DE102013203360B4

DE102013203360B4 - Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102013203360B4
Application number: DE102013203360.5A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Gonze; Chang H. Kim; Michael J. Paratore jun.; Steven J. Schmieg
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: US8635862B2; DE102013203360A1; US20130239552A1

Abstract

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), wobei der Verbrennungsmotor (12) zumindest einen Betriebsparameter aufweist, 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“) und Kohlenwasserstoffe enthält, wobei das Abgas (15) eine Abgastemperatur besitzt;eine Oxidationskatalysator-(„OC“)-Vorrichtung (24) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), wobei die OC-Vorrichtung (24) aktiviert wird, um eine Oxidation von Kohlenwasserstoffen in dem Abgas (15) zu bewirken, wobei die OC-Vorrichtung (24) eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung besitzt, die bei einem festgelegten Temperaturbereich selektiv aktiviert wird, um Stickoxid („NO“) bei einem festgelegten Prozentsatz zu Stickstoffdioxid („NO2“) umzuwandeln;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 von der OC-Vorrichtung (24) angeordnet ist, wobei die SCR-Vorrichtung (26) selektiv auf eine SCR-Anspringtemperatur erhitzt wird, und wobei die Gesamttemperatur der SCR-Vorrichtung (26) durch ein SCR-Temperaturprofil repräsentiert ist; undein Steuermodul (50) in Kommunikation mit dem Verbrennungsmotor (12) und dem Abgasbehandlungssystem (10), umfassend:eine Steuerlogik zum Überwachen des SCR-Temperaturprofils;eine Steuerlogik zum Bestimmen, ob sich die SCR-Vorrichtung (26) über der SCR-Anspringtemperatur befindet, auf Grundlage des SCR-Temperaturprofils;eine Steuerlogik zum Überwachen einer OC-Vorrichtungstemperatur der OC-Vorrichtung (24);eine Steuerlogik zum Bestimmen, ob die OC-Vorrichtung (24) bei dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet, auf Grundlage der OC-Vorrichtungstemperatur; undeine Steuerlogik zum Einstellen zumindest eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (12) zum Steuern der Abgastemperatur, so dass die OC-Vorrichtung (24) nicht in dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet, wobei der zumindest eine Parameter des Verbrennungsmotors (12) eingestellt wird, falls sich die SCR-Vorrichtung (26) über der Anspringtemperatur befindet und falls die OC-Vorrichtung (24) bei dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Abgasbehandlungssystem, das die Betriebsparameter eines Verbrennungsmotors zur Steuerung einer Abgastemperatur auf Grundlage dessen einstellt, ob sich eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“) über einer Anspringtemperatur befindet.
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 und das NO_x in dem Abgas werden in einen Zwischenstoff umgewandelt, wie beispielsweise Ammoniumnitrat („NH₄NO₃“), das an der SCR-Vorrichtung gespeichert wird, bis die SCR-Vorrichtung eine Schwellen- oder Anspringtemperatur erreicht. Nach einem Anspringen reduziert das Ammoniak das NO_x zu entweder Stickstoff oder Distickstoffmonoxid („N₂O“) in der Anwesenheit des SCR-Katalysators. Wenn sich der Zwischenstoff zersetzt, zersetzt sich, falls in dem Abgas mehr Stickstoffmonoxid („NO“) als Stickstoffdioxid („NO₂“) vorhanden ist, dann der Zwischenstoff in Stickstoff. Wenn in dem Abgas mehr Stickstoffdioxid als Stickstoffmonoxid vorhanden ist, dann zersetzt sich der Zwischenstoff in Distickstoffmonoxid. Jedoch ist Distickstoffmonoxid ein Treibhausgas.
