslass wandert. In einer speziellen Ausführungsform ist der Motor 102 ein Dieselmotor. Das vom Motor 102 ausgestoßene Abgas enthält NOx und andere Bestandteile, die mittels eines Abgasnachbehandlungssystems im Abgasströmungsweg 116 verringert werden sollen. Das System 100 ist schematisch wiedergegeben und kann in einem Pkw, einem Lastwagen, einem Bus, einem Schiff, einem Wohnmobil, einer Baumaschine oder einem anderen Fahrzeugtyp enthalten sein. Andere Ausführungsformen enthalten einen Motor, der in Nichtfahrzeuganwendungen wie etwa einem Generatorsatz vorhanden ist.
  • Das System 100 umfasst ein Nachbehandlungssystem mit einem NOx-Umwandlungskatalysator 104 im Abgasströmungsweg 116, der zumindest einen Teil der NOx-Menge aus dem Abgasstrom verringert, und eine Reduktionsmittelquelle 108, die eine Menge eines NOx-Reduktionsmittels 112 wie etwa Ammoniak (NH3) in einem Feststoffspeichermedium speichert. Der NOx-Umwandlungskatalysator 104 kann ein beliebiger von unterschiedlichen im Stand der Technik bekannten Katalysatoren sein. In einigen Ausgestaltungen ist der NOx-Umwandlungskatalysator ein SCR-Katalysator mit einem zeolithbasierten Katalysator, z.B. ein Cu-Zeolith- oder ein Fe-ZeolithKatalysator oder ein Katalysator auf Vanadiumbasis.
  • In einer Ausführungsform kann das Feststoffspeichermedium der Reduktionsmittelquelle 108 jedes Material sein, welches eine Adsorption oder Absorption von molekularem Ammoniak mit sich bringt. In einer speziellen Ausführungsform umfasst das Feststoffspeichermedium Metallamminsalze. Das NOx-Reduktionsmittel, welches in dem in der Reduktionsmittelquelle 108 untergebrachten Feststoffspeichermedium gespeichert ist, kann Ammoniak oder jedes andere Reduktionsmittel sein, welches als speicherbar und aus einem Feststoffspeichermedium als ein Reduktionsmittelgas zur unmittelbaren Zufuhr in den Abgasstrom wahlweise freisetzbar bekannt ist. In noch anderen Ausführungsformen ist die Reduktionsmittelquelle 108 jede Einrichtung, die dazu in der Lage ist, unter Druck stehendes Ammoniakgas zu liefern. Die Reduktionsmittelquelle 108 kann eine oder mehrere Speichereinheiten mit einer oder mehreren Kammern zum Speichern von Ammoniak in einem Feststoffspeichermedium und/oder in gasförmiger Form umfassen.
  • Das System 100 enthält ferner eine Reduktionsmittelzufuhrleitung 120, die aus der Reduktionsmittelquelle 108 in gasförmiger Form freigesetztes Reduktionsmittel 112 empfängt und das NOx-Reduktionsmittelgas an einer Stelle stromaufwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 in den Abgasströmungsweg 116 liefert. Das gasförmige Reduktionsmittel strömt durch eine Dosiereinrichtung 106 in der Reduktionsmittelzufuhrleitung 120 zu einem Einlass 140. Das System 100 enthält ferner einen Drucksensor 118 in Strömungsverbindung mit der Reduktionsmittelzufuhrleitung 120 und einen Temperatursensor 122, der betriebsfähig mit dem Feststoffspeichermedium in der Reduktionsmittelquelle 108 verbunden ist.
  • Die Reduktionsmittelquelle 108 ist betriebsfähig mit zumindest einer Motorkühlmittelversorgungsleitung 142 und einer Motorkühlmittelrückführleitung 144 verbunden. Die Versorgungsleitung 142 stellt eine Wärmequelle dar, die das in der Reduktionsmittelquelle 108 gespeicherte Feststoffspeichermedium aufheizt, um das gespeicherte Reduktionsmittel in gasförmiger Form freizusetzen. Andere Ausführungsformen sehen andere Mittel zum Aufheizen des Feststoffspeichermediums in der Reduktionsmittelquelle 108 vor, einschließlich z.B. ein elektrisches Heizelement, das mit einer Energiequelle wie einer Batterie oder einem Generator verbunden ist. Die Wärmequelle kann in dem Feststoffspeichermedium eingebettet sein oder kann sich um die Außenseite des Feststoffspeichermediums herum erstrecken oder kann eine Kombination dieser Anordnungen sein. Bei einer Ausführungsform setzt ein Erhitzen des Feststoffspeichermaterials gasförmiges NH3 durch thermische Desorption von dem Feststoffspeichermedium in die Zufuhrleitung 120 frei. Alternative Ausführungsformen können gasförmiges NH3 auch durch eine thermische Zersetzung eines Feststoffspeichermediums erzeugen. Die Verbrauchsrate des freigesetzten NH3-Gases wird durch die Dosiereinrichtung 106 gesteuert, indem es am Einlass 140 stromaufwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 in den Abgasströmungsweg 116 eingespritzt wird.
