DE102017119416A1 - Vorrichtung und verfahren zur bewertung einer angesammelten russmenge in einem waschbeschichteten partikelfilter mit selektiver katalytischer reduktion - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bewertung einer angesammelten russmenge in einem waschbeschichteten partikelfilter mit selektiver katalytischer reduktion Download PDF

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Abstract

Hierin ist ein Verfahren zur Bewertung einer angesammelten Rußmenge in einem waschbeschichteten Partikelfilter mit selektiver katalytischer Reduzierung (SCRF) eines Abgasnachbehandlungssystems vorgesehen und umfasst das Einspritzen von Reduktionsmittel nahe des SCRFs, das Bestimmen eines oder mehrerer Zuordnungswerte, das Berechnen eines Korrekturwertes einer Rußmenge mittels einer Karte, die den einen oder die mehreren Zuordnungswerte korreliert, das Erfassen einer erkennbaren Betriebstemperatur für die Rußverbrennung und das Korrigieren eines geschätzten Wertes der Rußmenge mittels des Korrekturwertes, um einen bewerteten Wert der Rußmenge zu erhalten. Der eine oder die mehreren Zuordnungswerte können einen Mengenwert der Reduktionsmitteleinspritzung, einen NOx-Mengenwert, einen Temperaturwert und einen Massenstromwert eines Abgases beinhalten. Die erkennbare Betriebstemperatur für die Rußverbrennung kann eine Temperatur umfassen, bei der ein ∆P über dem SCRF eine tatsächliche Rußverbrennung unsachgemäß festlegt. Ferner sind Vorrichtungen zur Durchführung der offenbarten Verfahren vorgesehen.

Description

  • EINLEITUNG
  • Während eines Verbrennungszyklus eines Verbrennungsmotors (ICE) werden Luft-/Kraftstoffgemische Zylindern des ICE bereitgestellt. Die Luft-/Kraftstoffgemische werden komprimiert und/oder gezündet und verbrannt, um ein Abtriebsdrehmoment bereitzustellen. Nach der Verbrennung drängen die Kolben des Verbrenungsmotors die Abgase in den Zylindern durch Auslassventilöffnungen in ein Abgassystem. Das Abgas, das von einem Verbrenungsmotors, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide (NOx) und Schwefeloxide (SOX) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Feststoffe (z. B. Ruß) darstellen. Abgasnachbehandlungssysteme werden oftmals eingesetzt, um NOx-Emissionen aus Abgasströmen zu verringern. Abgasbehandlungssysteme können eine oder mehrere Komponenten einsetzen, die für die Durchführung eines Nachbehandlungsverfahrens wie zum Verringern und/oder Entfernen von Schadstoffen aus dem Abgas konfiguriert sind, bevor sie in der Umgebung abgeführt werden.
  • Im Allgemeinen können die Nachbehandlungssysteme einen Oxidationskatalysator, wie etwa einen Dieseloxidationskatalysator zur Oxidation von Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxiden (CO) in Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) beinhalten und einen Dieselpartikelfilter (DPF), der sich im dem DOC nachgeschalten Abgasrohr zum Entfernen von Dieselpartikeln oder Ruß aus dem Abgas befindet. Um die NOx-Emissionen zu reduzieren, beinhalten die meisten Nachbehandlungssysteme ferner eine selektive Reduktionskatalysator(SCR)-Vorrichtung, die sich im dem DPF nachgeschalteten und/oder vorgeschalteten Abgasrohr befindet.
  • Die SCR ist eine katalytische Vorrichtung, bei der die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) zu diatomischem Stickstoff (N2) reduziert werden und Wasser (H2O), das mit Hilfe eines gasförmigen Reduktionsmittels, typischerweise Ammoniak (NH3), im Inneren des Katalysators absorbiert wird. Das Ammoniak wird durch Thermo-Hydrolyse eines Diesel-Auspuff-Fluids (DEF – Diesel Exhaust Fluid), typischerweise Harnstoff (CO(NH2)2), erhalten, der in das Abgasrohr durch eine dedizierte Einspritzdüse, die zwischen dem DPF und der SCR angeordnet ist, eingespritzt wird.