DE 10 2011 013 183 A1 offenbart ein für Distickstoffmonoxid optimiertes Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, das eine OC-Vorrichtung und eine SCR-Vorrichtung, an welcher oder durch welche eine Bildung von Distickstoffmonoxid und Abgabe von gebildetem Distickstoffmonoxid an das Abgas erfolgen kann, sowie ein Steuermodul aufweist. Das Steuermodul ist ausgelegt, um einen auf einen Betriebszustand des Verbrennungsmotor und/oder einer der OC-/SCR-Vorrichtung einwirkenden und die Bildung von Distickstoffmonoxid beeinflussenden Betriebsparameter zu ermitteln und einzustellen, einen Schätzwert für eine aktuelle Distickstoffmonoxidemission für mit dem Abgas an die Umgebung abgegebenen Distickstoffmonoxid zu ermitteln und den Betriebsparameter so zu ändern, dass eine Distickstoffmonoxidemission resultiert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Vorgehensweise zur Begrenzung der Menge von NO_x bereitzustellen, die von dem SCR-Katalysator in Distickstoffmonoxid reduziert wird.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, das eine Abgasleitung, eine Oxidationskatalysator-(„OC“)-Vorrichtung, eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“) und ein Steuermodul besitzt. Der Verbrennungsmotor weist zumindest einen Betriebsparameter auf. Die Abgasleitung steht in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor und ist derart konfiguriert, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen. Das Abgas enthält Stickoxide („NO_x“) und Kohlenwasserstoffe. Das Abgas weist eine Abgastemperatur auf. Die OC-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und wird aktiviert, um eine Oxidation der Kohlenwasserstoffe in dem Abgas zu bewirken. Die OC-Vorrichtung besitzt eine darauf aufgetragene Oxidationskatalysatorverbindung, die bei einem festgelegten Temperaturbereich selektiv aktiviert wird, um Stickstoffmonoxid („NO“) bei einem festgelegten Prozentsatz zu Stickstoffdioxid („NO₂“) umzuwandeln. Die SCR-Vorrichtung steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und ist derart konfiguriert, um das Abgas aufzunehmen. Die SCR-Vorrichtung ist stromabwärts der OC-Vorrichtung angeordnet. Die SCR-Vorrichtung wird selektiv auf eine SCR-Anspringtemperatur erhitzt. Die Gesamttemperatur der SCR-Vorrichtung ist durch ein SCR-Temperaturprofil repräsentiert. Das Steuermodul steht in Kommunikation mit dem Verbrennungsmotor und dem Abgasbehandlungssystem. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zur Bestimmung des SCR-Temperaturprofils und zur Bestimmung, ob sich die SCR-Vorrichtung über der SCR-Anspringtemperatur befindet, auf Grundlage des SCR-Temperaturprofils auf. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zum Überwachen einer OC-Vorrichtungstemperatur der OC-Vorrichtung auf. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zur Bestimmung, ob die OC-Vorrichtung in dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet, auf Grundlage der OC-Vorrichtungstemperatur auf. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zum Einstellen zumindest eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors zum Steuern der Abgastemperatur auf, so dass die OC-Vorrichtung nicht innerhalb des festgelegten Temperaturbereiches arbeitet. Der zumindest eine Parameter des Verbrennungsmotors wird eingestellt, falls die SCR-Vorrichtung über der Anspringtemperatur liegt und falls die OC-Vorrichtung bei dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet.

1 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Abgasbehandlungssystems;
2 ist ein Schaubild, das mehrere Typen von Oxidationskatalysatorverbindungen für eine in 1 gezeigte OC-Vorrichtung veranschaulicht; und
3 ist ein Prozessflussdiagramm, das ein Verfahren zum Betrieb des in 1 gezeigten Abgasbehandlungssystems veranschaulicht.

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 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, Benzinmotorsysteme 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 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. Die OC-Vorrichtung 24 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“), Perowskit 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.