  • Wie in 2 gezeigt, enthält das System 100 auch eine Reduktionsmitteleinführeinrichtung 160 zum Einleiten von Reduktionsmittel aus der Zufuhrleitung 120 in den Abgasströmungsweg 116. Die Reduktionsmitteleinführeinrichtung 160 umfasst einen Aktuator 152, der mit einer Strömungsdrosseleinrichtung 156 in der Zufuhrleitung 120 verbunden ist. Die Strömungsdrosseleinrichtung 156 kann z.B. ein Kolben, ein Ventil oder ein anderes geeignetes Bauteil sein, das durch den Aktuator 152 bewegbar ist, um die Öffnung der durch die Zufuhrleitung 120 festgelegten, inneren Öffnung von einem voll geschlossenen Zustand in einen vollen Durchströmungszustand zu ändern. Der Aktuator 152 kann z.B. ein elektronischer Aktuator mit variabler Stellung, ein hydraulischer Aktuator, ein Elektromagnet, ein Motor oder ein anderer geeigneter Aktuator sein, der mit einem Steuergerät 124 verbunden ist, um Befehle zum Betreiben der Strömungsdrosseleinrichtung 156 zu empfangen. Die Zufuhrleitung 120 enthält ferner eine Blende 154, die in den Abgasströmungsweg 116 mündet und dazu bemessen ist, einen maximal zulässigen Strom von Reduktionsmittelgas aus der Zufuhrleitung 120 in den Abgasströmungsweg 116 eintreten zu lassen, wenn die Strömungsdrosseleinrichtung 156 vollständig geöffnet ist. Am Einlass 140, wo die Zufuhrleitung 120 in den Abgasströmungsweg 116 mündet, kann auch eine Mischeinrichtung 150 vorhanden sein, um eine gute Mischung und Verteilung des Reduktionsmittelgases mit den Abgasen zu erleichtern. Darüber hinaus sind ein Temperatursensor 121 und ein Drucksensor 118 betriebsfähig mit der Zufuhrleitung 120 und einem Steuergerät 124 verbunden, um Temperatur- und Druckbedingungen für das Ammoniakgas in der Zufuhrleitung 120 zu liefern.
  • In einer Ausführungsform kann das Abgasnachbehandlungssystem einen Oxidationskatalysator 126 enthalten, der in Fluidverbindung mit dem Abgasströmungsweg 116 steht und dazu betriebsfähig ist, eine Oxidation einer oder mehrerer Verbindungen in dem durch den Abgasströmungsweg 116 strömenden Abgas zu katalysieren, beispielsweise eine Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe oder eine Oxidation von NO zu NO2. Der Oxidationskatalysator 126 kann irgendeiner von verschiedenen Durchflussoxidationskatalysatoren sein. Allgemein enthält der Oxidationskatalysator 126 ein Substrat mit einer aktiven Katalysatorschicht, die dazu konfiguriert ist, wenigstens einige Partikel (z.B. den löslichen organischen Anteil von Ruß) im Abgas zu oxidieren und unverbrannte Kohlenwasserstoffe und CO im Abgas zu weniger umweltschädlichen Verbindungen zu reduzieren. In manchen Implementationen kann der Oxidationskatalysator 126 zum Beispiel die Kohlenwasserstoff- und CO-Konzentrationen im Abgas genügend herabsetzen, um die erforderlichen Abgasnormen zu erfüllen.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem kann auch einen Dieselpartikelfilter 128 in Fluidverbindung mit dem Abgasströmungsweg 116 umfassen, der dazu betriebsfähig ist, die Partikelmenge im durch den Abgasströmungsweg 116 strömenden Abgas zu verringern. In einer exemplarischen Ausführungsform ist der Dieselpartikelfilter 128 ein katalysierter Rußfilter. Der Dieselpartikelfilter 128 kann ein beliebiger von verschiedenen aus dem Stand der Technik bekannten Partikelfiltern sein, der dazu konfiguriert ist, die Konzentration von Partikeln, z.B. Ruß und Asche, im Abgas zu verringern, um geltende Abgasnormen zu erfüllen. Der Dieselpartikelfilter 128 enthält ein Filtersubstrat, das Ruß und andere vom Motor 102 erzeugte Partikel auffängt. Das System 100 regeneriert den Partikelfilter 128 periodisch, um Partikel zu entfernen, die sich mit der Zeit auf dem Dieselpartikelfilter angesammelt haben. Beispielsweise kann der Dieselpartikelfilter 128 regeneriert werden durch Erhöhen der Temperatur des Abgases über einen Schwellenwert, der einer Verbrennung der Partikel entspricht.
