DE102013203602A1

DE102013203602A1 - System zum Bestimmen einer Schwefelspeicherung von Nachbehandlungsvorrichtungen

Info

Publication number: DE102013203602A1
Application number: DE102013203602A
Authority: DE
Inventors: Sarah Funk; Rebecca J. Darr; Paul Jasinkiewicz; Amr Radwan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-09-19
Also published as: US8893482B2; CN103321729A; US20130239553A1; CN103321729B

Abstract

Es ist ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor zur Bestimmung einer Gesamtmenge an Schwefel, der an zumindest einer Nachbehandlungsvorrichtung gespeichert ist, vorgesehen. Das Abgasbehandlungssystem weist ein Steuermodul auf, das einen Betrieb des Verbrennungsmotors in Bezug auf eine verbrauchte Kraftstoffmenge und eine von dem Verbrennungsmotor verbrauchte Ölmenge überwacht. Das Steuermodul weist ein Schwefeladsorptionsmodul und ein Gesamtschwefelspeichermodul auf. Das Schwefeladsorptionsmodul bestimmt eine Schwefeladsorptionsrate in zumindest einer Nachbehandlungsvorrichtung. Die Schwefeladsorptionsrate basiert auf der verbrauchten Kraftstoffmenge und der verbrauchten Ölmenge. Das Gesamtschwefelspeichermodul steht in Kommunikation mit dem Schwefeladsorptionsmodul. Das Gesamtschwefelspeichermodul bestimmt die Gesamtmenge an gespeichertem Schwefel auf Grundlage der Schwefeladsorptionsrate.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Abgasbehandlungssystem zur Bestimmung einer Schwefelmenge, die an zumindest einer Nachbehandlungsvorrichtung gespeichert ist.
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 (”NO_x”) wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Partikelmaterial (”PM”) bilden, ist jedoch nicht darauf beschränkt. 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 NO_x-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.
Während eines Betriebs des Motors sind die Komponenten des Nachbehandlungssystems Schwefel aus dem Kraftstoff wie auch dem Motoröl, die von dem Motor verbraucht werden, ausgesetzt. Der Schwefel sammelt sich an einem Katalysator-Washcoat der OC-Vorrichtung wie auch einem Katalysator-Washcoat der SCR-Vorrichtung an. Der Schwefel wird von den Katalysatoren der OC-Vorrichtung und der SCR-Vorrichtung bei relativ hohen Temperaturen (z. B. typischerweise etwa 500°C oder größer) freigesetzt. Genauer kann durch ein Motorsteuermodul ein Entschwefelungszyklus oder -modus ausgelöst werden, sobald die Menge an adsorbiertem Schwefel einen spezifischen Schwellenwert erreicht. Jedoch kann sich der Schwefel dennoch an der OC-Vorrichtung und der SCR-Vorrichtung ansammeln. Mit der Zeit beeinflusst dies, wenn sich der Schwefel ansammelt, die Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators wie auch des OC-Katalysators. Jedoch sei angemerkt, dass diese Leistungsverschlechterung während des Entschwefelungszyklus umgekehrt werden kann, bei dem der Schwefel von der OC-Vorrichtung und der SCR-Vorrichtung freigesetzt wird. Demgemäß ist es erwünscht, eine Vorgehensweise zur Bestimmung der Schwefelmenge bereitzustellen, die an verschiedenen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen gespeichert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor zur Bestimmung einer Gesamtschwefelmenge vorgesehen, die an zumindest einer Nachbehandlungsvorrichtung gespeichert ist. Das Abgasbehandlungssystem weist ein Steuermodul auf, das einen Betrieb des Verbrennungsmotors in Bezug auf eine verbrauchte Kraftstoffmenge und eine von dem Verbrennungsmotor verbrauchte Ölmenge überwacht. Das Steuermodul weist ein Schwefeladsorptionsmodul und ein Gesamtschwefelspeichermodul auf. Das Schwefeladsorptionsmodul bestimmt eine Rate der Schwefeladsorption in der zumindest einen Nachbehandlungsvorrichtung. Die Rate der Schwefeladsorption basiert auf der verbrauchten Kraftstoffmenge und der verbrauchten Ölmenge. Das Gesamtschwefelspeichermodul steht in Kommunikation mit dem Schwefeladsorptionsmodul. Das Gesamtschwefelspeichermodul bestimmt die Gesamtschwefelmenge auf Grundlage der Schwefeladsorptions rate.
Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Schwefeldesorptionsmodul enthalten, das eine Schwefeldesorptionsrate durch die zumindest eine Nachbehandlungsvorrichtung berechnet. Das Gesamtschwefelspeichermodul bestimmt die Gesamtschwefelmenge, die gespeichert ist, auf Grundlage der Schwefeladsorptionsrate oder der Schwefeldesorptionsrate.
Die obigen Merkmale und Vorteile und andere 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 werden in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen nur beispielhaft offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Abgasbehandlungssystems ist;
2 ein Datenflussdiagramm eines in 1 gezeigten Steuermoduls ist;
3 eine beispielhafte Vorgehensweise zur Bestimmung eines Ölverbrauchswerts ist, das in 2 gezeigt ist;
4 eine beispielhafte Vorgehensweise zur Berechnung einer Rate an Schwefeladsorption durch ein Schwefeladsorptionsmodul von 2 ist und
5 eine beispielhafte Vorgehensweise zur Berechnung einer Schwefelrate ist, die von einem Schwefeldesorptionsmodul von 2 freigesetzt wird.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug nun auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform auf ein Abgasbehandlungssystem 10 für einen Verbrennungs-(IC-)Motor 12 gerichtet. Der Motor 12 ist derart konfiguriert, dass Ansaugluft 20 von einem Luftansaugdurchgang 22 aufgenommen wird. Der Ansaugluftdurchgang 22 weist einen Ansaugluftmassenstromsensor 24 zur Bestimmung der Ansaugluftmasse des Motors 12 auf. Bei einer Ausführungsform kann der Ansaugluftmassenstromsensor 24 entweder ein Flügelströmungsmesser oder ein Ansaugluftmassenstromsensor vom Heißdrahttyp sein, wobei jedoch zu verstehen sei, dass genauso andere Typen von Sensoren verwendet werden können. Eine Abgasleitung 14, die mehrere Segmente umfassen kann, transportiert Abgas 15 von dem Verbrennungsmotor 12 an die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10.
Das Abgasbehandlungssystem 10, 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. Bei der beispielhaften Ausführungsform, wie gezeigt ist, weisen die Vorrichtungen für das Abgasbehandlungssystem eine erste Oxidationskatalysatorvorrichtung (”OC”) 30, eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) 32, eine zweite OC-Vorrichtung 34 und eine Partikelfiltervorrichtung (”PF”) 36 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 (z. B. Mager-NO_x-Fänger) aufweisen und ist nicht auf das vorliegende Beispiel beschränkt.
Die erste OC-Vorrichtung 30 und die zweite OC-Vorrichtung 34 können beide 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 ist. 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”), Rhodium (”Rh”) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus. Die OC-Vorrichtungen 30 und 34 sind bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nicht flüchtiger HC und CO verwendbar, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.
Die SCR-Vorrichtung 32 kann stromabwärts der ersten OC-Vorrichtung 30 und stromaufwärts der zweiten OC-Vorrichtung 34 angeordnet sein. Auf eine Weise ähnlich der OC-Vorrichtungen 30 und 34 kann die SCR-Vorrichtung 32 beispielsweise ein Durchström-Keramik- oder -Metall-Monolithsubstrat aufweisen, das in eine Schale oder einen Kanister aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt sein kann. Das Substrat kann eine daran aufgebrachte SCR-Katalysatorzusammensetzung aufweisen. Die SCR-Katalysatorzusammensetzung kann einen Zeolith sowie eine oder mehrere Basismetallkomponenten aufweisen, wie Eisen (”Fe”), Kobalt (”Co”), Kupfer (”Cu”) oder Vanadium (”V”), die effizient dazu dienen können, NOx-Bestandteile in dem Abgas 15 in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak umzuwandeln.
Die PF-Vorrichtung 36 kann stromabwärts der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34 angeordnet sein. Die PF-Vorrichtung 36 dient dazu, das Abgas 15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die PF-Vorrichtung 36 unter Verwendung eines keramischen Wandströmungsmonolithfilters 40 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 Abgasleitung 14 besitzt. Der keramische Wandströmungsmonolithfilter 40 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 40 durch die Einlassenden der Einlassdurchgänge eintritt, wird durch benachbarte, sich längs erstreckende Wände zu den Auslassdurchgängen getrieben. Durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas 15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel werden an den sich längs erstreckenden Wänden der Einlassdurchgänge abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung der Erhöhung des Abgasgegendrucks, dem der Verbrennungsmotor 12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der keramische Wandströmungsmonolithfilter lediglich beispielhafter Natur ist und dass der PF 36 andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Die Zunahme des Abgasgegendrucks, der durch die Ansammlung von Abgasmaterial in dem Monolithfilter 40 bewirkt wird, erfordert typischerweise, dass die PF-Vorrichtung 36 periodisch gereinigt oder regeneriert wird. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (> 600°).
