DE102018116591A1

DE102018116591A1 - Selektive katalytische reduktions-ammoniakspeichersteuerung

Info

Publication number: DE102018116591A1
Application number: DE102018116591.9A
Authority: DE
Inventors: Anirban Sett
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2019-01-10
Also published as: CN109236436A; US10502113B2; US20190010848A1

Abstract

Es werden technische Lösungen für ein Emissionssteuerungssystem zum Steuern einer Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors beschrieben. Ein exemplarisches computerimplementiertes Verfahren beinhaltet das Regeln einer Reduktionsmitteldosierung in der SCR-Vorrichtung. Die Steuerung einer solchen Dosierung beinhaltet beispielsweise das Berechnen einer Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einem chemischen Modell der SCR-Vorrichtung. Weiterhin beinhaltet die Regelung das Bestimmen eines Temperaturmodulationsfaktors basierend auf einer Einlasstemperatur des Abgaseingangs für die SCR. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Anpassen der Reduktionsmitteldosierrate durch Skalierung der Reduktionsmitteldosierrate um den Temperaturmodulationsfaktor an. Das Verfahren beinhaltet weiterhin, dass eine Menge an Reduktionsmittel in einen SCR-Katalysator entsprechend der eingestellten Reduktionsmitteldosierrate eingespritzt wird.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren und insbesondere Abgasanlagen mit selektiver katalytischer Reduktionsvorrichtung (SCR) zur Emissionssteuerung.
Das Abgas, das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen wie Kohlenmonoxid („CO“), unverbrannte Kohlenwasserstoffe („HC“) und Stickstoffoxide (NO_x) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe), enthält, die Partikel („PM“) darstellen. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise auf Katalysatorträgern oder Substraten angeordnet sind, sind in einem Motorabgassystem als Teil eines Nachbehandlungssystems vorgesehen, um bestimmte oder sämtliche dieser Abgasbestandteile in nicht geregelte Abgaskomponenten umzuwandeln.
Abgasbehandlungssysteme beinhalten normalerweise selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtungen. Eine SCR-Vorrichtung beinhaltet ein Substrat, mit einem darauf angeordneten SCR-Katalysator, um die Menge an NOx in dem Abgas zu reduzieren. Das typische Abgasbehandlungssystem beinhaltet auch ein Reduktionsmittelliefersystem, das ein Reduktionsmittel wie beispielsweise Ammoniak (NH3), Harnstoff (CO(NH2)2 usw.) einspritzt. Die SCR-Vorrichtung nutzt NH3 zur Reduktion von NOx. Wenn beispielsweise die geeignete Menge an NH3 unter den geeigneten Bedingungen an die SCR-Vorrichtung geliefert wird, reagiert das NH3 mit dem NOx in Gegenwart des SCR-Katalysators, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Wenn jedoch die Reduktionsreaktionsrate zu langsam ist oder wenn überschüssiges Ammoniak im Abgas vorhanden ist, kann Ammoniak aus dem SCR entweichen. Wenn andererseits zu wenig Ammoniak im Abgas vorhanden ist, wird die SCR-NOx-Umwandlungseffizienz verringert.
KURZDARSTELLUNG
Eine oder mehrere Ausführungsformen beschreiben ein Emissionssteuerungssystem für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor. Das Emissionssteuerungssystem beinhaltet eine selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtung. Das Emissionssteuerungssystem beinhaltet auch einen NOx-Sensor; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Reduktionsmitteldosierung in der SCR-Vorrichtung zu steuern. Die Steuerung berechnet eine Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einem chemischen Modell der SCR-Vorrichtung. Die Steuerung ermittelt einen Temperaturmodulationsfaktor basierend auf einer Vorlauftemperatur der SCR-Vorrichtung. Die Steuerung passt die Reduktionsmitteldosierrate durch Skalierung der Reduktionsmitteldosierrate um den Temperaturmodulationsfaktor an. Die Steuerung bewirkt weiterhin, dass entsprechend der eingestellten Reduktionsmitteldosierrate eine Menge Reduktionsmittel in die SCR-Vorrichtung eingespritzt wird.
In einem oder mehreren Beispielen wird die Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einer Rate des Abgases, das in die SCR-Vorrichtung eingebracht wird, und einer Differenz des Reduktionsmittels, das in einem SCR-Katalysator der SCR-Vorrichtung gespeichert ist, und einer vorhergesagten Menge des Reduktionsmittels, die in dem SCR-Katalysator gespeichert ist, berechnet.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Bestimmen des Temperaturmodulationsfaktors den Zugriff auf eine der Einlasstemperatur entsprechende Nachschlagetabelle. In einem oder mehreren Beispielen erfolgt das Bestimmen des Temperaturmodulationsfaktors weiterhin basierend auf einer NOx-Einlasskonzentration im Abgas, die in die SCR-Vorrichtung eingebracht wird. In einem oder mehreren Beispielen wird der Temperaturmodulationsfaktor durch Zugriff auf eine Nachschlagetabelle basierend auf der Einlasstemperatur und der Einlass NOx-Konzentration bestimmt.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Regeln der Reduktionsmitteldosierung in der SCR-Vorrichtung weiterhin das Bestimmen eines Alterungsmodulationsfaktors für die SCR-Vorrichtung und das weitere Anpassen der Reduktionsmitteldosierrate durch Skalieren der Reduktionsmitteldosierrate um den Alterungsfaktor. In einem oder mehreren Beispielen wird der Alterungsmodulationsfaktor durch Überwachen der temperaturgewichteten Zeit der SCR-Vorrichtung bestimmt.
Eine oder mehrere Ausführungsformen beinhalten ein Abgassystem zur Behandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors, das für eine selektive katalytische Reduktion (SCR) des Abgases konfiguriert ist. Das Abgassystem beinhaltet beispielsweise eine Steuerung, die zum Steuern einer Reduktionsmitteldosierung für die SCR konfiguriert ist. Die Steuerung berechnet beispielsweise eine Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einem chemischen Modell der SCR. Die Steuerung ermittelt einen Temperaturmodulationsfaktor basierend auf einer Einlasstemperatur des Abgaseingangs für die SCR. Die Steuerung passt die Reduktionsmitteldosierrate durch Skalierung der Reduktionsmitteldosierrate um den Temperaturmodulationsfaktor an. Die Steuerung bewirkt weiterhin, dass entsprechend der eingestellten Reduktionsmitteldosierrate eine Menge Reduktionsmittel in einen SCR-Katalysator eingespritzt wird.