  • In bestimmten Implementationen enthält das System 100 eine Abgasrückführungs(AGR)-Leitung (nicht gezeigt), die dazu angeordnet ist, einem Teil des vom Motor erzeugten Abgases zu erlauben, in den Motor zurückzuströmen, um die Verbrennungseigenschaften des Motors 102 zu ändern. Das Abgasnachbehandlungssystem kann ferner eine Kohlenwasserstoff(HC)-Einspritzdüse (nicht gezeigt) enthalten, die mit HC aus einem HC-Reservoir versorgt wird und an einer Stelle stromaufwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 betriebsfähig mit dem Abgasstrom gekoppelt ist. Andere Ausführungsformen des Systems 100 können einen Motor 102 mit einem Common Rail-Kraftstoffsystem umfassen, welches zum Einspritzen von Nacheinspritzungskraftstoff in der Lage ist, wobei zumindest ein Teil des Nacheinspritzungskraftstoffs nicht verbrennt, um HC in den Abgasstrom zu liefern. Ausführungsformen ohne eine HC-Einspritzdüse sind ebenfalls denkbar.
  • Bestimmte Ausführungsformen können auch einen Ammoniakoxidations-AMOX-Katalysator (nicht gezeigt) an einer Stelle stromabwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 enthalten, der dazu betriebsfähig ist, die Reaktion von NH3 zu katalysieren, welches durch den NOx-Umwandlungskatalysator 104 schlüpft. In manchen Ausführungsformen kann der AMOX-Katalysator nicht vorhanden sein oder der AMOX-Katalysator kann mit dem NOx-Umwandlungskatalysator 104 (oder dem letzten NOx-Katalysator, wenn mehrere Katalysatoren vorhanden sind) zusammengebaut sein, z.B. mit einer zum hinteren Teil des letzten Katalysators hin aufgebrachten Sonderbeschichtung (washcoat), die dazu reaktionsfähig ist, Ammoniak wenigstens teilweise zu oxidieren.
  • Das System 100 kann ferner wenigstens einen NOx-Sensor 110 aufweisen, der an einer Stelle stromabwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 betriebsfähig mit dem Abgasströmungsweg 116 verbunden ist. Ein NOx-Sensor 111 kann darüber hinaus betriebsfähig mit dem Abgasströmungsweg 116 an einer Position des oder nahe des Einlasses des NOx-Umwandlungskatalysators 104 verbunden sein. Das System kann zusätzlich oder alternativ einen NOx-Sensor umfassen, der stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 128 und/oder des Dieseloxidationskatalysators 126 angeordnet ist, um die NOx-Motorrohemissionen zu ermitteln. Alternativ können die NOx-Motorrohemissionen modelliert oder aus einem Motorbetriebskennfeld berechnet werden, wie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt.
  • Weitere Temperatursensoren 130, 132 können am NOx-Umwandlungskatalysator 104 beziehungsweise im Abgasströmungsweg 116 stromabwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 vorhanden sein. Ein Drucksensor 134 kann im Abgasströmungsweg 116 stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 128 vorhanden sein und ein zweiter Drucksensor 136 kann im Abgasströmungsweg 116 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 128 vorhanden sein, um eine Rußbelastung des Dieselpartikelfilters 128 abzuschätzen. Ein Massenstromsensor 146 kann im Abgasströmungsweg 116 vorhanden sein, um den Strom des Abgases im Abgasströmungsweg 116 zu messen. Ein Ammoniaksensor 148 kann im Abgasströmungsweg 116 in Bettmitte des NOx-Umwandlungskatalysators 104 vorhanden sein, um einen Ammoniakschlupf zu messen. In einer anderen Ausführungsform ist der Ammoniaksensor 148 stromabwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 vorgesehen.
  • Die dargestellten Sensoren sind lediglich beispielhaft und können anders angeordnet sein, entfernt werden, ersetzt werden, und es können andere Sensoren vorhanden sein, die in den 1 und 2 nicht dargestellt sind. Darüber hinaus können verschiedene der vorliegend speziell beschriebenen Sensoren weggelassen werden und/oder können für verschiedene Aspekte der hier offenbarten Systeme und Vorgehensweisen nicht benötigt werden. Auch können bestimmte Sensoren stattdessen virtuelle Sensoren sein, die aus anderen dem System verfügbaren Parametern berechnet werden, oder Werte, die von Sensoren angegeben würden, können stattdessen über eine Daten- oder Netzwerkverbindung einem computerlesbaren Speicherort zugeführt werden oder können dem System auf andere Weise zugänglich gemacht werden, wenn der den gemessenen Parameter liefernde Sensor kein Teil des festgelegten Systems ist.
  • Das System enthält ferner ein Steuergerät 124 zum Ausführen bestimmter Operationen zum Ermitteln und Steuern eines Mengenstroms gasförmigen Reduktionsmittels in den Abgasströmungsweg 116 zur NOx-Verringerung. Das Steuergerät 124 umfasst Module, die dazu aufgebaut sind, Operationen funktionell auszuführen, um einen Reduktionsmittelaktuatorbefehl für einen Aktuator 152 zum Einstellen des Strömungsdrosselbauteils 156 zu bestimmen, um eine gewünschte Reduktionsmittelgaszufuhrrate in das vom Abgasströmungsweg 116 getragene Abgas vorzusehen. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Steuergerät 124 ein NOx-Umwandlungsmodul 202, ein Reduktionsmittelzufuhrratenmodul 204 und ein Aktuatorsteuerungsermittlungsmodul 206. Genauere Beschreibungen der Betriebsweisen des Steuergeräts 124 sind für exemplarische Ausführungsformen in dem auf 3 Bezug nehmenden Abschnitt enthalten.