Eine HC- oder Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 kann stromaufwärts der OC-Vorrichtung 24 in Fluidkommunikation mit dem Abgas 15 in der Abgasleitung 14 angeordnet sein. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 steht in Fluidkommunikation mit einer HC-Versorgung (nicht gezeigt) und ist derart konfiguriert, nicht verbrannte HC 25 in den Abgasstrom zur Lieferung an die OC-Vorrichtung 24 einzuführen. Ein Mischer oder Turbulator 44 kann ebenfalls in der Abgasleitung 14 in enger Nähe zu der HC-Einspritzeinrichtung 40 angeordnet sein, um eine vollständige Mischung des HC 25 mit dem Abgas 15 weiter zu unterstützen, um ein Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch 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, Perowskit 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 angeordnete 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, NO_x-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 anstelle einer Einspritzeinrichtung ein passives Ammoniaksystem 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 in Längsrichtung erstreckenden Wänden der Einlassdurchgänge abgelagert und besitzen mit der Zeit die Wirkung der Erhöhung des Abgasgegendrucks, dem der Motor 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, der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 und der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 verbunden. 1 zeigt das Steuermodul 50 in Kommunikation mit drei Temperatursensoren 52, 54 und 56, 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. Der dritte Temperatursensor 56 ist stromabwärts der OC-Vorrichtung 24 angeordnet. Die Temperatursensoren 52, 54 und 56 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 einem NO_x-Sensor 60, der in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 steht. Genauer ist der NO_x-Sensor 60 stromabwärts des Verbrennungsmotors 12 angeordnet, um ein NO_x-Konzentrationsniveau an dem Ausgang des Motors 12 zu detektieren.
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. Das Steuermodul 50 weist auch eine Steuerlogik zur Bestimmung der Temperatur der OC-Vorrichtung 24 auf Grundlage des dritten Temperatursensors 56 auf.
Das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik zum kontinuierlichen Einstellen der Betriebsparameter des Motors 12, wie beispielsweise des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung und die Kraftstoffmenge, zur Steuerung der Temperatur des Abgases 15 auf. Genauer weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Einstellen der Betriebsparameter des Motors 12 auf Grundlage des Temperaturprofils der SCR-Vorrichtung 26 und der Temperatur der OC-Vorrichtung 24 auf. Nach einem Kaltstart des Motors 12 wird die SCR-Vorrichtung 26 auf eine Anspring- oder Minimalbetriebstemperatur erhitzt, die allgemein die Menge an NO_x in dem Abgas 15 effektiv reduziert. Unmittelbar nachdem die SCR-Vorrichtung 26 die Anspringtemperatur erreicht, weist das Steuermodul 50 dann eine Steuerlogik zum Überwachen der Temperatur der OC-Vorrichtung 24 auf Grundlage des Temperatursensors 56 auf. Das Steuermodul 50 weist ferner eine Steuerlogik zur Bestimmung auf, ob die OC-Vorrichtung innerhalb eines festgelegten Temperaturbereiches arbeitet.
In dem Fall, dass die OC-Vorrichtung 24 in dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet, weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Modifizieren der Betriebsparameter des Motors 12 auf, um die Temperatur der OC-Vorrichtung 24 einzustellen. Wie oben diskutiert ist, kann bei einer Ausführungsform die Oxidationskatalysatorverbindung, die auf sowohl die EHC-Vorrichtung 22 als auch die OC-Vorrichtung 24 aufgetragen ist, Metalle enthalten, wie Pt, Pd oder Perowskit. Diese Typen von Oxidationskatalysatoren wandeln NO zu NO₂ bei oder oberhalb eines festgelegten Prozentsatzes um, wenn die OC-Vorrichtung 24 in dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet. Somit kann das Steuermodul 50 die Temperatur der Abgastemperatur 15 einstellen, so dass die OC-Vorrichtung 24 nicht innerhalb des festgelegten Temperaturbereiches arbeitet. 2 ist ein Schaubild, das eine beispielhafte Ausführungsform einer Umwandlung von NO zu NO₂ in Abhängigkeit der Temperatur für eine OC-Vorrichtung mit einem Perowskit-Washcoat, die mit Bezugszeichen 70 angegeben ist, und eine OC-Vorrichtung mit einem Platin-Washcoat, die mit Bezugszeichen 72 angegeben ist, veranschaulicht.