In einem oder mehreren Beispielen wird die Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einer Rate des Abgases, das in die SCR-Vorrichtung eingebracht wird, und einer Differenz des Reduktionsmittels, das in einem SCR-Katalysator gespeichert ist, und einer vorhergesagten Menge des Reduktionsmittels, die in dem SCR-Katalysator gespeichert ist, berechnet. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Bestimmen des Temperaturmodulationsfaktors den Zugriff auf eine der Einlasstemperatur entsprechende Nachschlagetabelle. In einem oder mehreren Beispielen erfolgt das Bestimmen des Temperaturmodulationsfaktors weiterhin basierend auf einer NOx-Einlasskonzentration im Abgaseingang in die SCR. Weiterhin wird in einem oder mehreren Beispielen der Temperaturmodulationsfaktor durch Zugriff auf eine Nachschlagetabelle basierend auf der Einlasstemperatur und der Einlass NOx-Konzentration bestimmt.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Regeln der Reduktionsmitteldosierung in der SCR weiterhin das Bestimmen eines Alterungsmodulationsfaktors für den SCR-Katalysator und das weitere Anpassen der Reduktionsmitteldosierrate durch Skalieren der Reduktionsmitteldosierrate um den Alterungsfaktor. Weiterhin wird in einem oder mehreren Beispielen der Alterungsmodulationsfaktor durch Überwachen der temperaturgewichteten Zeit des SCR-Katalysators bestimmt.
In noch einer oder mehreren exemplarischen Ausführungsformen wird ein computerimplementiertes Verfahren zum Steuern einer selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Vorrichtung eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors beschrieben. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Verfahren die Regelung einer Reduktionsmitteldosierung in der SCR-Vorrichtung. Die Steuerung einer solchen Dosierung beinhaltet beispielsweise das Berechnen einer Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einem chemischen Modell der SCR-Vorrichtung. Weiterhin beinhaltet die Regelung das Bestimmen eines Temperaturmodulationsfaktors basierend auf einer Einlasstemperatur des Abgaseingangs für die SCR. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Anpassen der Reduktionsmitteldosierrate durch Skalierung der Reduktionsmitteldosierrate um den Temperaturmodulationsfaktor an. Das Verfahren beinhaltet weiterhin, dass eine Menge an Reduktionsmittel in einen SCR-Katalysator entsprechend der eingestellten Reduktionsmitteldosierrate eingespritzt wird.
In einem oder mehreren Beispielen wird die Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einer Rate von Abgas, das in die SCR-Vorrichtung eingebracht wird, und einer Differenz des Reduktionsmittels, das in einem SCR-Katalysator der SCR-Vorrichtung gespeichert ist, und einer vorhergesagten Menge des Reduktionsmittels, die in dem SCR-Katalysator gespeichert ist, berechnet.
In einem oder mehreren Beispielen erfolgt das Bestimmen des Temperaturmodulationsfaktors weiterhin basierend auf einer NOx-Einlasskonzentration im Abgas, die in die SCR-Vorrichtung eingebracht wird. Weiterhin wird in einem oder mehreren Beispielen der Temperaturmodulationsfaktor durch Zugriff auf eine Nachschlagetabelle basierend auf der Einlasstemperatur und der Einlass NOx-Konzentration bestimmt.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Regeln der Reduktionsmitteldosierung in der SCR weiterhin das Bestimmen eines Alterungsmodulationsfaktors für den SCR-Katalysator und das weitere Anpassen der Reduktionsmitteldosierrate durch Skalieren der Reduktionsmitteldosierrate um den Alterungsfaktor. Weiterhin wird in einem oder mehreren Beispielen der Alterungsmodulationsfaktor durch Überwachen der temperaturgewichteten Zeit des SCR-Katalysators bestimmt.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne weiteres hervor.
Figurenliste
Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur exemplarisch in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, wobei gilt:

1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und ein Emissionssteuerungssystem nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 veranschaulicht exemplarische Komponenten eines Emissionssteuerungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3 veranschaulicht einen exemplarischen Durchfluss der Gase durch eine SCR-Vorrichtung, gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
4 zeigt einen exemplarischen Dosierregler gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
5A zeigt ein Blockdiagramm von einem oder mehreren Modulatoren, die eine proportionale Verstärkung verbessern, die von einem Speicherniveauregler gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen erzeugt wird;
5B zeigt ein Blockdiagramm von einem oder mehreren Modulatoren, die eine proportionale Verstärkung verbessern, die von einem Speicherniveauregler gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen erzeugt wird;
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Modulieren des Ausgangs eines Speicherniveaureglers mit einem Temperaturmodulationsfaktor gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
7 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Bestimmen eines Alterungsmodulationsfaktors gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen; und
8 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Bestimmen eines Eingangs-NOx-Modulationsfaktors gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung in ihren An- oder Verwendungen zu beschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine Verarbeitungsschaltung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten, beinhalten kann.
Ein Motorfahrzeug gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist allgemein als 10 in 1 angegeben. Motorfahrzeug 10 ist in Form eines Kleinlastwagens dargestellt. Es ist selbstverständlich, dass das Kraftfahrzeug 10 verschiedene Formen annehmen kann, einschließlich Automobilen, kommerziellen Transportmitteln, Schiffen usw. Das Kraftfahrzeug 10 beinhaltet eine Karosserie 12 mit einem Fahrgastraum 14, einem Fahrgastraum 15 und einer Ladefläche 17. Motorraum 14 umfasst eine Brennkraftmaschinenanlage 24, welches, in der exemplarischen dargestellten Ausführungsform einen Dieselmotor 26 beinhalten kann. Die Brennkraftmaschinenanlage 24 beinhaltet ein Abgassystem 30, welches fluidisch mit einem Nachbehandlungs- oder Emissionssteuersystem 34 verbunden ist. Das vom Verbrennungsmotor (ICE)-System 24 erzeugte Abgas strömt durch das Emissionssteuerungssystem 34, um Emissionen zu reduzieren, die durch ein Abgasauslassrohr 36 in die Umgebung austreten können.