  • In letzter Zeit wurden waschbeschichtete Partikelfilter mit selektiver katalytischer Reduktion (auch als SCRFs bezeichnet) in der Nachbehandlungssystemarchitektur eingeführt. Ein SCRF ist ein SCR-Katalysator, der auf einem porösen DPF beschichtet ist. Während des Betriebs von DPFs und SCRFs kann sich Ruß ansammeln und den Betrieb der Vorrichtung beeinträchtigen. Die Überwachung des angesammelten Rußes in verschiedenen Nachbehandlungsvorrichtungen bleibt eine Herausforderung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform ist ein Verfahren für die Bewertung einer angesammelten Rußmenge in einem waschbeschichteten Partikelfilter mit selektiver katalytischer Reduktion (SCRF) eines Abgasbehandlungssystems vorgesehen. Das Verfahren kann das Einspritzen von Reduktionsmittel nahe des SCRFs über eine Reduktionsmitteleinspritzdüse, das Bestimmen eines oder mehrerer Zuordnungswerte, das Berechnen eines Korrekturwertes einer Rußmenge mittels einer Karte, die den einen oder die mehreren Zuordnungswerte korreliert, das Erfassen einer erkennbaren Betriebstemperatur für die Rußverbrennung und das Korrigieren eines geschätzten Wertes der Rußmenge mittels des Korrekturwertes, um einen bewerteten Wert der Rußmenge zu erhalten, beinhalten. Der eine oder die mehreren Zuordnungswerte können einen Mengenwert einer Reduktionsmitteleinspritzung durch die Reduktionsmitteleinspritzdüse, einen NOx-Mengenwert an einem Einlass des waschbeschichteten Partikelfilters mit selektiver katalytischer Reduktion, einen Temperaturwertes am Einlass des waschbeschichteten Partikelfilters mit selektiver katalytischer Reduktion und einen Massenstromwert eines Abgases beinhalten. Die erkennbare Betriebstemperatur für die Rußverbrennung kann eine Temperatur umfassen, bei der ein ∆P über dem SCRF eine tatsächliche Rußverbrennung unsachgemäß festlegt.
  • Gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung für die Bewertung einer angesammelten Rußmenge in einem waschbeschichteten Partikelfilter mit selektiver katalytischer Reduktion (SCRF) ein Abgasbehandlungssystem mit einem SCRF und einer Reduktionsmitteleinspritzdüse, die so konfiguriert ist, um Reduktionsmittel nahe des SCRFs und einem elektronischen Steuergerät zum Steuern der Reduktionsmitteleinspritzdüse einzuspritzen. Das elektronische Steuergerät kann so konfiguriert sein, um einen oder mehrere Zuordnungswerte zu bestimmen, um einen Korrekturwert einer Rußmenge mittels der einen oder mehreren Karten zu bestimmen, um eine erkennbare Betriebstemperatur für die Rußverbrennung zu erkennen und einen geschätzten Wert der Rußmenge mittels des Korrekturwertes zu korrigieren, um einen bewerteten Wert der Rußmenge zu erhalten. Der eine oder die mehreren Zuordnungswerte können einen Mengenwert einer Reduktionsmitteleinspritzung durch die Reduktionsmitteleinspritzdüse, einen NOx-Mengenwertes an einem Einlass des waschbeschichteten Partikelfilters mit selektiver katalytischer Reduktion, einen Temperaturwertes am Einlass des waschbeschichteten Partikelfilters mit selektiver katalytischer Reduktion und einen Massenstromwert eines Abgases beinhalten. Die erkennbare Betriebstemperatur für die Rußverbrennung kann eine Temperatur umfassen, bei der ein ∆P über dem SCRF eine tatsächliche Rußverbrennung nicht ordnungsgemäß festlegt. Die Vorrichtung kann ferner einen Verbrennungsmotor zum Vorsehen eines Abgasstroms für das Abgasnachbehandlungssystem beinhalten.
  • Das Abgas des oben genannten Verfahrens und der Vorrichtungen kann NOx-Substanzen beinhalten. Die Abgasnachbehandlungssysteme des oben genannten Verfahrens und der Vorrichtungen können zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors (ICE) verwendet werden. Der Verbrennungsmotor kann einen Dieselmotor umfassen. Das Reduktionsmittel kann Harnstoff umfassen. Der Schätzwert der Rußmenge kann unter Verwendung einer Druckdifferenz zwischen dem Einlass und einem Auslass des SCRFs bestimmt werden.
  • Obwohl viele der hierin beschriebenen Ausführungsformen in Bezug auf die ICE-Abgasnachbehandlung mithilfe von SCRFs beschrieben sind, sind die hierin beschriebenen Ausführungsformen im Allgemeinen für die Nachbehandlung von Abgasen aus allen Quellen geeignet, die NOx-Substanzen enthalten.
  • Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Automobilsystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 2 zeigt einen Querschnitt eines Verbrennungsmotors, der zum Automobilsystem von 1 gehört, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Nachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Schätzen einer Rußansammlung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beschreibt; und
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Schätzen einer Rußansammlung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beschreibt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie der Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Beliebige Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
  • Mit Bezug auf die 1 und 2 wird ein Automobilsystem 100 mit einem Verbrennungsmotor (ICE) 110 gezeigt, der einen Motorblock 120 mit mindestens einem Zylinder 125 mit mindestens einem Kolben 140 beinhalten, die gekoppelt sind, um eine Kurbelwelle 145 zu drehen. Ein Zylinderkopf 130 bildet zusammen mit dem Kolben 140 eine Brennkammer 150. Ein Kraftstoff-/Luftgemisch (nicht gezeigt) wird in die Brennkammer 150 eingebracht und entzündet, was im Ergebnis eine wechselseitige Bewegung des Kolbens 140 durch die sich ausdehnenden heißen Abgase verursacht. Der Kraftstoff wird durch mindestens eine Kraftstoffeinspritzdüse 160 und die Luft durch mindestens einen Einlasskanal 210 zur Verfügung gestellt. Der Kraftstoff wird unter Hochdruck aus dem Kraftstoffverteiler 170, der in Fluidverbindung mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 180 zur Druckerhöhung des Kraftstoffs aus einer Kraftstoffquelle 190 verbunden ist, zur Einspritzdüse 160 geleitet. Jeder der Zylinder 125 hat mindestens zwei Ventile 215, die durch eine Nockenwelle 135 betätigt werden, die sich abgestimmt mit der Kurbelwelle 145 dreht. Die Ventile 215 lassen selektiv Luft aus dem Kanal 210 in die Brennkammer 150 und alternativ die Abgase durch den Kanal 220 entweichen. In einigen Beispielen kann ein Nockenwellenversteller 155 selektiv das Timing zwischen der Nockenwelle 135 und der Kurbelwelle 145 variieren.