Ein Steuermodul 50 ist funktional mit dem Motor 12 und dem Abgasbehandlungssystem 10 verbunden und überwacht diese durch eine Anzahl von Sensoren. 1 zeigt das Steuermodul 50 in Kommunikation mit dem Motor 12, dem Ansaugluftmassenstromsensor 24, einem ersten und zweiten Temperatursensor 62 und 64 zur Bestimmung des Temperaturprofils der ersten OC-Vorrichtung 30, einem dritten und vierten Temperatursensor 66 und 68 zur Bestimmung des Temperaturprofils der SCR-Vorrichtung 32 und einem fünften und sechsten Temperatursensor 69 und 70 zur Bestimmung des Temperaturprofils der zweiten OC-Vorrichtung 34.
Das Steuermodul 50 bestimmt eine Schwefelmenge, die an zumindest einer Nachbehandlungsvorrichtung (z. B. der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34) seit einem vorhergehenden oder letzten Entschwefelungszyklus gespeichert ist. Der Entschwefelungszyklus kann durch das Steuermodul 50 ausgelöst werden, sobald die Schwefelmenge, die an den Nachbehandlungsvorrichtungen adsorbiert ist, ein Schwellenniveau erreicht. Während des Entschwefelungszyklus werden die erste OC-Vorrichtung 30, die SCR-Vorrichtung 32 und die zweite OC-Vorrichtung 34 erhöhten Temperaturen (allgemein über etwa 500°C) ausgesetzt, um an dem Katalysator gespeicherten Schwefel freizusetzen. Bei der beispielhaften Ausführungsform, wie gezeigt ist, weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zur Bestimmung der Schwefelmenge auf, die an der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34 gespeichert ist. Jedoch sei zu verstehen, dass verschiedene Kombinationen von Nachbehandlungsvorrichtungen (z. B. OC-Vorrichtungen und/oder SCR-Vorrichtungen) genauso abhängig von der Konfiguration des Abgasbehandlungssystems 10 verwendet werden können.
Bei einer Ausführungsform kann das Steuermodul 50 einen kalibrierbaren Schalter (nicht gezeigt) aufweisen, der die Steuerlogik zur Bestimmung des Betrags an Schwefelspeicherung an der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34 aktiviert. Dies bedeutet, der kalibrierbare Schalter kann abhängig von der spezifischen Gestaltung und Konfiguration des Abgasbehandlungssystems 10 wie auch verschiedenen Betriebsparameter des Motors 12 aktiviert oder deaktiviert werden. Beispielsweise kann der kalibrierbare Schalter für das gesamte Abgasbehandlungssystem deaktiviert werden, falls die Nachbehandlungsvorrichtungen (z. B. die OC-Vorrichtungen und die SCR-Vorrichtungen) nahe der PF-Vorrichtung angeordnet sind, so dass die Nachbehandlungsvorrichtungen allgemein den erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden, die während der Regeneration der PF-Vorrichtung erzeugt werden. Dies ist so, da der größte Teil oder im Wesentlichen der gesamte Schwefel, der in allen Nachbehandlungsvorrichtungen (z. B. der OC-Vorrichtung und der SCR-Vorrichtung) gespeichert ist, während der Regeneration des PF-Filters freigesetzt wird. Infolgedessen braucht eine Bestimmung der Menge an Schwefel, die an den Nachbehandlungsvorrichtungen gespeichert ist, möglicherweise nicht notwendig sein.