Es ist anzumerken, dass die hierin beschriebenen technischen Lösungen für ICE-Systeme relevant sind, die Dieselmotorsysteme und Benzinmotorsysteme beinhalten können, aber nicht darauf beschränkt sind. Das ICE-System 24 kann eine Vielzahl von an einer Kurbelwelle angebrachten Hubkolben beinhalten, die betriebsmäßig an einem Antriebssystem angebracht sein können, wie einem Fahrzeugantriebssystem, um ein Fahrzeug anzutreiben (z. B. um Traktionsdrehmoment an das Antriebssystem abzugeben). So kann beispielsweise das ICE-System 24 eine beliebige Motorkonfiguration oder Anwendung sein, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. Automobil, Marine und dergleichen) sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Während die Verbrennungsmotoren in einem fahrzeugbezogenen Kontext (z. B. Drehmoment erzeugend) beschrieben werden können, befinden sich andere nicht fahrzeugbezogene Anwendungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung. Wenn daher auf ein Fahrzeug Bezug genommen wird, sollte diese Offenbarung dahingehend ausgelegt werden, dass sie für jede Anwendung eines ICE-Systems gilt.
Darüber hinaus kann ein Verbrennungsmotor im Allgemeinen jede Vorrichtung darstellen, die in der Lage ist, einen Abgasstrom zu erzeugen, der gasförmige (z. B. NO_x, O₂) kohlenstoffhaltige und/oder partikelförmige Spezies beinhaltet, und die Offenbarung hier sollte dementsprechend als auf alle derartigen Vorrichtungen anwendbar angesehen werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Abgas“ auf jede beliebige chemische Spezies oder jedes Gemisch aus chemischen Spezies, das eine Behandlung erfordert, und gasförmige, flüssige und feste Spezies beinhaltet. So kann beispielsweise ein Abgasstrom eine Mischung aus einer oder mehreren NO_x-Spezies, einer oder mehreren flüssigen Kohlenwasserstoff-Spezies und einer oder mehreren Feststoff-Partikel-Spezies (z. B. Asche) enthalten. Es sollte weiter verstanden werden, dass die hier offenbarten Ausführungsformen auf die Behandlung von Abwasserströmen anwendbar sind, die keine kohlenstoffhaltigen und/oder partikelförmigen Spezies beinhalten, und in solchen Fällen kann ICE 26 auch allgemein irgendeine Vorrichtung darstellen, die einen Abgasstrom mit solchen Spezies erzeugen kann. Abgaspartikelmaterial beinhaltet im Allgemeinen kohlenstoffhaltigen Ruß und andere feste und/oder flüssige kohlenstoffhaltige Spezies, die für ICE-Abgas relevant sind oder in einem Emissionssteuerungssystem 34 gebildet werden.
2 veranschaulicht exemplarische Komponenten des Emissionssteuerungssystems 34 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Es sollte angemerkt werden, dass, während das Verbrennungsmotorsystem 24 in dem obigen Beispiel einen Dieselmotor 26 aufweist, das hierin beschriebene Emissionssteuerungssystem 34 in verschiedenen Motorsystemen implementiert werden kann. Die Emission Steuersystem 34 erleichtert die Steuerung und Überwachung von NO_x Speicherung und/oder Behandlung von Materialien, um Abgase, die durch den Verbrennungsmotor 24 erzeugt wurden, zu steuern. So stellen beispielsweise die technischen Lösungen hier Verfahren zum Steuern von selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtungen (SCR-Vorrichtungen) und zugehöriger NO_x-Sensoren bereit, wobei die SCR-Vorrichtungen so konfiguriert sind, dass sie Abgasströme von einer Abgasquelle empfangen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NO_x“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NO_x-Substanzen können N_yO_x-Substanzen beinhalten, worin y>0 und x>0. Nichteinschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO₂, N₂O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄, und N₂O₅ beinhalten. SCR-Vorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie Reduktionsmittel aufnehmen, beispielsweise mit variablen Dosierraten, wie nachstehend beschrieben wird.
Die Abgasleitung 214, die mehrere Segmente beinhalten kann, transportiert Abgas 216 von dem Motor 26 zu den verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Emissionssteuerungssystems 34. So beinhaltet beispielsweise das Emissionssteuerungssystem 34, wie dargestellt, eine SCR-Vorrichtung 220. In einem oder mehreren Beispielen kann die SCR-Vorrichtung 220 eine selektive katalytische Filtervorrichtung (SCRF-Vorrichtung) beinhalten, die zusätzlich zu Partikelfilterfähigkeiten die katalytischen Aspekte von SCRs bereitstellt. Alternativ oder zusätzlich kann die SCR-Vorrichtung 220 auch auf ein Durchflusssubstrat beschichtet sein. Es versteht sich, dass das System 34 verschiedene zusätzliche Behandlungsvorrichtungen beinhalten kann, einschließlich unter anderem eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC) 218 und Partikelfiltervorrichtungen (nicht dargestellt).