  • Das System 100 enthält eine Reduktionsmitteleinleitungseinrichtung 160, die das unter Druck stehende, gasförmige Reduktionsmittel mit einer festgelegten Zufuhrrate in den Abgasstrom einleitet, um ein angepeiltes NOx-Emissionsniveau zu erzielen. In bestimmten Ausführungsformen enthält das Reduktionsmittel unter Druck stehendes Ammoniakgas, obwohl jede als ein unter Druck gesetztes Gas zugeführte NOx-Reduktionschemikalie denkbar ist. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das System 100 ferner eine Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108, die Reduktionsmittel während Abschnitten oder während des gesamten Motorbetriebs speichert und unter Druck stehendes Ammoniakgas zur unmittelbaren Einleitung in den Abgasstrom freisetzt. Die hierin beschriebenen Systeme sorgen für die gesteuerte Freisetzung des Ammoniakgases, um eine angepeilte Verringerung des aus dem Motor 102 kommenden NOx zu erreichen, was die Verwendung eines kleineren NOx-Katalysators erlaubt, da eine katalytische Ammoniakspeicherung nicht erforderlich ist oder gegenüber der in Harnstoff basierten Systemen erforderlichen verringert ist. Darüber hinaus kann der Motor 102 für längere Zeitspannen mit höheren Temperaturen laufen und das Steuerschema ist verglichen mit harnstoffbasierten Systemen aufgrund der unmittelbaren Zufuhr des Reduktionsmittelgases in den Abgasstrom vereinfacht.
  • In bestimmten Ausführungsformen bildet das Steuergerät 124 einen Teil eines Verarbeitungsteilsystems mit einem oder mehreren Recheneinrichtungen, die einen Speicher sowie Verarbeitungs- und Kommunikationshardware aufweisen. Das Steuergerät 124 kann ein einzelnes Gerät oder eine verteilte Einrichtung sein und die Funktionen des Steuergeräts können durch Hardware oder Software ausgeführt werden. Das Steuergerät 124 kann in Verbindung mit jedem Sensor, Aktuator, jeder Datenverbindung und/oder jedem Netzwerk in dem System stehen.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Steuergerät 124 eines oder mehrere Module, die dazu aufgebaut sind, die Operationen des Steuergeräts 124 funktionell auszuführen. In bestimmten Ausführungsformen enthält das Steuergerät 124 ein NOx-Umwandlungsmodul, ein Reduktionsmittelzufuhrratenmodul und ein Aktuatorsteuerungsmodul. Die vorliegende Beschreibung mit Modulen betont die strukturelle Unabhängigkeit der Aspekte des Steuergeräts und illustriert eine Gruppierung von Operationen und Zuständigkeiten des Steuergeräts. Andere Gruppierungen, die ähnliche Gesamtoperationen ausführen, liegen im Bereich der vorliegenden Anmeldung. Module können als Hardware und/oder Software auf einem computerlesbaren Medium implementiert sein, und Module können über verschiedene Hardware- oder Softwarebestandteile hinweg verteilt sein. Genauere Beschreibungen bestimmter Ausführungsformen von Steuergerätoperationen sind in dem auf 3 Bezug nehmenden Abschnitt enthalten.
  • In bestimmten Ausführungsformen enthält das System 100 ferner ein Steuergerät 124, das dazu aufgebaut ist, bestimmte Operationen zum Steuern von NOx-Nachbehandlungssystemen auszuführen. Das Steuergerät wertet eine NOx-Umwandlungskatalysatorraumgeschwindigkeit, eine NOx-Umwandlungskatalysator-temperatur und eine NOx-Motorausgangsmenge mittels eines NOx-Sensors am Einlass 140 aus oder ermittelt aus Motorleistungsparametern. In Antwort auf die NOx-Umwandlungskatalysatorraumgeschwindigkeit, die NOx-Umwandlungskatalysator-temperatur und die NOx-Motorausgangsmenge ermittelt das Steuergerät ein Feedforward-NOx-Verringerungsziel, um ein angepeiltes NOx-Emissionsniveau zu erreichen. Das Steuergerät wertet eine momentane stromabwärtige NOx-Menge aus und passt das Feedforward-NOx-Verringerungsziel an. Das Steuergerät liefert ferner einen Reduktionsmittelzufuhrratenbefehl in Reaktion auf das Feedforward-NOx-Verringerungsziel. Der Reduktionsmittelaktuator spricht auf den Reduktionsmittelzufuhrratenbefehl an, um Reduktionsmittelgas mit einer Zufuhrrate in den Abgasströmungsweg zu liefern, mit der das Feedforward-NOx-Verringerungsziel erreicht wird.