Der festgelegte Temperaturbereich repräsentiert die Temperaturen, bei denen die OC-Vorrichtung 24 (in 1 gezeigt) NO zu NO₂ bei einem festgelegten Prozentsatz von zumindest etwa fünfzig Prozent umwandelt, der der in 2 gezeigten gestrichelten Linie 74 entspricht. Die gestrichelte Linie 74 entspricht der Umwandlung von NO zu NO₂ bei einem festgelegten Prozentsatz von zumindest etwa fünfzig Prozent oder 0,5, wie in 2 gezeigt ist. Daher zeigt sich eine größere Menge an NO₂ in dem Abgas 15 im Vergleich zu NO, wenn die OC-Vorrichtung 24 in dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet. Beispielsweise wandelt bei der Ausführungsform, wie in 2 gezeigt ist, der Perowskit-Washcoat 70 allgemein NO zu NO₂ bei einem festgelegten Prozentsatz von zumindest etwa fünfzig Prozent bei einem festgelegten Temperaturbereich von etwa 235°C bis etwa 400°C um. Der Platin-Washcoat 72 wandelt allgemein NO zu NO₂ bei einem festgelegten Prozentsatz von zumindest etwa fünfzig Prozent bei einem festgelegten Temperaturbereich von etwa 280°C bis etwa 400°C um.
Nun Bezug nehmend auf die 1 - 2 liegt der Großteil von NO_x, das von dem Motor 12 emittiert wird, in der Form von NO vor, wobei jedoch anzumerken ist, dass NO₂ von der SCR-Vorrichtung 26 vor dem Anspringen leichter adsorbiert wird als NO. Somit wird vor einem Anspringen der SCR-Vorrichtung 26 eine größere Menge von NO₂ in dem Abgas 15 allgemein an die SCR-Vorrichtung 26 im Vergleich zu NO geliefert. Dies bedeutet, das Steuermodul 50 weist eine Steuerlogik zur Steuerung der Temperatur des Abgases 15 auf, bevor die SCR-Vorrichtung 26 die Anspringtemperatur erreicht, so dass die OC-Vorrichtung 24 innerhalb des festgelegten Temperaturbereiches arbeitet. Die Bereitstellung einer größeren Menge von NO₂ vor einem Anspringen der SCR-Vorrichtung 26 kann die Reduzierung von NO_x in dem Abgas 15 unterstützen oder verbessern, sobald die SCR-Vorrichtung 26 auf die Anspringtemperatur erhitzt ist.
Das Reduktionsmittel 36 und das NO_x in dem Abgas werden in einen Zwischenstoff umgewandelt, wie beispielsweise Ammoniumnitrat („NH₄N03“), der in der SCR-Vorrichtung 26 gespeichert wird. Nachdem die SCR-Vorrichtung 26 die Anspringtemperatur erreicht, wird der Zwischenstoff in Stickstoff oder Distickstoffmonoxid („N₂O“) zersetzt. Genauer zersetzt sich, wenn sich der Zwischenstoff zersetzt, falls mehr Stickstoffmonoxid („NO“) in dem Abgas als Stickstoffdioxid („NO₂“) vorhanden ist, dann der Zwischenstoff in Stickstoff. Falls in dem Abgas mehr Stickstoffdioxid als Stickstoffmonoxid vorhanden ist, zersetzt sich dann der Zwischenstoff in Distickstoffmonoxid. Somit weist unmittelbar nach dem Anspringen der SCR-Vorrichtung 26 das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Einstellen der Betriebsparameter des Motors 12 auf, um die Temperatur des Abgases 15 so zu steuern, dass die OC-Vorrichtung 24 nicht innerhalb des festgelegten Temperaturbereiches arbeitet. Beispielsweise Bezug nehmend auf 2 wird, falls der Platin-Washcoat 72 verwendet wird, das Steuermodul 50 die Betriebsparameter des Motors 12 so einstellen, dass die OC-Vorrichtung 24 (in 1 gezeigt) allgemein nicht bei Temperaturen im Bereich von etwa 280°C bis etwa 400°C arbeitet. Dies bedeutet, bei einer Vorgehensweise, die den Platin-Washcoat 72 verwendet, würde das Steuermodul 50 die Betriebsparameter des Motors 12 so einstellen, dass die OC-Vorrichtung 24 bei Temperaturen unterhalb etwa 280°C arbeitet. Alternativ dazu können bei einer anderen Vorgehensweise die Betriebsparameter des Motors 12 so modifiziert werden, dass die OC-Vorrichtung 24 bei Temperaturen über 400°C arbeitet, wobei jedoch der Betrieb des Motors bei weiteren Temperaturen in einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors 12 resultiert.