Wie zu erkennen ist, kann die OC-Vorrichtung 218 aus verschiedenen Durchfluss-Oxidationskatalysatorvorrichtungen bestehen, die in der Technik bekannt sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann die OC-Vorrichtung 218 ein durchströmbares Metall- oder Keramikmonolithsubstrat 224 beinhalten. Das Substrat 224 kann in einem Edelstahlkanister oder -gehäuse verpackt sein, der oder das über einen Einlass und einen Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 verfügt. Das Substrat 224 kann eine darauf angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung beinhalten. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete Metalloxidkatalysatoren und Kombinationen davon, enthalten. Die OC-Vorrichtung 218 ist für die Behandlung von unverbranntem gasförmigem und nicht-flüchtigem HC und CO nützlich, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden. Eine Washcoat-Schicht beinhaltet eine in der Zusammensetzung unterschiedliche Materialschicht, die auf der Oberfläche des monolithischen Substrats oder einer darunter liegenden Washcoat-Schicht angeordnet ist. Ein Katalysator kann eine oder mehrere Washcoat-Schichten enthalten, und jede Washcoat-Schicht kann einzigartige chemische katalytische Funktionen aufweisen. In der SCR-Vorrichtung 220 können sich die Katalysatorzusammensetzungen für die SCR-Funktion und die NH₃-Oxidationsfunktion in diskreten Washcoat-Schichten auf dem Substrat befinden, oder alternativ können die Zusammensetzungen für die SCR- und NH₃-Oxidationsfunktionen in diskreten longitudinalen Zonen auf dem Substrat verbleiben.
Die SCR-Vorrichtung 220 kann stromabwärts der OC-Vorrichtung 218 angeordnet sein. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet die SCR-Vorrichtung 220 einen Filterabschnitt 222, der ein Wandflussfilter sein kann, der konfiguriert ist, um Kohlenstoff und andere Partikel aus dem Abgas 216 zu entfernen. In mindestens einer exemplarischen Ausführungsform ist der Filterabschnitt 222 als ein Partikelfilter (PF) ausgebildet, wie beispielsweise ein Dieselpartikelfilter (DPF). Der Filterabschnitt (d. h. der PF) kann beispielsweise unter Verwendung eines keramischen Wandstrom-Monolith-Abgasfilter-Substrats konstruiert werden, das in einer starren, hitzebeständigen Schale oder einem Behälter verpackt ist. Der Filterabschnitt 222 weist einen Einlass und einen Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 auf und kann Partikelmaterial einfangen, wenn das Abgas 216 dort hindurch strömt. Es versteht sich, dass ein keramisches Wandströmungs-Monolith-Filtersubstrat lediglich exemplarischer Natur ist und dass der Filterabschnitt 222 andere Filtervorrichtungen wie etwa gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern usw. enthalten kann. Das Emissionssteuerungssystem 34 kann auch einen Regenerationsprozess durchführen, der den Filterabschnitt 222 durch Abbrennen der in dem Filtersubstrat eingefangenen Partikel in einem oder mehreren Beispielen regeneriert.
In einem oder mehreren Beispielen empfängt die SCR-Vorrichtung 220 Reduktionsmittel, beispielsweise mit variablen Dosierraten. Reduktionsmittel 246 kann aus einer Reduktionsquelle zugeführt werden (nicht dargestellt). In einem oder mehreren Beispielen wird das Reduktionsmittel 246 an einer Stelle vor der SCR-Vorrichtung 220 mit einer Einspritzdüse 236 oder einem anderen geeigneten Abgabeverfahren in die Abgasleitung 214 eingespritzt. Das Reduktionsmittel 246 kann in Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung, wie einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen. In einem oder mehreren Beispielen kann das Reduktionsmittel 246 mit Luft in der Einspritzdüse 236 gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprühnebels zu unterstützen. Der katalysatorhaltige Washcoat, der auf dem Filterabschnitt 222 oder einem Durchflusskatalysator oder einem Wandstromfilter angeordnet ist, kann NOx-Bestandteile in dem Abgas 216 reduzieren. Die SCR-Vorrichtung 220 kann das Reduktionsmittel 246 verwenden, beispielsweise Ammoniak (NH₃), um das NOx zu reduzieren. Der katalysatorhaltige Washcoat kann einen Zeolith und eine oder mehrere Grundmetallkomponenten wie Eisen (Fe), Cobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V) enthalten, die effizient arbeiten können, um NOx-Bestandteile des Abgases 216 in Gegenwart von NH₃ umzuwandeln. In einem oder mehreren Beispielen kann ein Turbulator (d. h. ein Mischer) (nicht gezeigt) auch in der Abgasleitung 214 in unmittelbarer Nähe zur Einspritzdüse 236 und/oder der SCR-Vorrichtung 220 angeordnet sein, um weiter ein gründliches Mischen des Reduktionsmittels 246 mit dem Abgas 216 und/oder die gleichmäßige Verteilung in der gesamten SCR-Vorrichtung 220 zu unterstützen.
Das Emissionssteuerungssystem 34 beinhaltet ferner ein Reduktionsmittelzufuhrsystem 232, das ein Reduktionsmittel 246 in das Abgas 216 einführt. Das Reduktionsmittelzufuhrsystem 232 beinhaltet eine Zufuhr des Reduktionsmittels 246, eine Einspritzdüse 236 und einen Dosierregler 234. Die Reduktionsmittelversorgung speichert das Reduktionsmittel 246 und steht in Fluidverbindung mit der Einspritzdüse 236 und dem Dosierregler 234. Das Reduktionsmittel 246 kann beinhalten, ist aber nicht eingeschränkt auf NH₃. Dementsprechend kann die Einspritzdüse 236 eine wählbare Menge an Reduktionsmittel 246 in die Abgasleitung 214 einspritzen, sodass das Reduktionsmittel 246 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 220 in das Abgas 216 eingeleitet wird.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Schadstoffbegrenzungssystem 34 ferner ein Steuermodul 238, das betriebsmäßig über eine Anzahl an Sensoren verbunden ist, um den Motor 26 und/oder das Abgasbehandlungssystem 34 zu überwachen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppenprozessor) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten. So kann beispielsweise das Modul 238 ein chemisches SCR-Modell wie nachstehend beschrieben ausführen. Das Steuermodul 238 kann betriebsmäßig mit dem ICE-System 24, der SCR-Vorrichtung 220 und/oder einem oder mehreren Sensoren verbunden sein. Wie dargestellt, können die Sensoren 240 einen stromaufwärtigen NO_x-Sensor 242 und einen stromabwärtigen NO_x-Sensor 242' beinhalten, der stromabwärts der SCR Vorrichtung 220, von denen jeder in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 ist. In einem oder mehreren Beispielen, ist der stromaufwärtige NOx-Sensor 242 stromabwärts des ICE 26 und stromaufwärts der beiden SCR-Vorrichtungen 220 und der Einspritzdüse 236 angeordnet. Der stromaufwärtige NO_x-Sensor 242 und der stromabwärtige NO_x-Sensor 242' erzeugen entsprechende NOx-Signale nahe ihrer Position in der Abgasleitung 214, die in entsprechende NOx-Werte umgewandelt werden. Ein NOx-Gehalt kann in einigen Ausführungsformen eine Konzentration, einen Massendurchsatz, oder eine volumetrische Durchflussmenge beinhalten. Ein von einem NOx-Sensor erzeugtes NOx-Signal kann beispielsweise vom Steuermodul 238 interpretiert werden. Das Steuermodul 238 kann optional in Verbindung mit einem oder mehreren Temperatursensoren, wie beispielsweise dem stromaufwärtigen Temperatursensor 244, stromaufwärts von der SCR-Vorrichtung 220 angeordnet sein.