  • In einer anderen Ausführungsform wertet das Steuergerät einen NH3-Schlupf in der Bettmitte und einen NOx-Ausgang stromabwärts des NOx-Umwandlungskatalysators aus. In Reaktion auf den NH3-Schlupf in Bettmitte und einen stromabwärtigen NOx-Ausgang bestimmt das Steuergerät ein NOx-Verringerungsziel am Auslass, um ein angepeiltes NOx-Emissionsniveau zu erreichen. Das Steuergerät liefert ferner einen Reduktionsmittelzufuhrratenbefehl in Antwort auf das NOx-Verringerungsziel. Der Reduktionsmittelaktuator reagiert auf den Reduktionsmittelzufuhrratenbefehl, um Reduktionsmittelgas mit einer Zufuhrrate in den Abgasströmungsweg zu liefern, mit der das NOx-Verringerungsziel am Auslass erreicht wird.
  • 3 ist eine schematische Darstellung eines Verarbeitungsteilsystems 200 mit einem Steuergerät 124. In bestimmten Ausführungsformen enthält das Steuergerät 124 ein NOx-Umwandlungsmodul 202, welches Eingänge von z.B. einer NOx-Eingangsmenge 208, Katalysatorparametern 210, einer NH3-Schlupfmenge 212 in Bettmitte und einer NOx-Menge 214 am Auslass erhält. Das NOx-Umwandlungsmodul 202 ist dazu betriebsfähig, mindestens ein Feedforward-NOx-Verringerungsziel 216 oder ein NOx-Verringerungsziel 218 am Auslass basierend auf beispielsweise verschiedenen Motor- und Nachbehandlungsbetriebsparametern zu ermitteln.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfassen die vom NOx-Umwandlungsmodul 202 verwendeten Betriebsparameter einen stromaufwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 angeordneten NOx-Sensor 111, der die NOx-Eingangsmenge 208 liefert. In anderen Ausführungsformen kann die NOx-Eingangsmenge 208 durch eine NOx-Motorrohemissionsausgangsmenge geliefert werden. Die NOx-Motorrohemissions-ausgangsmenge ist eine Beschreibung der vom Motor erzeugten NOx-Menge. Die NOx-Motorrohemissionsausgangsmenge kann durch einen Sensor, ein Modell der NOx-Erzeugung des Motors, ein Kennfeld des NOx-Ausgangs des Motors in Übereinstimmung mit spezifizierten Betriebsbedingungen und/oder durch jede andere im Fachgebiet bekannte Methode ermittelt werden.
  • In manchen Ausführungsformen umfassen die vom NOx-Umwandlungsmodul 202 verwendeten Parameter ferner Katalysatorparameter 210, welche eine Temperatur im System 100 einschließen können, die beschreibend ist für oder in Beziehung gesetzt werden kann mit einer Temperatur des NOx-Umwandlungskatalysators 104. Als Beispiele für Katalysatortemperaturen des NOx-Umwandlungskatalysators 104 sind z.B. denkbar eine Katalysatorbetttemperatur eines SCR-Katalysatorbauteils, eine Einlasstemperatur des SCR-Katalysatorbauteils, eine Temperatur in Bettmitte des SCR-Katalysatorbauteils und/oder eine Temperatur an der SCR-Katalysatoroberfläche. Die NOx-Umwandlungskatalysatortemperatur kann eine oder mehrere Temperaturen als ein Mittelwert oder gewichteter Mittelwert enthalten und kann bestimmt werden aus einem oder mehreren Sensoren und/oder einem oder mehreren Modellen oder Abschätzungen. Die Katalysatorparameter 210 können auch die NOx-Umwandlungs-katalysatorraumgeschwindigkeit und andere auf dem Fachgebiet bekannte Parameter umfassen.
  • Das Steuergerät 124 ist dazu betriebsfähig, dass das NOx-Umwandlungsmodul 202 eine geschlossene Regelkreisprozedur ausführt, die eine Operation zum Bestimmen eines Feedforward-NOx-Verringerungsziels 216 zum Erreichen eines gewünschten NOx-Emissionsziels 228 umfasst. Das Feedforward-NOx-Verringerungsziel 216 kann durch jegliche auf dem Fachgebiet bekannte Kriterien ermittelt werden. Eine exemplarische Operation zum Bestimmen des Feedforward-NOx-Verringerungsziels 216 umfasst ein Bestimmen eines NOx-Umwandlungsbeitrags des NOx-Umwandlungskatalysators, der sich aus der NOx-Motorrohemissionsausgangsmenge und dem NOx-Um-wandlungsbeitrag ergibt. Die erwarteten oder auslegungsgemäßen Beiträge des NOx-Umwandlungskatalysatorbauteils sind einem Fachmann auf dem Gebiet, der über ein bestimmtes System nachdenkt, bekannt und können von den Emissionsanforderungen an das System, der Größe und Katalysatorbeladung des NOx-Umwandlungskatalysators, den momentanen Temperaturen des NOx-Umwandlungskatalysators und/oder anderen auf dem Fachgebiet bekannten Kriterien abhängen.