Zusätzlich zur Modifikation der Betriebsparameter des Motors 12 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum selektiven Aktivieren der EHC-Vorrichtung 22 auf, um die Temperatur des Abgases 15 zu steuern. Die EHC-Vorrichtung 22 wird auf Grundlage des Temperaturprofils der SCR-Vorrichtung 26 wie auch der Temperatur der OC-Vorrichtung 24 aktiviert oder deaktiviert. Bei einer Ausführungsform wird, falls das Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung 26 über der Anspringtemperatur liegt, dann die elektrische Heizung 32 deaktiviert und heizt die EHC-Vorrichtung 22 nicht mehr. Jedoch ist solange, wie das Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung 22 unter der Anspringtemperatur liegt, die elektrische Heizung 32 aktiviert oder bleibt aktiviert, und Wärme wird an die SCR-Vorrichtung 26 geliefert. Ein Deaktivieren der EHC-Vorrichtung 22 trägt zu einer Abnahme der Temperatur der OC-Vorrichtung 24 bei und unterstützt den Betrieb der OC-Vorrichtung 24 unterhalb des festgelegten Temperaturbereiches.
Zusätzlich zum Modifizieren der Betriebsparameter des Motors 12 und zum Aktivieren oder Deaktivieren der EHC-Vorrichtung 22 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum selektiven Aktivieren der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 auf, um das HC 25 genauso in das Abgas 15 einzuführen. Ein Einführen der HC 25 in das Abgas 15 erhöht die Temperatur des Abgases 15. Daher weist bei einer Ausführungsform, falls das Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung 26 über der Anspringtemperatur liegt, dann das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Deaktivieren der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 auf. Ein Deaktivieren der Kraftstoffeinspritzeinrichtung bewirkt seinerseits einen Abfall der OC-Vorrichtung 24 unter den festgelegten Temperaturbereich.
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 auch eine Steuerlogik zur Bestimmung auf, ob die SCR-Vorrichtung 26 einen an der SCR-Vorrichtung 26 gespeicherten Zwischenstoff (z.B. NH₄NO₃) aufweist. Genauer weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Bestimmen der Anwesenheit eines Zwischenstoffs, wenn vorhanden, auf, der an der SCR-Vorrichtung 26 gespeichert ist. Die Anwesenheit des Zwischenstoffs an der SCR-Vorrichtung 26 kann auf der Menge an NO_x in dem Abgas 15 an dem Ausgang des Motors 12 und der Menge von Reduktionsmittel 36 basieren, die durch die Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 in das Abgas 15 freigesetzt worden ist. Das Steuermodul 50 weist auch eine Steuerlogik zum Aktivieren der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 46 in der Abwesenheit von Zwischenstoffen an der SCR-Vorrichtung 26 auf.
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 NO_x in dem Abgas 15 durch Reduzierung oder wesentliche Beseitigung von Kohlenwasserstoffen, die die NO₂-Erzeugung stören.
Nun wird ein Verfahren zum Betrieb des Abgasbehandlungssystems 10 erläutert. Bezug nehmend auf 3 ist ein beispielhaftes Prozessflussschaubild, das einen beispielhaften Prozess zum Betrieb des Abgasbehandlungssystems 10 veranschaulicht, allgemein mit Bezugszeichen 200 gezeigt. Der Prozess 200 beginnt bei Schritt 202, bei dem ein Steuermodul 50 eine Steuerlogik zur Bestimmung der Anwesenheit eines Zwischenstoffs, falls vorhanden, aufweist, der an der SCR-Vorrichtung 26 gespeichert ist. Mit Bezugnahme auf 1 werden ein Reduktionsmittel 36 und das NO_x in dem Abgas in einen Zwischenstoff umgewandelt, wie beispielsweise Ammoniumnitrat („NH₄NO₃“), das an der SCR-Vorrichtung 26 gespeichert ist. In dem Fall, dass sich an der SCR-Vorrichtung 26 kein Zwischenstoff befindet, kann der Prozess 200 enden. In dem Fall, wenn das Steuermodul 50 bestimmt, dass der Zwischenstoff an der SCR-Vorrichtung 26 gespeichert ist, kann der Prozess 200 dann mit Schritt 204 fortfahren.