Bei einer Ausführungsform weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zur Berechnung eines Abgasmassenstromes auf, der sich in der Abgasleitung 14 befindet. Der Abgasmassenstrom basiert auf der Ansaugluftmasse des Motors 12, die durch den Ansaugluftmassen-Luftstromsensor 24 gemessen wird, wie auch einem Kraftstoffmassenstrom des Motors 12. Genauer wird der Abgasmassenstrom durch Addition der Ansaugluftmasse des Motors 12 und dem Kraftstoffmassenstrom des Motors 12 berechnet. Der Kraftstoffmassenstrom wird durch Summieren der Gesamtmenge an Kraftstoff gemessen, die in den Motor 12 über eine gegebene Zeitperiode eingespritzt wird (z. B. seit dem letzten Entschwefelungszyklus). Der Kraftstoffmassenstrom wird zu dem Luftmassendurchfluss addiert, um den Abgasmassenstrom des Motors 12 zu berechnen.
2 ist eine Darstellung eines Datenflussdiagramms, das verschiedene Elemente zeigt, die in das Steuermodul 50 eingebettet sein können. Verschiedene Ausführungsformen des Abgasbehandlungssystems 10 (1) gemäß der vorliegenden Offenbarung können eine beliebige Anzahl von Submodulen aufweisen, die in das Steuermodul 50 eingebettet sind. Wie angemerkt sei, können die in 2 gezeigten Submodule genauso kombiniert oder weiter partitioniert werden. Eingänge in das Steuermodul 50 können von dem Abgasbehandlungssystem 10 erfasst, von anderen Steuermodulen (nicht gezeigt) empfangen oder durch andere Submodule oder Module bestimmt werden. Bei der Ausführungsform, wie in 2 gezeigt ist, weist das Steuermodul 50 einen Speicher 71, ein Schwefeladsorptionsmodul 72, ein Schwefeldesorptionsmodul 74 und ein Gesamtschwefelspeichermodul 76 auf.
Bei einer Ausführungsform speichert der Speicher 71 des Steuermoduls 50 eine Anzahl von Variablen, die dazu verwendet werden, den Betrag an Schwefeladsorption an der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34 (in 1 gezeigt) zu bestimmen. Genauer speichert der Speicher 71 einen Wert 80 einer Schwefelexposition aus Kraftstoff, einen Wert 82 einer Schwefelexposition aus Öl und einen Abfangratenwert 84. Der Wert 80 der Schwefelexposition aus Kraftstoff ist ein kalibrierbarer skalarer Wert, der auf dem Nennwert einer Menge an Schwefel basiert, die allgemein in dem Kraftstoff des Motors 12 zu finden ist. Der Wert 82 der Schwefelexposition aus Öl ist ebenfalls ein kalibrierbarer skalarer Wert, der auf dem Nennwert der Menge an Schwefel basiert, die allgemein in dem Öl des Motors 12 zu finden ist. Der Wert 80 der Schwefelexposition aus Kraftstoff und der Wert 82 der Schwefelexposition aus Öl können von spezifischen Regulierungen abhängen und werden in Einheiten einer Massenkonzentration, wie beispielsweise Milligramm pro Liter, ausgedrückt. Obwohl 2 das Steuermodul 50 mit dem Speicher 71 zeigt, sei zu verstehen, dass der Wert 80 der Schwefelexposition aus Kraftstoff, der Wert 82 der Schwefelexposition aus Öl und der Abfangratenwert 84 genauso aus anderen Steuermodulen erhalten werden können.
Der Abfangratenwert 84 ist ein Wert, der eine Menge an Schwefel repräsentiert, die tatsächlich an die Abgasleitung 14 übertragen wird (in 1 gezeigt). Dies bedeutet, das Nachbehandlungssystem 10 ist einem Anteil des Schwefels ausgesetzt, der in dem Kraftstoff und Öl vorhanden ist, die in dem Motor 12 während des Betriebs verbraucht werden, was den Abfangratenwert 84 darstellt. Bei einer Ausführungsform kann die Abfangrate 84 durch Testen des Katalysator-Washcoats der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34 bestimmt werden (z. B. chemische Analyse des Abgases, das in die erste OC-Vorrichtung 30 und die SCR-Vorrichtung 32 eintritt und diese verlässt).
Das Schwefeladsorptionsmodul 72 bestimmt eine Rate einer Schwefeladsorption 88 der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34 (in 1 gezeigt) während eines Schwefeladsorptionszyklus. Eine Schwefeladsorption erfolgt jedes Mal während des Betriebs des Motors 12, wenn die Nachbehandlungsvorrichtungen keinen Schwefel während des Entschwefelungszyklus freisetzen. Die Rate der Schwefeladsorption kann in Einheiten der Masse/Zeit (z. B. Milligramm/Sekunde) ausgedrückt werden. Das Schwefeladsorptionsmodul 72 empfängt als Eingänge den Wert 80 der Schwefelexposition aus Kraftstoff, den Wert 82 der Schwefelexposition aus Öl und den Abfangratenwert 84 aus dem Speicher 71.