  • Die Luft kann durch einen Ansaugkrümmer 200 zu dem/den Einlasskanal/-kanälen 210 transportiert werden. Ein Luftansaugkanal 205 kann Umgebungsluft zum Ansaugkrümmer 200 leiten. Bei anderen Ausführungsformen kann eine Drosselklappe 330 vorgesehen sein, um den Luftstrom zum Ansaugkrümmer 200 zu steuern. Bei noch anderen Ausführungsformen können andere Gebläsesysteme vorgesehen sein, wie etwa ein Turbolader 230 mit einem Kompressor 240, der rotierend mit einer Turbine 250 verbunden ist. Die Rotation des Kompressors 240 erhöht Druck und Temperatur der Luft im Ansaugkanal 205 und Ansaugkrümmer 200. Ein Ladeluftkühler 260 im Ansaugkanal 205 kann die Temperatur der Luft verringern. Die Turbine 250 rotiert aufgrund der eingehenden Abgase aus dem Auslasskrümmer 225, der Abgase von den Auslasskanälen 220 durch eine Reihe von Schaufeln der Turbine 250 vor der Expansion leitet. Die Abgase verlassen die Turbine 250 und werden in ein Abgassystem 270 geleitet. Dieses Beispiel zeigt eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT – Variable Geometry Turbine) mit einem VGT-Stellglied 290, das angeordnet ist, um die Flügel zu bewegen, um den Abgasstrom durch die Turbine 250 zu ändern. Bei anderen Ausführungsformen kann der Turbolader 230 eine feste Geometrie sein und/oder einen Abgaskanal beinhalten. Es ist zu bemerken, dass alle Ausführungsformen hierin nicht durch die besonderen Motorcharakteristiken, wie in 1 dargestellt, beschränkt und grundsätzlich für alle Verbrennungsmotoren anwendbar sind.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 270 kann ein Auspuff 275 mit einer oder mehreren Abgasnachbehandlungsvorrichtung(en) 280 beinhalten. Die Nachbehandlungsvorrichtungen können jede mögliche Vorrichtung sein, die so konfiguriert ist, um die Zusammensetzung der Abgase zu ändern. Das Ändern der Abgaszusammensetzung kann beispielsweise das chemische Modifizieren einiger oder aller Abgassubstanzen (z. B. NOx-Substanzen) und das Entfernen von Abgassubstanzen (z. B. Ruß), beinhalten. Das Abgas kann NOx-Substanzen umfassen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NOx“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NOx-Substanzen können NyOx-Substanzen beinhalten, worin y > 0 und x > 0. Nichtbeschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO2, N2O, N2O2, N2O3, N2O4 und N2O5 beinhalten.
  • Zu Beispielen für Nachbehandlungsvorrichtungen 280 gehören ohne Einschränkung katalytische Konverter (Zwei- und Dreiwege), Oxidationskatalysatoren, NOx-Abscheider, Kohlenwasserstoffadsorber, SCR-Systeme, Partikelfilter und/oder waschbeschichtete Partikelfilter mit selektiver katalytischer Reduktion (SCRF). Andere Ausführungsformen können ein Abgasrückführungssystem (AGR) 300 beinhalten, das zwischen dem Auslasskrümmer 225 und dem Ansaugkrümmer 200 gekoppelt ist. Das AGR-System 300 kann eine AGR-Kühlvorrichtung 310 beinhalten, um die Abgastemperaturen im AGR-System 300 zu senken. Ein AGR-Ventil 320 steuert den Abgasstrom im AGR-System 300.