Die Sensoren des Schadstoffbegrenzungssystems 34 können ferner mindestens einen Drucksensor 230 (z. B. einen Deltadrucksensor) beinhalten. Der Deltadrucksensor 230 kann die Druckdifferenz (d. h. Δp) über die SCR-Vorrichtung 220 ermitteln. Obwohl ein einzelner Deltadrucksensor 230 veranschaulicht ist, versteht es sich, dass eine Vielzahl an Drucksensoren verwendet werden können, um die Druckdifferenz der SCR-Vorrichtung 220 zu ermitteln. So kann beispielsweise ein erster Drucksensor am Einlass der SCR-Vorrichtung 220 angeordnet sein, und ein zweiter Drucksensor kann am Auslass des SCR 220 angeordnet sein. Dementsprechend kann die Differenz zwischen dem durch den zweiten Deltadrucksensor erfassten Druck und dem durch den ersten Deltadrucksensor erfassten Druck die Druckdifferenz über den SCR 220 anzeigen. Es sollte beachtet werden, dass in anderen Beispielen die Sensoren andere, zusätzliche oder weniger Sensoren als die hier dargestellten/beschriebenen beinhalten können.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet die SCR-Vorrichtung 220 eine oder mehrere Komponenten, die das Reduktionsmittel 246 und einen Katalysator verwenden, um NO und NO₂ aus den Abgasen 216 zu transformieren. Die SCR-Vorrichtung 220 kann beispielsweise ein Durchfluss-Keramik- oder Metall-Monolith-Substrat beinhalten, das in einem Mantel oder einem Behälter mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 und optional anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen verpackt werden kann. Der Mantel oder Behälter kann idealerweise einen gegenüber den Abgasbestandteilen, wie z. B. Edelstahl, weitgehend inerten Werkstoff beinhalten. Das Substrat kann eine SCR-Katalysatorverbindung beinhalten, die darauf aufgebracht wird.
Der Substratkörper kann beispielsweise ein keramischer Ziegelstein, eine Plattenstruktur oder jede andere geeignete Struktur sein, wie eine monolithische Wabenstruktur, die mehrere hundert bis mehrere tausend parallele Durchflusszellen pro Quadratzoll enthält, obwohl andere Konfigurationen geeignet sind. Jede der Durchflusszellen kann durch eine Wandoberfläche definiert werden, auf der die SCR-Katalysatorzusammensetzung per Washcoat-Verfahren aufgetragen werden kann. Der Substratkörper kann aus einem Material ausgebildet sein, das den Temperaturen und der chemischen Umgebung, die mit dem Abgas 216 verbunden ist, standhalten kann. Einige spezifische Beispiele für Materialien, die verwendet werden können, beinhalten Keramik, wie extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit, Petalit, oder ein hitze- und korrosionsbeständiges Metall, wie Titan oder Edelstahl. Das Substrat kann beispielsweise ein nichtsulfatierendes TiO₂-Material beinhalten. Der Substratkörper kann eine PF-Vorrichtung sein, wie nachfolgend erläutert.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung ist im Allgemeinen ein poröses Material mit großer Oberfläche, das effizient arbeiten kann, um NO_x-Bestandteile im Abgas 216 bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels 246, wie Ammoniak, umzuwandeln. So kann beispielsweise die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith und eine oder mehrere Basismetallkomponenten, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (W) und Kombinationen davon, enthalten. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith enthalten, der mit einem oder mehreren von Kupfer, Eisen oder Vanadium imprägniert ist. In 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, sein. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ-13. Geeignete SCR-Katalysatorzusammensetzungen können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit Partikelfilter (PF)-Vorrichtungen verwendet werden oder wenn sie in die nachstehend beschriebenen SCRF-Vorrichtungen integriert werden, die mithilfe von Hochtemperatur-Rußverbrennungsverfahren regeneriert werden.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren beinhalten, um die SO₃-Bildung weiter zu verringern und die Standzeit des Katalysators zu verlängern. Die einen oder mehreren basischen Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ beinhalten. In einer Ausführungsform kann WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ in Kombination mit V₂O₅ verwendet werden.