Das Schwefeladsorptionsmodul 72 empfängt auch einen Kraftstoffverbrauchswert 90, einen Ölverbrauchswert 92, einen Abgastemperaturwert 94 sowie einen Wert 95 der adsorbierten Masse. Der Kraftstoffverbrauchswert 90 und der Ölverbrauchswert 92 werden durch Überwachen eines Betriebs des Motors 12 seit dem letzten Entschwefelungszyklus bestimmt. Dies bedeutet, der Kraftstoffverbrauchswert 90 repräsentiert die kumulative Summe von Kraftstoff, der von dem Motor 12 seit dem letzten Entschwefelungszyklus verbraucht wurde. Gleichermaßen repräsentiert der Ölverbrauchswert 92 die kumulative Summe von Öl, das von dem Motor 12 seit dem letzten Entschwefelungszyklus verbraucht wurde. Sowohl der Kraftstoffverbrauchswert 90 als auch der Ölverbrauchswert 92 werden nach jedem Entschwefelungszyklus rückgesetzt.
Bezug nehmend auf 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Bestimmung des Ölverbrauchswerts 92 gezeigt. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, weist das Steuermodul 50 eine Steuerlogik zur Überwachung des Motors 12 (in 1 gezeigt) in Bezug auf eine Motordrehzahl 96 auf. Der Kraftstoffverbrauchswert 90 wird in ein beispielhaftes Motordrehzahl-/Lastkennfeld 100 eingegeben, das zur Bestimmung des Ölverbrauchs besetzt ist. Beispielsweise kann bei einer illustrativen Ausführungsform eine Motordrehzahl von 1200 U/min sowie 30 mg/Zyklus Kraftstoff der Ölverbrauch etwa 5 mg/s betragen. Der Ausgang des Motordrehzahl-/Lastkennfeldes 100 kann über die Zeit integriert werden, um den Ölverbrauchswert 92 zu bestimmen.
Zurück Bezug nehmend auf 2 kann der Abgastemperaturwert 94 die Temperaturprofile von Nachbehandlungsvorrichtungen aufweisen, wie der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34. Genauer senden bei einer Ausführungsform der erste und zweite Temperatursensor 62, 64 (in 1 gezeigt) elektrische Signale an das Steuermodul 50, die das Temperaturprofil der OC-Vorrichtung 30 angeben, der dritte und vierte Temperatursensor 66, 68 (in 1 gezeigt) senden elektrische Signale an das Steuermodul 50, die das Temperaturprofil der SCR-Vorrichtung 32 angeben, und der fünfte und sechste Temperatursensor 69, 70 senden elektrische Signale an das Steuermodul, die das Temperaturprofil der zweiten OC-Vorrichtung 34 angeben. Alternativ dazu kann das Steuermodul 50 bei einer anderen Ausführungsform eine Steuerlogik zur Bestimmung der Temperaturprofile der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34 auf Grundlage von Betriebsparametern des Motors 12 (in 1 gezeigt) aufweisen.
Der Wert 95 der adsorbierten Masse ist ein Wert, der von dem Steuermodul 50 berechnet wird, und repräsentiert die Schwefelmenge, die bereits an der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-vorrichtung 34 (in 1 gezeigt) adsorbiert ist. Der Wert der adsorbierten Masse 95 ist ein zeitintegrierter Wert der Menge an Schwefel, die adsorbiert ist (z. B. beispielsweise ist bei Zeitpunkt = 0 Sekunden allgemein kein Schwefel adsorbiert, jedoch sind bei einem Schwefeleintritt von 10 g/s in den Katalysator zum Zeitpunkt = 1 Sekunde nun 10 g an Schwefel von dem Katalysator adsorbiert). Der Wert 80 der Schwefelexposition aus dem Kraftstoff, der Wert 82 der Schwefelexposition aus Öl, der Abfangratenwert 84, der Kraftstoffverbrauchswert 90, der Ölverbrauchswert 92, der Abgastemperaturwert 94 und der Wert 95 der adsorbierten Masse werden dazu verwendet, die Rate der Schwefeladsorption 88 zu berechnen.