  • Das Automobilsystem 100 kann ferner ein elektronisches Steuergerät (ECU) 450 beinhalten, das mit einem oder mehreren Sensor(en) und/oder Vorrichtungen in Verbindung steht, der/die mit dem Verbrennungsmotor 110 assoziiert ist/sind. Das elektronische Steuergerät 450 kann Eingabesignale von diversen Sensoren empfangen, die so konfiguriert sind, um im Zusammenhang mit verschiedenen physikalischen Parametern bezogen auf den Verbrennungsmotor 110 Signale zu erzeugen. Zu diesen Sensoren gehören ohne Einschränkung ein Luftmassen- und Temperatursensor 340, ein Krümmerdruck- und Temperatursensor 350, ein Verbrennungsdrucksensor 360, Pegelsensoren für Kühlmittel- und Öltemperatur 380, ein Drucksensor im Kraftstoffverteiler 400, ein Nockenwellenpositionssensor 410, ein Kurbelwellenpositionssensor 420, Abgasdruck- und Temperatursensoren 430, ein AGR-Temperatursensor 440 und ein Gaspedalpositionssensor 445. Außerdem kann das elektronische Steuergerät 450 Ausgabesignale für verschiedene Steuergeräte erzeugen, zu deren Aufgabe die Steuerung des Betriebes des Verbrenungsmotors 110 gehört, darunter ohne Einschränkung die Einspritzdüsen 160, der Drosselklappen 330, das AGR-Ventil 320, das VGT-Stellglied 290 und der Nockenwellenversteller 155. In Abgasnachbehandlungssystem 270 kann beispielsweise ein NOxSensor verwendet werden, um einen oder mehrere NOx-Konzentrationswerte im Abgas zu messen. Die gemessenen NOx-Werte können an das elektronische Steuergerät 450 zur Berechnung der Menge des Reduktionsmittels, das in das Abgasrohr eingespritzt wird, gesendet werden, um eine ausreichende NOx-Reduzierung innerhalb des SCR-Abschnitts eines SCRFs zu erreichen.
  • Unter Bezugnahme nun auf das elektronische Steuergerät 450, kann dieses Gerät eine digitale Zentraleinheit (CPU) beinhalten, die mit einem Speichersystem oder Datenträger 460 und einem Schnittstellenbus in Verbindung steht. Die CPU ist dafür ausgelegt, die im Speichersystem als Programm abgelegten Anweisungen durchzuführen und über den Schnittstellenbus Signale zu senden und zu empfangen. Das Speichersystem kann verschiedene Speicherarten beinhalten, darunter optische Speicher, magnetische Speicher, Festkörperspeicher und andere Permanentspeicher. Der Schnittstellenbus kann so konfiguriert sein, um analoge und/oder digitale Signale an die verschiedenen Sensoren und Steuergeräte zu senden, sie von diesen zu empfangen und zu modulieren. Das Programm kann die hierin offenbarten Verfahren verkörpern, was es der CPU ermöglicht, die Schritte solcher Verfahren auszuführen und den Verbrennungsmotor 110 zu steuern. Kommunikation zwischen dem elektronischen Steuergerät 450 und den verschiedenen Sensoren und Geräten wird durch gestrichelte Linien in den 1–3 dargestellt, jedoch werden einige zur besseren Übersicht weggelassen.
  • Das im Speichersystem gespeicherte Programm wird von außen über ein Kabel oder drahtlos übertragen. Außerhalb des Automobilsystems 100 ist es normalerweise als ein Computerprogrammprodukt sichtbar, das in der Technik auch als computerlesbares Medium oder maschinenlesbares Medium bezeichnet wird und als ein Computerprogrammcode zu verstehen ist, der sich auf einem Träger befindet, wobei der Träger transitorischer oder nicht-transitorischer Natur ist, mit der Konsequenz, dass das Computerprogrammprodukt als transitorisch oder nicht-transitorisch betrachtet werden kann.
  • Ein Beispiel für ein transitorisches Computerprogrammprodukt ist ein Signal, z. B. ein elektromagnetisches Signal wie ein optisches Signal, das ein transitorischer Träger für den Computerprogrammcode ist. Das Tragen eines solchen Computerprogrammcodes kann durch Modulieren des Signals durch eine herkömmliche Modulationstechnik, wie etwa QPSK für digitale Daten, erreicht werden, sodass dem transitorischen elektromagnetischen Signal binäre Daten, die den Computerprogrammcode darstellen, eingeprägt werden. Derartige Signale werden z. B. bei der drahtlosen Übertragung von Computerprogrammcode über eine Wi-Fi-Verbindung zu einem Laptop verwendet.
  • Im Falle eines nicht-transitorischen Computerprogrammprodukts ist der Computerprogrammcode in einem materiellen Speichermedium verkörpert. Das Speichermedium ist dann der oben erwähnte nicht-transitorische Träger, sodass der Computerprogrammcode dauerhaft oder nicht dauerhaft abrufbar in oder auf diesem Speichermedium gespeichert wird. Das Speichermedium kann von herkömmlicher Art sein, wie es in der Computertechnologie bekannt ist, wie etwa ein Flash-Speicher, ein Asic, eine CD oder dergleichen.