Der SCR-Katalysator verwendet im Allgemeinen das Reduktionsmittel 246, um NO_x-Spezies (z. B. NO und NO₂) in unschädliche Bestandteile zu reduzieren. Harmlose Bestandteile beinhalten beispielsweise eine oder mehrere Spezies, die keine NO_x Spezies, zweiatomigen Stickstoff, stickstoffhaltige inerte Spezies oder Spezies, die als annehmbare Emissionen angesehen werden, sind. Das Reduktionsmittel 246 kann Ammoniak (NH₃) sein, wie z. B. wasserfreies Ammoniak oder wässriges Ammoniak, oder aus einer Stickstoff- und wasserstoffreichen Substanz wie Harnstoff (CO(NH₂)₂) erzeugt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Reduktionsmittel 246 jede Zusammensetzung haben, die in der Lage ist, sich bei Vorhandensein von Abgas 216 und/oder Wärme zu zersetzen oder zu reagieren, um Ammoniak auszubilden. Die Gleichungen (1) - (5) liefern exemplarische chemische Reaktionen für NO_x-Reduktion mit Ammoniak. 6NO+4NH₃→5N₂+6H₂O (1) 4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O (2) 6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O (3) 2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O (4) NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O (5) Es versteht sich, dass die Gleichungen (1) - (5) lediglich veranschaulichend sind und nicht dazu gedacht sind, die SCR-Vorrichtung 220 auf einen bestimmten NOx-Reduktionsmechanismus oder -mechanismen zu begrenzen, noch den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Die SCR-Vorrichtung 220 kann so konfiguriert sein, dass sie eine der oben genannten NOx-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der vorstehenden NOx-Reduktionsreaktionen und andere NOx-Reduktionsreaktionen ausführt.
Das Reduktionsmittel 246 kann in verschiedenen Implementierungen mit Wasser verdünnt werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 246 mit Wasser verdünnt wird, verdampft die Wärme (z. B. aus dem Abgas) das Wasser und Ammoniak wird der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt. Nicht-Ammoniak-Reduktionsmittel können, wie gewünscht, als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 245 Harnstoff enthält, reagiert der Harnstoff mit dem Abgas, um Ammoniak zu erzeugen, und Ammoniak wird der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt. Die nachfolgende Reaktion (6) stellt eine exemplarische chemische Reaktion der Ammoniakproduktion durch Harnstoffzersetzung bereit. CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂ (6) Es versteht sich, dass die Gleichung (6) lediglich veranschaulichend, und nicht dazu gedacht ist, die Zersetzung von Harnstoff oder eines anderen Reduktionsmittels 246 auf einen bestimmten einzigen Mechanismus zu beschränken und den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen.
Der SCR-Katalysator kann das Reduktionsmittel zum Zusammenwirken mit dem Abgas 216 speichern (d. h. absorbieren und/oder adsorbieren). Das Reduktionsmittel 246 kann beispielsweise innerhalb der SCR-Vorrichtung 220 oder des Katalysators als Ammoniak gespeichert werden. Eine gegebene SCR-Vorrichtung 220 weist eine Reduktionsmittelkapazität oder eine Menge an Reduktionsmittel oder einem Reduktionsmittel-Derivat auf, das gespeichert werden kann. Die Menge eines innerhalb einer SCR-Vorrichtung 220 gespeicherten Reduktionsmittels im Verhältnis zur Kapazität der SCR-Vorrichtung kann als die „Reduktionsmittelbelastung“ der SCR-Vorrichtung bezeichnet werden und kann in einigen Instanzen als eine %-Belastung (z. B. 90% Reduktionsmittelbelastung) angegeben werden. Während des Betriebs der SCR-Vorrichtung 220 wird eingespritztes Reduktionsmittel 246 in dem SCR-Katalysator gespeichert und während Reduktionsreaktionen mit NOx-Spezies verbraucht und muss kontinuierlich ergänzt werden. Das Ermitteln der genauen einzuspritzenden Menge an Reduktionsmittel 246 ist entscheidend, um Abgasemissionen auf einem akzeptablen Niveau zu halten: unzureichende Reduktionsmittelpegel innerhalb des Systems 34 (z. B. innerhalb der SCR-Vorrichtung 220) können unerwünschte NOx-Spezies-Emissionen („NOx-Durchbruch“) zur Folge haben B. über ein Fahrzeugendrohr, während eine übermäßige Reduktionsmitteleinspritzung 246 dazu führen kann, dass unerwünschte Mengen an Reduktionsmittel 246 durch die SCR-Vorrichtung 220 unreagiert oder als unerwünschtes Reaktionsprodukt aus der SCR-Vorrichtung 220 austreten („Reduktionsmittelschlupf“). Reduktionsmittelschlupf und NOx-Durchbruch können auch auftreten, wenn die Temperatur des SCR-Katalysators unterhalb einer „Anspringtemperatur“ liegt. Die SCR-Dosierlogik kann verwendet werden, um die Dosierung des Reduktionsmittels 246 anzuweisen, und Anpassungen davon, und kann beispielsweise durch das Modul 238 implementiert werden.
Eine Reduktionsmitteleinspritzdosierrate (z. B. Gramm pro Sekunde) kann durch ein chemisches SCR-Modell ermittelt werden, das die in der SCR-Vorrichtung 220 gespeicherte Menge an Reduktionsmittel 246 basierend auf Signalen von einer oder mehreren Einspritzungen des Reduktionsmittels 246 (z. B. Rückkopplung von Einspritzventil 236) und stromaufwärtigem NOx (z. B. NOx-Signal von dem stromaufwärtigen NOx-Sensor 242) vorhersagt. Das chemische SCR-Modell sagt ferner NOx-Niveaus von Abgas 216 voraus, die von der SCR-Vorrichtung 220 abgegeben werden. Das chemische SCR-Modell kann durch das Steuermodul 238 implementiert werden. Das chemische SCR-Modell kann beispielsweise um einen oder mehrere Prozesswerte über die Zeit aktualisierbar sein. Der Dosierregler 234, der in einem oder mehreren Beispielen durch das Modul 238 gesteuert wird, überwacht den durch das Das chemische SCR-Modell vorhergesagten Reduktionsmittelspeicherpegel und vergleicht diesen mit einem gewünschten Reduktionsmittelspeicherpegel. Abweichungen zwischen dem vorhergesagten Reduktionsmittel-Speicherlevel und dem gewünschten Reduktionsmittel-Speicherlevel können kontinuierlich überwacht werden und eine Dosieranpassung kann ausgelöst werden, um die Reduktionsmitteldosierung zu erhöhen oder zu verringern, um die Abweichung zu eliminieren oder zu reduzieren. So kann beispielsweise die Reduktionsmitteldosierrate angepasst werden, um eine gewünschte NO_x-Konzentration oder Durchflussrate im Abgas 216 stromabwärts von der SCR-Vorrichtung 220 oder eine gewünschte NO_x-Umwandlungsrate zu erreichen. Eine gewünschte Umwandlungsrate kann durch viele Faktoren ermittelt werden, wie beispielsweise die Eigenschaften des SCR-Katalysatortyps und/oder die Betriebsbedingungen des Systems (z. B. ICE 26-Betriebsparameter).