Nun Bezug nehmend auf 4 ist eine beispielhafte Vorgehensweise zur Berechnung der Rate der Schwefeladsorption 88 durch das Schwefeladsorptionsmodul 72 gezeigt. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, werden der Wert 80 der Schwefelexposition aus dem Kraftstoff und der Kraftstoffverbrauchswert 90 an einen Multiplizierer 101 gesendet, um einen Wert 102 zu bestimmen. Der Wert 102 gibt die Schwefelexposition in Bezug auf den verbrauchten Kraftstoff an und kann in Einheiten einer Masse pro Zeit (z. B. Milligramm/Sekunde) ausgedrückt werden. Der Wert 82 der Schwefelexposition aus Öl und der Ölverbrauchswert 92 werden an einen Multiplizierer 104 gesendet, um einen Wert 108 zu bestimmen. Der Wert 108 gibt die Schwefelexposition in Bezug auf das verbrauchte Öl an und kann auch in Einheiten der Masse pro Zeit (z. B. Milligramm/Sekunde) ausgedrückt werden. Der Block 110 addiert die Werte 102 und 108 miteinander, um einen Wert 112 zu bestimmen. Der Wert 112 gibt die Schwefelexposition in Bezug auf sowohl verbrauchten Kraftstoff als auch verbrauchtes Öl an. Der Wert 112 und die Abfangrate 84 (die ein einheitsloser Wert ist) werden beide an einen Multiplizierer 116 gesendet, um einen Wert 118 zu bestimmen. Der Wert 118 gibt die Schwefelmenge, die durch die Nachbehandlungsvorrichtungen (z. B. die erste OC-Vorrichtung 30, die SCR 32 und die zweite OC-Vorrichtung 34, wie in 1 gezeigt) abgefangen ist, in Bezug auf die Menge an Öl und Kraftstoff, die verbraucht werden, an.
Der Abgastemperaturwert 94 und der Wert 95 der adsorbierten Masse werden beide an ein beispielhaftes Adsorptionskoeffizientenkennfeld 120 gesendet. Das Adsorptionskoeffizientenkennfeld 120 gibt einen Koeffizienten der Schwefeladsorption 122 der ersten OC-Vorrichtung 30, der SCR-Vorrichtung 32 und der zweiten OC-Vorrichtung 34 aus und ist ein einheitsloser Wert. Der Koeffizient der Schwefeladsorption 122 und der Wert 118 (der die Menge an Schwefel angibt, die von den Nachbehandlungsvorrichtungen abgefangen wird) werden an einen Multiplizierer 126 gesendet. Das Produkt des Koeffizienten der Schwefeladsorption 122 und des Wertes 118 resultiert in der Schwefeladsorptionsrate 88.
Bei einer Ausführungsform kann die Vorgehensweise, wie in 4 beschrieben ist, durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: dmS_adsorbed = d([S]_Fuel·FuelCons_deSOx + [S]_Oil·OilCons_deSOx)·f_CaptureRate· f(temp, mS_accumulated)_adsorption wobei dmS_adsorbed die Rate der Schwefeladsorption 88 ist, [jS]_Fuel der Wert 80 der Schwefelexposition aus dem Kraftstoff ist, FuelCons_deSOx der Kraftstoffverbrauchswert 90 ist, [S]_Oil der Wert 82 der Schwefelexposition aus Öl ist, OilCons_deSOx der Ölverbrauchswert 92 ist, f_CaptureRate die Abfangratenwert 84 ist und f(temp, mS_accumulated)_adsorption der Koeffizient der Schwefeladsorption 122 ist.
Nun zurück Bezug nehmend auf 2 bestimmt das Schwefeldesorptionsmodul 74 eine Rate der Schwefeldesorption 128 durch Nachbehandlungsvorrichtungen (z. B. die erste OC-Vorrichtung 30, die SCR-Vorrichtung 32 und die zweite OC-Vorrichtung 34), wenn sie erhöhten Temperaturen (allgemein über etwa 500°C) ausgesetzt sind. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, weisen die Eingänge in das Schwefeldesorptionsmodul 74 einen Abgasmassenstrom 130, den Abgastemperaturwert 94 und den Wert 95 der adsorbierten Masse auf. Der Abgasmassenstrom 130 basiert auf der Ansaugluftmasse des Motors 12 (gemessen durch den Ansaugluftmassen-Luftstromsensor 24, der in 1 gezeigt ist) und dem Kraftstoffmassenstrom des Motors 12. Alternativ dazu kann der Eingang 130 in das Schwefeldesorptionsmodul 74 die Abgasraumgeschwindigkeit sein, die in Einheiten einer inversen Zeit (z. B. allgemein 1/Stunde) gemessen wird. Die Abgasraumgeschwindigkeit ist der volumetrische Durchfluss des Abgases 15 geteilt durch das Volumen des Katalysators.