  • Anstelle eines elektronischen Steuergerätes 450 kann das Automobilsystem 100 einen anderen Prozessortyp aufweisen, um die elektronische Logik, z. B. eine eingebettete Steuerung, einen Bordcomputer oder ein beliebiges Verarbeitungsmodul, vorzusehen, die in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden könnte.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts des Abgasbehandlungssystems 270 für einen Verbrennungsmotor 110. In der in 3 dargestellten Ausführungsform beinhaltet das Abgasnachbehandlungssystem 270 einen SCRF 520. Im Allgemeinen umfasst SCRF 520 einen DPF-Filter, der mit einem selektiven katalytischen Reduktions(SCR)-Element waschbeschichtet ist. Die SCR-Katalysatorzusammensetzung ist im Allgemeinen ein poröses Material mit großer Oberfläche, das effizient arbeiten kann, um NOx-Bestandteile im Abgas bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels umzuwandeln (d. h. zu reduzieren). So kann beispielsweise die Katalysatorzusammensetzung einen oder mehrere Keramik-, Zeolith- und eine oder mehrere Basismetallkomponenten wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (W), Kupfer (Cu) und Kombinationen davon enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann die Keramik als extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit und Petalit enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann der Zeolith ein β-Zeolith, ein Y-Zeolith, ein ZM5-Zeolith oder eine beliebige andere kristalline Zeolithstruktur wie ein Chabazit oder ein USY(ultrastabiler Y-Typ)-Zeolith beinhalten. Geeignete Platingruppenmetalle beinhalten Pt, Pd, Rh, Ru, Os oder Ir oder Kombinationen davon, einschließlich Legierungen davon.
  • Der SCR-Abschnitt im SCRF 520 reduziert die Stickoxide (NOx), die im Abgas in zweiatomigem Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) enthalten sind. Der SCRF 520 ist einer Reduktionsmitteleinspritzdüse 510 zugeordnet, die im Auspuff 275 dem SCRF 520 vorgeschaltet zum Einspritzen von Reduktionsmittel in den Abgasstrom angeordnet ist. Aufgrund von Thermo-Hydrolyse-Reaktionen, die innerhalb des Auspuffs 275 auftreten, wird das Reduktionsmittel in ein gasförmiges Reduktionsmittel, typischerweise Ammoniak (NH3) umgewandelt, das innerhalb des SCR-Abschnitts des SCRFs 520 absorbiert wird, um so die NOx-Reduktionsreaktionen zu fördern.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann das Reduktionsmittel Ammoniak (NH3) wie wasserfreies Ammoniak oder wässrige Ammoniaklösung umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Reduktionsmittel jede Zusammensetzung umfassen, die sich in NH3 in Gegenwart des Abgases zersetzen kann. Das Reduktionsmittel kann beispielsweise von einem stickstoff- und wasserstoffreichem Stoff wie Harnstoff (CO (NH2)2) erzeugt werden. Nicht-Ammoniak-Reduktionsmittel können wie gewünscht als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Reduktionsmittel mit Wasser verdünnt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Reduktionsmittel Dieselabgasfluid (DEF) umfassen. Eine spezielle Rezeptur für DEF kann eine wässrige Harnstofflösung mit 32,5 % Harnstoff und 67,5 % entionisiertem Wasser enthalten.
  • Das Reduktionsmittel ist in einem Reduktionsmitteltank 500 enthalten und erreicht die Reduktionsmitteleinspritzdüse 510 durch ein Reduktionsmittelrohr 505. Die Einspritzungen des Reduktionsmittels werden durch das elektronische Steuergerät 450 gemäß den Motorbetriebsbedingungen oder anderen Parametern angewiesen. Ein NOx-Mengensensor 530 und ein Temperatursensor 540 sind dem SCRF 520 vorgeschaltet vorgesehen, beispielsweise im Auspuff 275. Weiterhin ist ebenfalls ein Abgasmassenstromsensor 435 im Auspuff 275 vorgesehen.
  • Bei der Verwendung des SCRFs 520 sammelt sich Ruß innerhalb des DPF-Abschnitts an. Die angesammelte Rußmenge im DPF-Abschnitt des SCRFs 520 kann in Abhängigkeit des Druckabfalls (∆P) über den SCRF 520 abgeschätzt werden. Daher kann ein physikalisches Rußmodell unter Verwendung eines Differenzdrucks zwischen dem Einlass und dem Auslass des DPFs und den physikalischen Eigenschaften des DPF-Abschnitts des DPFs erzeugt werden. Wie in 3 ist ein dem SCRF 520 vorgeschalteter Drucksensor 550 und ein davon nachgeschalteter Drucksensor 560 vorgesehen, sodass die von den Drucksensoren 550 und 560 gelesenen Druckwerte an das elektronische Steuergerät 450 zum Berechnen eines Differenzdrucks über den SCRF 520 übermittelt werden können. Basierend auf diesem Differenzdruck kann das elektronische Steuergerät 450 einen Schätzwert (z. B. Masse) der angesammelten Rußmenge im SCRF unter Verwendung des physikalischen Rußmodells berechnet werden.