  • In einer anderen Ausführungsform ist das Steuergerät 124 dazu betreibbar, das NOx-Umwandlungsmodul 202 eine offene Regelkreisprozedur ausführen zu lassen, welche eine Operation zum Ermitteln eines NOx-Verringerungsziels 218 am Auslass enthält. Das NOx-Verringerungsziel 218 kann mit jeglichen auf dem Fachgebiet bekannten Kriterien ermittelt werden. In einer Ausführungsform wertet das NOx-Umwandlungsmodul 202 eine NH3-Schlupfmenge 202 in Bettmitte vom Ammoniaksensor 148 und eine NOx-Menge 214 am Auslass vom NOx-Sensor 110 stromabwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 aus. In Reaktion auf den NH3-Schlupf in Bettmitte und den NOx-Ausgang am Auslass bestimmt das NOx-Umwandlungsmodul 202 das NOx-Verringerungsziel 218 derart, dass ein gewünschtes NOx-Emissionsziel 228 erreicht wird.
  • Das Steuergerät 124 umfasst ein Reduktionsmittelzufuhrratenmodul 204, das Eingänge von z.B. Reduktionsmittelzufuhrparametern 220 und Abgasparametern 222 erhält. Das Reduktionsmittelzufuhrratenmodul 204 ist dazu betriebsfähig, eine Zufuhrrate 226 für Reduktionsmittel aus der Zufuhrleitung 120 in den Abgasströmungsweg 116 zu bestimmen, um ein Feedforward-NOx-Verringerungsziel 216 und/oder ein NOx-Verringerungsziel 218 am Auslass zu erreichen, um ein NOx-Emissionsziel 228 zu erfüllen.
  • Das Steuergerät 124 enthält ein Aktuatorsteuerungsermittlungsmodul 206, das einen Aktuatorbefehl für den Aktuator 152 festlegt, um die Strömungsdrosseleinrichtung 156 in der Zufuhrleitung 120 so einzustellen, dass die vom Modul 204 ermittelte Reduktionsmittelzufuhrrate 226 erreicht wird. Das Aktuatorsteuerungsermittlungsmodul 206 empfängt Eingänge von z.B. Reduktionsmittelzufuhrparametern 220 und Abgasparametern 222 zusammen mit der Reduktionsmittelzufuhrrate 226. Die Reduktionsmittelzufuhrparameter 220 umfassen die Temperatur des Reduktionsmittelgases in der Zufuhrleitung 120 gemessen durch z.B. den Temperatursensor 121 und den Druck des Reduktionsmittelgases in der Zufuhrleitung 120 gemessen durch z.B. den Drucksensor 118. Die Abgasparameter 222 umfassen z.B. einen Druck des Abgases im Abgasströmungsweg 116 bestimmt durch einen Drucksensor 134 und eine Abgasmengenstromrate im Abgasströmungsweg 116 bestimmt durch den Massenstromsensor 146 oder virtuell aus anderen Betriebsbedingungen.
  • Basierend auf diesen Parametern und Eingängen bestimmt das Aktuatorsteuerungsermittlungsmodul 206 einen Reduktionsmittelaktuatorbefehl 224, so dass der Aktuator 152 die Strömungsdrosseleinrichtung 156 in eine Position stellt, mit der die angepeilte Zufuhrrate an Reduktionsmittel aus der Zufuhrleitung 120 durch die Blende 154 in den Abgasweg 116 erreicht wird. Die Operation des Lieferns des Reduktionsmittelaktuatorbefehls 224 kann aus einer unmittelbaren, vom Steuergerät 124 vorgenommenen Berechnung stammen, um eine Stellung der Strömungsdrosseleinrichtung 156 zu ermitteln, mit der die Reduktionsmittelzufuhrrate entsprechend dem Druck und der Temperatur des Reduktionsmittelgases in der Zufuhrleitung 120 und dem Druck des Abgases im Abgasströmungsweg 116 erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Stellung der Strömungsdrosseleinrichtung 156 vom Steuergerät 124 ermittelt werden unter Bezugnahme auf eine Nachschlagetabelle oder ein Betriebskennfeld, die bzw. das Reduktionsmittelaktuatorbefehle 224 für verschiedene Temperaturen und Drücke des Reduktionsmittelgases in der Zufuhrleitung 120 und verschiedene Abgasdrücke im Abgasströmungsweg 116 bereitstellt.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Operation des Lieferns des Reduktionsmittelaktuatorbefehls 224 ein Auswählen eines hohen Zufuhrratenwertes oder eines niedrigen Zufuhrratenwertes abhängig von einer Ermittlung, dass das Feedforward-NOx-Verringerungsziel 216 und/oder das NOx-Verringerungsziel 218 am Ausgang ansteigen oder abfallen soll. In bestimmten Ausführungsformen wählt das Steuergerät einen kontinuierlichen oder semikontinuierlichen variablen Reduktionsmittelaktuatorbefehl als einen Ausgang der Steueroperation aus. Jegliche andere Operation zum Ermitteln eines Reduktionsmittelaktuatorbefehls, um die Reduktionsmittelzufuhrrate zu liefern, mit der ein Feedforward-NOx-Verringerungsziel 216 und/oder ein NOx-Verringerungsziel 218 am Ausgang erreicht wird, ist denkbar. In Fällen, in denen eine physikalische Reaktion nicht zur Verfügung steht, beispielsweise beim Systemstart, wenn noch kein momentaner NOx-Messwert verfügbar ist, kann ein Vorgabewert oder Anfangswert für die Reduktionsmittelzufuhrrate und/oder den Reduktionsmittelaktuatorbefehl verwendet werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt.