Bei Schritt 204 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Überwachen des Temperaturprofils der SCR-Vorrichtung 26 auf. Genauer weist Bezug nehmend auf 1 das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Überwachen eines ersten Temperatursensors 52 und eines 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. Der Prozess 200 kann dann mit Schritt 206 fortfahren.
Bei Schritt 206 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Bestimmen auf, ob sich die SCR-Vorrichtung 26 über einer Anspringtemperatur befindet. In dem Fall, dass die SCR-Vorrichtung 26 die Anspringtemperatur nicht erreicht hat, kehrt der Prozess 200 dann zu Schritt 204 zurück. In dem Fall, dass die SCR-Vorrichtung 26 die Anspringtemperatur erreicht hat, kann der Prozess 200 dann mit Schritt 208 fortfahren.
Schritt 208 weist die Steuerlogik zum Bestimmen einer Temperatur einer OC-Vorrichtung 24 auf. Beispielsweise weist bei einer Ausführungsform, wie in 1 gezeigt ist, das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Bestimmen der Temperatur der OC-Vorrichtung 24 auf Grundlage eines dritten Temperatursensors 56 auf. Der Prozess 200 kann dann mit Schritt 210 fortfahren.
Bei Schritt 210 weist das Steuermodul 50 ferner eine Steuerlogik zum Bestimmen auf, ob die OC-Vorrichtung innerhalb eines festgelegten Temperaturbereiches arbeitet. Der festgelegte Temperaturbereich repräsentiert die Temperaturen, bei denen die OC-Vorrichtung 24 (in 1 gezeigt) allgemein NO zu NO₂ bei einem festgelegten Prozentsatz von zumindest etwa fünfzig Prozent umwandelt. In dem Fall, dass die OC-Vorrichtung 24 nicht innerhalb des festgelegten Temperaturbereiches arbeitet, kann der Prozess 200 zu Schritt 208 zurückkehren. In dem Fall, dass die OC-Vorrichtung 24 innerhalb des festgelegten Temperaturbereiches arbeitet, kann der Prozess 200 dann zu Schritt 212 fortfahren.
Bei Schritt 212 weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zum Modifizieren der Betriebsparameter des Motors 12 auf, um die Temperatur der OC-Vorrichtung 24 einzustellen. Dies bedeutet, das Steuermodul 50 stellt die Abgastemperatur 15 ein, so dass die OC-Vorrichtung 24 nicht bei dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet. Zusätzlich zum Modifizieren der Betriebsparameter des Motors 12 kann bei einer beispielhaften Ausführungsform das Steuermodul 50 auch eine Steuerlogik zum selektiven Aktivieren oder Deaktivieren einer EHC-Vorrichtung 22 aufweisen, um die Temperatur des Abgases 15 zu steuern. Zusätzlich zum Modifizieren der Betriebsparameter des Motors 12 und zum Aktivieren oder Deaktivieren der EHC-Vorrichtung 22 kann das Steuermodul 50 auch eine Steuerlogik zum selektiven Aktivieren einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 aufweisen, um genauso HC 25 in das Abgas 15 einzuführen. Der Prozess 200 kann dann enden.