  • Das physikalische Rußmodell nimmt einen direkten Zusammenhang zwischen dem Druckabfall durch den SCRF 520 und dem angesammelten Ruß an. Jedoch wird dieser Zusammenhang durch die CRT(Continuously Regenerating Trap – kontinuierlich regenerierender Abscheider)-Wirkung verändert, die sich auf die Reduktion von NO2 in Gegenwart von Ruß gemäß Gleichung (1) bezieht. NO2+C→CO+NO (1)
  • Wenn das NO2:NOx-Verhältnis abnimmt, tritt eine Regeneration (d. h. Rußverbrennung) auf, die einen Druckabfall über den SCRF bewirkt. Das Auftreten dieses Phänomens hängt von Faktoren wie der lokalen Temperatur, dem NO2:NOx-Verhältnis und dem Rußbeladungsgrad innerhalb des SCRFs ab.
  • Während des Einsatzes des Kraftfahrzeugs wird eine im SCRF 520 angesammelte Rußmenge mithilfe eines bekannten physikalischen Modells geschätzt. 4 stellt ein Flussdiagramm dar, das ein CRT-Effekt-Korrekturverfahren 700 zum Korrigieren eines Rußansammlungsschätzmodells im SCRF 520 während der Reduktionsmitteleinspritzung nahe dem SCRF 520 darstellt. Die Reduktionsmitteleinspritzung nahe dem SCRF 520 kann das Einspritzen von Reduktionsmittel in den SCRF und/oder das Einspritzen von Reduktionsmittel stromaufwärts des SCRFs 520 umfassen. Insbesondere wird bei dem bekannten physikalischen Modell eine Druckdifferenz 670 über dem SCRF 520 gemessen, beispielsweise unter Verwendung des vorgeschalteten Drucksensors 550 (dem SCRF 520 vorgeschaltet) und des nachgeschalteten Drucksensors 560 (stromabwärts des SCRFs 520). Diese Druckdifferenz 670 wird von dem elektronischen Steuergerät 450 als Eingabe des physikalischen Modells 680 verwendet, um einen geschätzten Rußwert (SQest) 690 der im SCRF 520 gefangenen Rußmenge zu berechnen.
  • Bei der Verwendung des Kraftfahrzeugs überwacht das elektronische Steuergerät 450 die Notwendigkeit, eine Reduktionsmitteleinspritzung 600 stromaufwärts des SCRFs 520 durchzuführen. Falls keine Reduktionsmitteleinspritzung 600 durchgeführt wird, kann der SQest-Wert 690 als korrekte Auswertung der im SCRF 520 angesammelten Rußmenge genommen werden. In einer Alternative, in demselben Fall, in dem keine Reduktionsmitteleinspritzung 600 durchgeführt wird, kann ein bekanntes weiteres Modell verwendet werden, um den SQest-Wert 690 mittels des ersten bekannten physikalischen Modells zu korrigieren.
  • Jedoch wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wenn eine Reduktionsmitteleinspritzung 600 durchgeführt wird, ein Korrekturwert (SQcorr) 660 der Rußmenge berechnet, wobei auch der Wert einer Reduktionsmittelmenge (R_inj) 610, die durch die Reduktionsmitteleinspritzdüse 510 eingespritzt werden soll, berücksichtigt wird. Der R_inj-Wert 610 kann die Reduktionsmittelmenge der vorherigen Reduktionsmitteleinspritzung, der Reduktionsmittelmenge der aktuellen Reduktionsmitteleinspritzung oder die bestimmte Reduktionsmittelmenge einer geplanten (d. h. zukünftigen) Reduktionsmitteleinspritzung umfassen. Insbesondere bestimmt das elektronisches Steuergerät 450 den R_inj-Wert 610 und speichert diesen im Datenträger 460, aus dem er in den verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens verwendet werden kann.