In 5 ist eine beispielhafte Vorgehensweise zur Berechnung der Rate der Schwefeldesorption 128 durch das Schwefeldesorptionsmodul 74 gezeigt. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, werden der Abgastemperaturwert 94 und der Wert 95 der adsorbierten Masse an ein Schwefeldesorptionskennfeld 142 gesendet, um einen Desorptionsratenwert 144 zu bestimmen, der in Einheiten einer Masse pro Zeit (z. B. Milligramm/Sekunde) ausgedrückt wird. Der Abgasmassenstrom 130 wird an eine Massenstromkorrekturfaktortabelle 146 gesendet, um einen Massenstromkorrekturkoeffizienten 148 zu bestimmen, der einheitslos ist. Der Desorptionsratenwert 144 und der Massenstromkorrekturkoeffizient 148 werden an einen Multiplizierer 150 gesendet. Das Produkt des Desorptionsratenwertes 144 und des Massenstromkorrekturwerts 148 ist die Schwefeldesorptionsrate 128.
Bei einer Ausführungsform kann die Vorgehensweise, wie in 4 beschrieben ist, durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: dmS_desorbed = f(temp, mS_accumulated, SV)_desorption, wobei dmS_desorbed die Schwefeldesorptionsrate 128 ist, temp der Abgastemperaturwert 94 ist, mS_accumulated der Wert 95 der adsorbierten Masse ist und f_desorption der Massenstromkorrekturkoeffizient 148 ist.
Zurück Bezug nehmend auf 2 werden die Schwefeladsorptionsrate 88 und die Schwefeldesorptionsrate 128 an das Gesamtschwefelspeichermodul 76 gesendet. Das Gesamtschwefelspeichermodul 76 bestimmt eine Gesamtmenge an Schwefel 160, die an den Nachbehandlungsvorrichtungen gespeichert ist (z. B. die erste OC-Vorrichtung 30, die SCR-Vorrichtung 30 und die zweite OC-Vorrichtung 34, wie in 1 gezeigt ist). Die Gesamtmenge an Schwefel 160 kann unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden: dmS_stored = dmS_adsorbed – dmS_desorbed, wobei dmS_adsorbed die Schwefeladsorptionsrate 88 ist, dmS_desorbed die Schwefeldesorptionsrate 128 ist und dmS_stored die Gesamtmenge an gespeichertem Schwefel 160 ist.
Allgemein Bezug nehmend auf die 1–5 gibt die Gesamtmenge an gespeichertem Schwefel 160 die Gesamtmenge an Schwefel an, die an verschiedenen Nachbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10 in Bezug auf die Schwefelexposition aufgrund des Kraftstoffverbrauchs und Ölverbrauchs des Motors 12 gespeichert ist. Überdies berücksichtigt die Gesamtmenge an gespeichertem Schwefel 160 auch die Schwefeldesorptionsrate 128 durch die Nachbehandlungsvorrichtungen, wenn sie erhöhten Temperaturen (allgemein über 500°C) ausgesetzt sind. Die Fähigkeit zur Berechnung der Gesamtmenge an Schwefel 160, die an den Nachbehandlungsvorrichtungen gespeichert ist, erlaubt geeignete Aktionen, um die Leistungsfähigkeit des Abgasnachbehandlungssystems beizubehalten. Dies kann seinerseits in verbesserten Emissionen und einer gesteigerten Leistungsfähigkeit des Abgasbehandlungssystems 10 resultieren.