In einem oder mehreren Beispielen setzt der Dosierregler 234 die Dosierstrategie für das Reduktionsmittel (z. B. Harnstoff) um und wird zum Erreichen der maximalen NOx-Umwandlung (Reduzierung des NOx-Durchbruchs) ohne übermäßigen NH3-Schlupf aus der SCR-Vorrichtung 220 verwendet. Bei einer speicherbasierten Dosiersteuerung ermittelt der Dosierniveauregler 440 eine korrigierende Dosiermenge zum Erreichen des NH₃ Speichersollwerts, basierend auf der Abweichung des NH₃ Speichersollwerts auf den geschätzten NH₃ Speicherung auf der SCR-Vorrichtung 220.
3 veranschaulicht einen exemplarischen Abgasstrom durch die SCR-Vorrichtung 220 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das Steuermodul 238 misst die Durchflussmenge (F) des Gasvolumens und die Konzentration C des Gases. So ermittelt beispielsweise die SCR-Vorrichtung 220 eine Eingangsdurchflussmenge von NOx 310 als FC_NOx,in, wobei F das Volumen des eintretenden Gases 216 ist und C_NOx,in die Einlasskonzentration von NOx in dem einströmenden Gas 216 ist. Desgleichen ist FC_NH3,in das Volumen der Durchflussmenge von NH₃ 315 im eintretenden Gas 216, wobei C_NH3,in die Einlasskonzentration von NH₃ist. Ferner kann das Steuermodul 238 durch Kompensieren der Adsorptionsmenge 322 und der Desorptionsmenge 324 und der auf der Katalysatoroberfläche reagierten Mengen C_NH3 als SCR-Konzentration von NH₃ und C_NOx als SCR-Konzentration von NOx ermitteln.
Dementsprechend ist FC_NOx die NOx-Auslassvolumendurchflussmenge 320 von NO_x durch den Auslass der SCR-Vorrichtung 220. In einem oder mehreren Beispielen kann das Steuermodul 238 W_NOxFC_NOx als Massendurchflussmenge von NOx ermitteln, wobei W_NOx das Molekulargewicht von NOx ist. In ähnlicher Weise ist die Auslassvolumendurchflussmenge 325 für NH₃ FC_NH3, wobei die Massendurchflussmenge von NH₃ W_NH3FC_NH3 ist.
Wie zuvor beschrieben, steuert das Steuermodul 238 die Reduktionsmitteleinspritzmenge präzise über den Dosierregler 234; so wie die Ammoniakerzeugende wässrige Harnstofflösungseinspritzmenge. Eine unzureichende Einspritzung kann zu inakzeptabel niedrigen NOx-Umwandlungen führen. Eine Einspritzmenge, die zu hoch ist, führt zur Freisetzung von Ammoniak in die Atmosphäre. Diese Ammoniakemissionen von SCR-Systemen sind als Ammoniakschlupf bekannt.
Dementsprechend, unter Bezugnahme auf 2 und 4, steuert das Steuermodul 238 den Betrieb der Einspritzdüse 236 basierend auf der Schätzung des Verbrauchsschätzers 450 und des gewünschten NH₃-Speicher-Sollwerts aus dem Speicherregler 440, um eine Menge an Reduktionsmittel 246 zu ermitteln, das wie hierin beschrieben eingespritzt wird. Der SCR-Katalysator adsorbiert (d. h. speichert) NH₃. Die Menge des von der SCR-Vorrichtung 220 gespeicherten NH₃ kann nachfolgend als „NH₃-Speicherwert“ bezeichnet werden. Das Steuermodul 238 kann die Menge an NH₃ steuern, die der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt wird, um den NH₃-Speicherpegel zu regeln. Das in der SCR-Vorrichtung 220 gespeicherte NH₃ reagiert mit NOx durch Durchströmen des Abgases 216.
In einem oder mehreren Beispielen kann der Prozentsatz von NOx, der aus dem Abgas 216 entfernt wird, das in die SCR-Vorrichtung 220 eintritt, als eine Umwandlungseffizienz der SCR-Vorrichtung 220 bezeichnet werden. Das Steuermodul 238 kann den Umwandlungswirkungsgrad der SCR-Vorrichtung 220 basierend auf NOx_in und NOx_out-Signalen ermitteln, die von dem ersten (stromaufwärtigen) NOx-Sensor 242 bzw. dem zweiten (stromabwärtigen) NOx-Sensor 242'erzeugt werden. So kann beispielsweise das Steuermodul 238 die Umwandlungseffizienz der SCR-Vorrichtung 220 basierend auf der folgenden Gleichung ermitteln: SCR-_eff = (NOx_in - NOx_aus)/NOx_in (7)
NH₃-Schlupf kann auch durch eine Erhöhung der Temperatur des SCR-Katalysators erreicht werden. So kann beispielsweise NH₃ vom SCR-Katalysator desorbieren, wenn die Temperatur zunimmt, wenn der NH₃ -Speicherpegel nahe an dem maximalen NH₃-Speicherpegel liegt. NH₃-Schlupf kann auch aufgrund eines Fehlers (z. B. Speicherlevelschätzungsfehler) oder einer fehlerhaften Komponente (z. B. fehlerhafte Einspritzdüse) im Emissionssteuerungssystem 34 auftreten.