  • Zusätzlich wird ein NOx-Wert (Inlet_NOx) 620 am Einlass des SCRFs 520 bestimmt, beispielsweise durch das Lesen der Messwerte des NOx-Mengensensors 530, der dem SCRF 520 vorgeschaltet ist. Zusätzlich wird einen Temperaturwert (Inlet_temp) 630 am Einlass des SCRFs bestimmt, beispielsweise durch Lesen der Messwerte des Temperatursensors 540, der dem SCRF 520 vorgeschaltet ist. Es wird auch ein Abgasmassenstromwert (EMF) 640 des Abgases in der Abgasleitung 275 bestimmt, beispielsweise durch Lesen der Messwerte des Massenstromsensors 435. Es sollte keine Reihenfolge zum Bestimmen des R_inj-Wertes 610, des Inlet_ NOx-Wertes 620, des Inlet_temp-Wertes 630 oder des EMF-Wertes 640 festgelegt werden. Bei einigen Ausführungsformen umfasst Verfahren 700 das Bestimmen nur eines R_inj-Wertes 610, des Inlet_ NOx-Wertes 620, des Inlet_temp-Wertes 630 oder des EMF-Wertes 640. Bei einigen Ausführungsformen umfasst Verfahren 700 das Bestimmen mindestens eines R_inj-Wertes 610, des Inlet_ NOx-Wertes 620, des Inlet_temp-Wertes 630 oder des EMF-Wertes 640. Bei einigen Ausführungsformen umfasst Verfahren 700 das Bestimmen mehrerer des R_inj-Wertes 610, des Inlet_ NOx-Wertes 620, des Inlet_temp-Wertes 630 und des EMF-Wertes 640. Bei einigen Ausführungsformen umfasst Verfahren 700 das Bestimmen jeden des R_inj-Wertes 610, des Inlet_ NOx-Wertes 620, des Inlet_temp-Wertes 630 und des EMF-Wertes 640. Bei Verfahren, bei denen mehrere der R_inj-Werte 610, der Inlet_ NOx-Wert 620, der Inlet_temp-Werte 630 und der EMF-Werte 640 bestimmt sind, sollte keine Reihenfolge zum Bestimmen des R_inj-Wertes 610, des Inlet_ NOx-Wertes 620, des Inlet_temp-Wertes 630 oder des EMF-Wertes 640 festgelegt werden. Der R_inj-Wert 610, der Inlet_ NOx-Wert 620, der Inlet_temp-Wert 630 und der EMF-Wert 640 können jeweils einzeln oder zusammen als Zuordnungswerte bezeichnet werden.
  • Dann korreliert eine Korrekturkarte 650 den R_inj-Wert 610, den Inlet_NOx-Wert 620, den Inlet_temp-Wert 630 und den EMF-Wert 640, um den SQcorr-Wert 660 der Rußmenge zu berechnen. Die Korrekturkarte 650 kann vorkalibriert und beispielsweise im Datenträger 460 gespeichert werden. Schließlich wird der SQest-Wert 690 der Rußmenge mittels des SQcorr-Wertes 660 korrigiert, um einen bewerteten Wert (SQeval) 700 der Rußmenge zu erhalten. Im Allgemeinen ist der SQeval-Wert 700 niedriger als der SQest-Wert 690, um die reduzierte Rußbelastung als Ergebnis des CRT-Effekts widerzuspiegeln.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Karte in zwei Unterkarten unterteilt, wobei in einer ersten Unterkarte der R_inj-Wert 610 und der Inlet_ NOx-Wert 620 mit einem Zwischenwert SQint der Rußmenge korreliert und eine zweite Unterkarte den Zwischenwert SQint, den Inlet_temp-Wert 630 und den EMF-Wert 640 mit einem Korrekturwert SQcorr der Rußmenge korreliert. Die zwei Unterkarten können vorkalibriert und beispielsweise im Datenträger 460 gespeichert werden.
  • Die obige Unterteilung der Karte ist nicht die einzige mögliche Unterteilung, da viele andere Möglichkeiten vorgesehen werden können, um die benötigten Daten zu organisieren, um den SQcorr-Wert 660 der Rußmenge zu bestimmen, ausgehend vom R_inj-Wert 610, dem Inlet_ NOx-Wert 620 und dem Inlet_temp-Wert 630 am Einlass des SCRFs 520 und dem EMF-Wert 640 je nach Hardware- und/oder Softwareanforderungen.
  • Die Karte, die den R_inj-Wert 610, den Inlet_ NOx-Wert 620 und den Inlet_temp-Wert 630 und den EMF-Wert 640 mit dem SQcorr-Wert 660 korreliert, kann mittels einer experimentellen Aktivität bestimmt und dann im Datenträger 460, der dem elektronischen Steuergerät 450 zugeordnet ist, gespeichert werden.
  • Bei bestimmten Temperaturbereichen (Apparent_Temp) während der Reduktionsmitteleinspritzungt legt ein ∆P über dem SCRF 520 eine tatsächliche Rußverbrennung unsachgemäß fest, wobei keine Rußverbrennung oder eine minimale Rußverbrennung auftritt. Über solche Temperaturbereiche hinweg wird das Verfahren 700 die Rußansammlung des STRF 520 falsch einschätzen. Insbesondere wird bei einigen Ausführungsformen das -Verfahren 700 die Rußansammlung des SCRFs 520 über bestimmte Temperaturbereiche unterschätzen.
  • 5 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 701 zum Schätzen der Rußansammlung im SCRF 520 darstellt, das eine erkennbare Rußverbrennung während der Reduktionsmitteleinspritzung korrigiert. Das Verfahren 701 umfasst das Verfahren 700 und beinhaltet zusätzlich das Bestimmen, ob die Reduktionsmitteleinspritzung bei einem Apparent_Temp 605 auftritt. Wenn eine Reduktionsmitteleinspritzung bei einem Apparent_Temp 605 auftritt, wird der SQest-Wert 690 nicht korrigiert, um den SQeval-Wert 700 zu erstellen. Wenn keine Reduktionsmitteleinspritzung bei einem Apparent_Temp 605 auftritt, wird der SQest-Wert 690 korrigiert, um den SQeval-Wert 700 zu erstellen. Während 4 den Apparent_Temp 605 in einer bestimmten Position innerhalb des Flussdiagramms zeigt, kann Apparent_Temp 605 an jedem Punkt nach der Reduktionsmitteleinspritzung 600, und bevor der SQeval-Wert 700 bestimmt wird, bestimmt werden.