  • Obwohl die Erfindung in den Figuren und der vorstehenden Beschreibung genau dargestellt und beschrieben worden ist, ist selbige als erläuternd und nicht einschränkend anzusehen, und es versteht sich, dass nur bestimmte exemplarische Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind und dass alle Änderungen und Abwandlungen, die im Geiste der Erfindungen liegen, geschützt sein sollen. Es sollte klar sein, dass obschon die Verwendung von Worten wie bevorzugt, vorzugsweise, vorteilhaft oder vorteilhafter in der obigen Beschreibung angeben, dass das so bezeichnete Merkmal wünschenswerter sein kann, es dennoch nicht notwendig sein muss und Ausführungsformen ohne dieses Merkmal als im Schutzbereich der Erfindung liegend angesehen werden, wobei der Schutzbereich durch die folgenden Ansprüche definiert ist. Beim Lesen der Ansprüche ist, wenn Wörter wie „ein“, „eine“, „mindestens ein“ oder „mindestens ein Abschnitt“ verwendet werden, nicht beabsichtigt, den Anspruch auf nur ein Element zu begrenzen, sofern dies im Anspruch nicht ausdrücklich anders angegeben ist. Wenn die Wendung „mindestens ein Abschnitt“ und/oder „ein Abschnitt“ verwendet wird, kann der Gegenstand einen Teil und/oder den gesamten Gegenstand umfassen, sofern dies nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

Claims (16)

  1. Verfahren, umfassend: Betreiben eines Motors 102 mit einem Nachbehandlungssystem 100, wobei das Nachbehandlungssystem 100 eine Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 und eine Zufuhrleitung 120 enthält, die die Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 mit einem einen NOx-Umwandlungskatalysator 104 aufweisenden Abgasströmungsweg 116 des Nachbehandlungssystems 100 verbindet; Ermitteln einer Reduktionsmittelzufuhrrate 226, um ein NOx-Emissionsniveauziel 228 eines Abgases in dem Abgasströmungsweg 116 des Nachbehandlungssystems 100 zu erreichen; und Steuern einer Strömungsdrosseleinrichtung 156 in der Zufuhrleitung 120, um ein gasförmiges Reduktionsmittel 112, welches von der Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 freigesetzt worden ist, mit der Reduktionsmittelzufuhrrate 226 unmittelbar in den Abgasströmungsweg 116 zu liefern, wobei das Steuern der Strömungsdrosseleinrichtung 156 ein Ermitteln einer Stellung der Strömungsdrosseleinrichtung 156 in der Zufuhrleitung 120 beinhaltet, die das gasförmige Reduktionsmittel 112 mit der Reduktionsmittelzufuhrrate 226 eintreten lässt, und Bewegen der Strömungsdrosseleinrichtung 156 in die Stellung mittels eines Aktuators, und wobei das Ermitteln der Stellung der Strömungsdrosseleinrichtung 156 ein Ermitteln einer Temperatur und eines Drucks des gasförmigen Reduktionsmittels 112 in der Zufuhrleitung 120 und eines Drucks des Abgases in dem Abgasströmungsweg 116 beinhaltet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das gasförmige Reduktionsmittel 112 Ammoniak umfasst und bei dem die Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 eine Ammoniakspeichereinrichtung umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 ein Feststoffspeichermedium zum Speichern des Ammoniaks aufweist und das Feststoffspeichermedium den Ammoniak in gasförmiger Form freisetzt, wenn das Feststoffspeichermedium erhitzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Ermitteln eines Feedforward-NOx-Verringerungsziels 216 zum Erreichen des NOx-Emissionsniveauziels 228 basierend auf einer Temperatur des NOx-Umwandlungskatalysators 104 des Nachbehandlungssystems 100 und einer NOx-Menge an einem Einlass des NOx-Umwandlungskatalysators 104.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Ermitteln eines NOx-Verringerungsziels 218 zum Erreichen des NOx-Emissionsniveauziels 228 basierend auf einer Ammoniakmenge in Bettmitte des NOx-Umwandlungskatalysators 104 des Nachbehandlungssystems 100 und einer NOx-Menge stromabwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ermitteln der Stellung eine Bezugnahme auf eine Nachschlagetabelle von Strömungsdrosseleinrichtungsstellungen beinhaltet, um eine Reduktionsmittelzufuhrrate basierend auf der Temperatur und dem Druck des gasförmigen Reduktionsmittels in der Zufuhrleitung und dem Druck des Abgases in dem Abgasströmungsweg zu erreichen.