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 davon 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

Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, der eine Gesamtmenge an Schwefel bestimmt, die an zumindest einer Nachbehandlungsvorrichtung gespeichert ist, umfassend: ein Steuermodul, das einen Betrieb des Verbrennungsmotors in Bezug auf eine verbrauchte Kraftstoffmenge und eine von dem Verbrennungsmotor verbrauchte Ölmenge überwacht, wobei das Steuermodul umfasst: ein Schwefeladsorptionsmodul, das eine Schwefeladsorptionsrate in der zumindest einen Nachbehandlungsvorrichtung bestimmt, wobei die Schwefeladsorptionsrate auf der verbrauchten Kraftstoffmenge und der verbrauchten Ölmenge basiert; und ein Gesamtschwefelspeichermodul in Kommunikation mit dem Schwefeladsorptionsmodul, wobei das Gesamtschwefelspeichermodul die Gesamtmenge an gespeichertem Schwefel auf Grundlage der Schwefeladsorptionsrate bestimmt.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei ein Wert einer Schwefelexposition aus Kraftstoff und ein Wert einer Schwefelexposition aus Öl in das Schwefeladsorptionsmodul eingegeben werden, und wobei der Wert der Schwefelexposition aus Kraftstoff und der Wert der Schwefelexposition aus Öl dazu verwendet werden, die Schwefeladsorptionsrate zu berechnen.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Schwefeladsorptionsmodul einen Abgastemperaturwert empfängt, der ein Temperaturprofil der zumindest einen Nachbehandlungsvorrichtung repräsentiert, und wobei die Schwefeladsorptionsrate auf dem Abgastemperaturwert basiert.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 3, wobei das Schwefeladsorptionsmodul einen Wert der adsorbierten Masse empfängt, der eine vorhergehende Menge an Schwefel repräsentiert, die bereits von der zumindest einen Nachbehandlungsvorrichtung adsorbiert ist, und wobei die Schwefeladsorptionsrate auf dem Wert der adsorbierten Masse basiert.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 4, wobei das Schwefeladsorptionsmodul einen Abfangratenwert empfängt, der eine abgefangene Schwefelmenge, die an die zumindest eine Nachbehandlungsvorrichtung übertragen ist, aus der verbrauchten Kraftstoffmenge und der verbrauchten Ölmenge repräsentiert, und wobei die Schwefeladsorptionsrate auf dem Abfangratenwert basiert.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 5, wobei die Schwefeladsorptionsrate bestimmt wird durch die folgende Gleichung: dmS_adsorbed = d([S]_Fuel·FuelCons_deSOx + [S]Oil·OilCons_deSOx)·f_CaptureRate·f(temp, mS_accumulated)adsorption wobei dmS_adsorbed die Rate der Schwefeladsorption ist, [S]_Fuel der Wert der Schwefelexposition aus Kraftstoff ist, FuelCons_deSOx die Menge an verbrauchtem Kraftstoff ist, [S]_Oil der Wert der Schwefelexposition aus Öl ist, OilCons_deSOx die Menge an verbrauchtem Öl ist, f_CaptureRate der Abfangratenwert ist und f(temp, mS_accumulated)_adsorption der Koeffizient der Schwefeladsorption ist, der auf dem Abgastemperaturwert temp und dem Wert der adsorbierten Masse mS_accumulated basiert.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, mit einem Schwefeldesorptionsmodul, das eine Schwefeldesorptionsrate durch die zumindest eine Nachbehandlungsvorrichtung berechnet, wobei das Gesamtschwefelspeichermodul die Gesamtmenge an Schwefel, der gespeichert ist, auf Grundlage der Schwefeladsorptionsrate und der Schwefeldesorptionsrate bestimmt.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei die Gesamtmenge an Schwefel, die gespeichert ist, durch die folgende Gleichung bestimmt ist: dmS_stored = dmS_adsorbed – dmS_desorbed, wobei dmS_adsorbed die Schwefeladsorptionsrate ist, dmS_desorbed die Schwefeldesorptionsrate ist und dmS_stored die Gesamtmenge an gespeichertem Schwefel ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei die Schwefeldesorptionsrate durch die zumindest eine Nachbehandlungsvorrichtung auf einem Abgastemperaturwert und einem Wert der adsorbierten Masse basiert, wobei der Abgastemperaturwert ein Temperaturprofil der zumindest einen Nachbehandlungsvorrichtung repräsentiert und der Wert der adsorbierten Masse eine vorhergehende Schwefelmenge repräsentiert, die bereits von der zumindest einen Nachbehandlungsvorrichtung adsorbiert ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei die Schwefeldesorptionsrate durch die zumindest eine Nachbehandlungsvorrichtung auf einem Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors oder einem Abgasraumgeschwindigkeitswert basiert.