  • Apparent_Temp 605 kann eine obere Temperaturgrenze, eine niedrigere Temperaturgrenze oder ein Temperaturbereich sein. Ein SCRF 520 kann beispielsweise bei Temperaturen von –25 °C (z. B. bei kalten Umgebungsbedingungen und/oder beim Start des Verbrenungsmotors 110) bis zu 800 °C und manchmal höher betrieben werden und die Reduktionsmitteleinspritzung kann bei etwa 180 °C bis zur maximalen Betriebstemperatur des SCRFs 520 auftreten. Bei einigen Ausführungsformen kann ein ∆P über dem SCRF 520 eine tatsächliche Rußverbrennung für einen Apparent_Temp über etwa 275 °C, über etwa 295 °C oder über etwa 300 °C unsachgemäß festlegen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein ∆P über dem SCRF 520 eine tatsächliche Rußverbrennung für einen Apparent_Temp unter etwa 525 °C, über etwa 505 °C oder über etwa 500 °C unsachgemäß festlegen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein ∆P über dem SCRF 520 eine tatsächliche Rußverbrennung für einen Apparent_Temp-Bereich von etwa 275 °C bis etwa 525 °C, etwa 295 °C bis etwa 505 ºC oder etwa 300 ºC bis etwa 500 ºC unsachgemäß festlegen.
  • Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform bzw. die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird die vorstehende ausführliche Beschreibung den Fachleuten auf dem Gebiet einen geeigneten Plan für die Implementierung einer exemplarischen Ausführungsform bereitstellen, wobei klar ist, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung von Elementen, die in einer exemplarischen Ausführungsform beschrieben werden, vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den hinzugefügten Ansprüchen und deren juristischen Äquivalenten dargelegt ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bewertung einer angesammelten Rußmenge in einem waschbeschichteten Partikelfilter mit selektiver katalytischer Reduzierung (SCRF – Selective Catalytic Reduction Wash-Coated Particulate Filter) eines Abgasnachbehandlungssystems, das Verfahren umfassend: das Einspritzen von Reduktionsmittel nahe des SCRFs über eine Reduktionsmitteleinspritzdüse; das Bestimmen eines oder mehrerer Mengenwerte einer Reduktionsmitteleinspritzung durch die Reduktionsmitteleinspritzdüse, eines NOx-Mengenwertes an einem Einlass des waschbeschichteten Partikelfilters mit selektiver katalytischer Reduktion, eines Temperaturwertes am Einlass des waschbeschichteten Partikelfilters mit selektiver katalytischer Reduktion und eines Massenstromwertes eines Abgases; das Berechnen eines Korrekturwertes einer Rußmenge mittels einer Karte, die den einen oder die mehreren bestimmten Reduktionsmittelmengenwerte, den NOx-Mengenwert, den Temperaturwert und den Massenstromwert korreliert; das Erfassen einer erkennbaren Betriebstemperatur für die Rußverbrennung; und das Korrigieren eines geschätzten Wertes der Rußmenge mittels des Korrekturwert, um einen bewerteten Wert der Rußmenge zu erhalten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die erkennbare Betriebstemperatur für die Rußverbrennung eine Temperatur umfasst, bei der ein ∆P über dem SCRF eine tatsächliche Rußverbrennung nicht ordnungsgemäß festlegt.
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die erkennbare Betriebstemperatur für die Rußverbrennung mindestens etwa 275 °C umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die erkennbare Betriebstemperatur für die Rußverbrennung weniger als etwa 525 °C umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die erkennbare Betriebstemperatur für die Rußverbrennung etwa 275 °C bis etwa 525 °C umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der SCRF beinhaltet selektives katalytisches Reduktionselement beinhaltet.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Reduktionsmittel Harnstoff umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner umfassend das Bestimmen von jedem der Mengenwerte einer Reduktionsmitteleinspritzung, die durch die Reduktionsmitteleinspritzdüse, den NOx-Mengenwert an einem Einlass des waschbeschichteten Partikelfilters mit selektiver katalytischer Reduktion, den Temperaturwert am Einlass des waschbeschichteten Partikelfilters mit selektiver katalytischer Reduktion und den Massenstromwert eines Abgases im Nachbehandlungssystem eingespritzt werden
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner umfassend das Unterteilen der Karte in eine erste Unterkarte, die den Reduktionsmittelmengenwert und den NOx-Mengenwert mit einem Zwischenwert korreliert, und eine zweite Unterkarte, die den Zwischenwert, den Temperaturwert und den Massenstromwert mit dem Korrekturwert korreliert.
  10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner umfassend das Bestimmen des geschätzten Wertes mittels einer Druckdifferenz zwischen dem Einlass und einem Auslass des SCRFs.
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