  7. System 100, mit: einem Verbrennungsmotor 102, der einen Abgasstrom mit einer Menge an NOx in einen Abgasströmungsweg 116 liefert, einer Reduktionsmitteleinleitungseinrichtung 160, die mit einer Reduktionsmittelzufuhr und dem Abgasströmungsweg 116 verbunden ist, wobei die Reduktionsmitteleinleitungseinrichtung 160 dazu aufgebaut ist, ein unter Druck stehendes Reduktionsmittelgas 112 unmittelbar in den Abgasstrom einzuleiten, einem NOx-Umwandlungskatalysator 104, der den Abgasstrom stromabwärts der Einleitung des Reduktionsmittelgases 112 in den Abgasstrom empfängt, einem Steuergerät 124, welches dazu aufgebaut ist, um: eine NOx-Verringerungsmenge zum Erreichen eines NOx-Emissionsniveauziels 228 für den Abgasstrom zu ermitteln, eine Reduktionsmittelzufuhrrate 226 aus der NOx-Verringerungsmenge zu ermitteln, um das NOx-Emissionsziel zu erreichen, und die Reduktionsmitteleinleitungseinrichtung 160 zu steuern, um das Reduktionsmittelgas 112 mit der Reduktionsmittelzufuhrrate 226 unmittelbar in den Abgasstrom einzuleiten, und wobei das Steuergerät 124 ein Aktuatorsteuerungsermittlungsmodul 206 zum Bestimmen einer Stellung eines Strömungsdrosselbauteils 156 der Reduktionsmitteleinleitungseinrichtung 160 umfasst, um das gasförmige Reduktionsmittel 112 mit der Reduktionsmittelzufuhrrate 226 einzuleiten, wobei das Strömungsdrosselbauteil 156 in einer Zufuhrleitung 120 angeordnet ist, die die Reduktionsmittelzufuhr mit dem Abgasströmungsweg 116 verbindet, und das Strömungsdrosselbauteil 156 mittels eines mit dem Steuergerät 124 verbundenen Aktuators 152 in die Position bewegt wird, wobei das Aktuatorsteuerungsermittlungsmodul 206 dazu aufgebaut ist, die Reduktionsmittelzufuhrrate 226 zumindest teilweise aus einer Temperatur und einem Druck des gasförmigen Reduktionsmittels 112 in der Zufuhrleitung 120 und einem Druck des Abgases in dem Abgasströmungsweg 116 zu ermitteln.
  8. System nach Anspruch 7, bei dem das Reduktionsmittelgas Ammoniak ist.
  9. System nach Anspruch 8, ferner aufweisend eine Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 mit einem Feststoffspeichermedium zum Speichern des Ammoniaks in einer nicht gasförmigen Form.
  10. System nach Anspruch 9, bei dem das Feststoffspeichermedium den Ammoniak als unter Druck stehendes Gas in eine Zufuhrleitung 120 freisetzt, wenn das Feststoffspeichermedium erhitzt wird, und bei dem die Zufuhrleitung 120 mit der Reduktionsmittelspeichereinrichtung 108 und der Reduktionsmitteleinleitungseinrichtung 160 verbunden ist.
  11. System nach Anspruch 7, bei dem die Reduktionsmitteleinleitungseinrichtung 160 einen Aktuator und ein mit dem Aktuator 152 verbundenes Strömungsdrosselbauteil 156 aufweist, wobei der Aktuator 152 dazu betriebsfähig ist, das Strömungsdrosselbauteil 156 zu bewegen, um die Reduktionsmittelzufuhrrate zu 226 ändern.
  12. System nach Anspruch 7, bei dem das Steuergerät ein NOx-Umwandlungsmodul 202 enthält, welches dazu aufgebaut ist, die NOx-Verringerungsmenge zu ermitteln.
  13. System nach Anspruch 12, bei dem das NOx-Umwandlungsmodul 202 dazu aufgebaut ist, die NOx-Verringerungsmenge zumindest zum Teil aus einem Feedforward-NOx-Verringerungsziel 216 basierend auf einer Temperatur des NOx-Umwandlungskatalysators 104 und einer NOx-Menge an einem Einlass des NOx-Umwandlungskatalysators 104 zu ermitteln.
  14. System 100 nach Anspruch 12, bei dem das NOx-Umwandlungsmodul 202 dazu aufgebaut ist, die NOx-Verringerungsmenge zumindest zum Teil basierend auf einer Ammoniakmenge in Bettmitte des NOx-Umwandlungskatalysators 104 und einer NOx-Menge stromabwärts des NOx-Umwandlungskatalysators 104 zu ermitteln.
  15. System 100 nach Anspruch 7, bei dem das Aktuatorsteuerungsermittlungsmodul 206 dazu aufgebaut ist, auf eine Nachschlagetabelle mit Strömungsdrosselbauteilstellungen Bezug zu nehmen, um die Reduktionsmittelzufuhrrate 226 basierend auf der Temperatur und dem Druck des gasförmigen Reduktionsmittels in der Zufuhrleitung 120 und dem Druck des Abgases im Abgasströmungsweg 116 zu ermitteln.
  16. System 100 nach Anspruch 7, bei dem der NOx-Umwandlungskatalysator 104 ein SCR-Katalysator ist.
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