Claims

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), wobei der Verbrennungsmotor (12) zumindest einen Betriebsparameter aufweist, 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_x“) und Kohlenwasserstoffe enthält, wobei das Abgas (15) eine Abgastemperatur besitzt; eine Oxidationskatalysator-(„OC“)-Vorrichtung (24) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), wobei die OC-Vorrichtung (24) aktiviert wird, um eine Oxidation von Kohlenwasserstoffen in dem Abgas (15) zu bewirken, wobei die OC-Vorrichtung (24) eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung besitzt, die bei einem festgelegten Temperaturbereich selektiv aktiviert wird, um Stickoxid („NO“) bei einem festgelegten Prozentsatz zu Stickstoffdioxid („NO₂“) umzuwandeln; 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 von der OC-Vorrichtung (24) angeordnet ist, wobei die SCR-Vorrichtung (26) selektiv auf eine SCR-Anspringtemperatur erhitzt wird, und wobei die Gesamttemperatur der SCR-Vorrichtung (26) durch ein SCR-Temperaturprofil repräsentiert ist; und ein Steuermodul (50) in Kommunikation mit dem Verbrennungsmotor (12) und dem Abgasbehandlungssystem (10), umfassend: eine Steuerlogik zum Überwachen des SCR-Temperaturprofils; eine Steuerlogik zum Bestimmen, ob sich die SCR-Vorrichtung (26) über der SCR-Anspringtemperatur befindet, auf Grundlage des SCR-Temperaturprofils; eine Steuerlogik zum Überwachen einer OC-Vorrichtungstemperatur der OC-Vorrichtung (24); eine Steuerlogik zum Bestimmen, ob die OC-Vorrichtung (24) bei dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet, auf Grundlage der OC-Vorrichtungstemperatur; und eine Steuerlogik zum Einstellen zumindest eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (12) zum Steuern der Abgastemperatur, so dass die OC-Vorrichtung (24) nicht in dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet, wobei der zumindest eine Parameter des Verbrennungsmotors (12) eingestellt wird, falls sich die SCR-Vorrichtung (26) über der Anspringtemperatur befindet und falls die OC-Vorrichtung (24) bei dem festgelegten Temperaturbereich arbeitet.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei der festgelegte Prozentsatz zum Umwandeln von Stickoxid zu Stickstoffdioxid zumindest etwa fünfzig Prozent beträgt.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum Erhöhen der Abgastemperatur über den festgelegten Temperaturbereich aufweist, falls sich die SCR-Vorrichtung (26) über der Anspringtemperatur befindet.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum Verringern der Abgastemperatur unter den festgelegten Temperaturbereich aufweist, falls sich die SCR-Vorrichtung (26) über der Anspringtemperatur befindet.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, ferner mit einer Vorrichtung mit elektrisch beheiztem Katalysator („EHC“) (22) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), die derart konfiguriert ist, das Abgas (15) aufzunehmen, wobei die EHC-Vorrichtung (22) in der OC-Vorrichtung (24) angeordnet ist und selektiv aktiviert wird, um Wärme zu erzeugen und ferner eine Oxidation des Abgases (15) zu bewirken.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei die EHC-Vorrichtung (22) eine daran angeordnete EHC-Oxidationskatalysatorverbindung besitzt, um Stickstoffoxid zu Stickstoffdioxid bei einem festgelegten Prozentsatz bei dem festgelegten Temperaturbereich umzuwandeln, wobei die EHC-Vorrichtung (22) stromabwärts der Vorderseite der OC-Vorrichtung (24) positioniert ist, so dass Kohlenwasserstoffe in dem Abgas (15) die Erzeugung von Stickstoffdioxid durch die EHC-Vorrichtung (22) nicht wesentlich stören.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei das Steuermodul (50) in Kommunikation mit der EHC-Vorrichtung (22) steht und wobei das Steuermodul (50) eine Steuerlogik zum Deaktivieren der EHC-Vorrichtung (22) aufweist, falls sich die SCR-Vorrichtung (26) über der Anspringtemperatur befindet.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei zumindest eines aus der Oxidationskatalysatorverbindung der OC-Vorrichtung (24) und der EHC-Oxidationskatalysatorverbindung der EHC-Vorrichtung (22) eines aus Palladium, Platin und Perowskit ist.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die SCR-Vorrichtung (26) in Kommunikation mit einer Reduktionsmittelquelle steht und Reduktionsmittel von einer Reduktionsmittelquelle aufnimmt und speichert.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 9, ferner mit einem NO_x-Sensor (60), der in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) steht, wobei der NO_x-Sensor (60) stromabwärts des Verbrennungsmotors (12) platziert ist, um ein NO_x-Konzentrationsniveau an einem Ausgang des Motors (12) zu erfassen.