Typischerweise schätzt das Steuermodul 238 ein NH₃ -Speicherniveau der SCR-Katalysator-Vorrichtung 220 basierend auf dem chemischen Modell. In einem oder mehreren Beispielen ist der NH₃-Speicher-Sollwert („Sollwert“) kalibrierbar. Das Steuermodul 238 nutzt das chemische Modell zur Abschätzung des aktuellen NH₃-Niveaus in der SCR-Vorrichtung 220 und ein Dosierregler 234 sendet Feedback an die Einspritzsteuerung, um die Einspritzmenge zur Bereitstellung von NH₃ für Reaktionen nach dem chemischen Modell und einem Soll-Speicher-Niveau zu ermitteln. Der Sollwert kann einen Sollwert „S“ anzeigen. Das Steuermodul 238 steuert die Reduktionsmittel-Einspritzdüse 236, um die Menge an Reduktionsmittel, die in das Abgas 216 eingespritzt wird, zu verwalten, um den Speicherpegel der SCR-Vorrichtung 220 auf den Sollwert einzustellen. So weist beispielsweise das Steuermodul 238 die Einspritzdüse 236 an, den Speicherpegel zu erhöhen oder zu verringern, um den Sollwert zu erreichen, wenn ein neuer Sollwert ermittelt wird. Zusätzlich weist das Steuermodul 238 den Reduktionsmittelinjektor 236 an, den Speicherpegel zu erhöhen oder zu verringern, um den Sollwert beizubehalten, wenn der Sollwert erreicht wurde.
4 zeigt ein Beispiel für einen Speicherniveauregler gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Der Dosierregler 234 beinhaltet den Speicherniveauregler 440 und den NH3-Verbrauchsschätzer 450. Der Verbrauchsschätzer 450 schätzt 422 eine Menge NH3, welche die SCR-Vorrichtung 220 nach dem chemischen Modell verbraucht. Zusätzlich liefert der Speicherniveauregler 440 einen gewünschten NH3-Wert, der in der SCR-Vorrichtung 220 gespeichert ist. Der Dosierregler 234 fügt die Ausgänge des Speicherniveaureglers 440 und des Verbrauchsschätzers 450 hinzu, um eine gewünschte Menge 425 NH3 in der SCR-Vorrichtung 220 zu bestimmen, und anschließend eine Menge an NH3 zu bestimmen, um die gewünschte Menge 425 einzuspritzen.
In einem oder mehreren Beispielen ist der Speicherniveauregler 440 eine proportionale Steuerung, welche die Abweichung des NH3-Speicherniveaus 410 zwischen dem vorhergesagten Speicherniveau gemäß dem chemischen Modell und einem gewünschten NH3-Niveau erhält, um NH3-Schlupf (und/oder NOx-Ausbruch) zu verhindern. Der Speicherniveauregler 440 erhält weiterhin eine Durchflussrate von 415 des Abgases 216, das in die SCR-Vorrichtung 220, beispielsweise in Gramm/Sekunde, oder in beliebigen anderen Einheiten, eintritt. Basierend auf diesen Eingängen berechnet die proportionale Steuerung typischerweise eine Proportionalverstärkung 420, um das Speicherniveau „S“ der SCR-Vorrichtung 220 anzupassen. Es ist anzumerken, dass der Dosierregler 234 zusätzliche Eingangssignale als die in 4 dargestellten empfangen kann, beispielsweise Abgasbestandteile und andere physikalische Parameter des Abgassystems, die vom Verbrauchsschätzer 450 verwendet werden können.

Tabelle 1 zeigt eine exemplarische Nachschlagetabelle, die vom Speicherniveauregler 440 zum Ermitteln der Proportionalverstärkung 420 basierend auf der Speicherabweichung 410 und dem Abgasdurchsatz 415 verwendet wird. Die Nachschlagetabelle beinhaltet vorgegebene Werte, die als Proportionalverstärkung 420 für bestimmte Werte der Eingänge verwendet werden. Der Speicherniveauregler 440 interpoliert zwischen den Werten aus der Nachschlagetabelle, wenn sich die Eingangswerte innerhalb bestimmter Bereiche der vorgegebenen Eingangswerte in der Tabelle befinden. Es ist anzumerken, dass die in Tabelle 1 veranschaulichte Tabelle ein Beispiel ist und dass in anderen Ausführungsformen unterschiedliche Tabellen verwendet werden können. In noch anderen Beispielen berechnet der Speicherniveauregler 440 anstelle der Verwendung einer Nachschlagetabelle die Proportionalverstärkung 420 basierend auf einer Funktion unter Verwendung der Eingangswerte. Tabelle 1

	Abgasdurchflussrate
Speicher abweichu ng	10	30	50	70	90	120	170	200
-0,25	-250	-250	-250	-250	-250	-250	-250	-250
-0,01	-10	-10	-10	-10	-10	-10	-10	-10
0,00	-5	-5	-5	-5	-5	-5	-5	-5
0,00	0	0	0	0	0	0	0	0
0,02	4	4	4	5	7	10	14	14
0,10	8	8	12	15	19	23	28	28
0,30	12	12	16	20	31	34	37	37
0,75	21	21	26	28	38	40	41	41
1,00	23	23	29	35	40	41	43	43
1,50	24	24	30	36	41	42	43	43
2,00	25	25	31	37	41	42	43	43

In einem oder mehreren Beispielen verwendet das Steuermodul 238 das chemische Modell des SCR-Katalysators, um die NOx-Konzentration in den Abgasen 216, die in die SCR-Vorrichtung 220 eintreten, vorherzusagen. Ferner ermittelt das Steuermodul 238 basierend auf der vorhergesagten NOx-Konzentration eine Menge an NH₃, mit der die Abgase 216 zu dosieren sind, um die Emissionsschwelle zu erfüllen. Das Steuermodul 238 implementiert typischerweise eine adaptive Regelkreis-/Halbgeschlossen-Regelkreis-Strategie zum Aufrechterhalten der SCR-Leistung gemäß dem chemischen Modell, wobei das Steuermodul kontinuierlich einen oder mehrere Parameter lernt, die dem chemischen Modell gemäß der laufenden Leistung des Motors zugeordnet sind Fahrzeug 10. Eine technische Herausforderung für ein Abgassystem mit einer adaptiven Regelstrategie besteht jedoch darin, dass der Speicherniveauregler 440 nicht berücksichtigt, dass die Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators in Abhängigkeit von Faktoren, wie beispielsweise der Temperatur, dem Alterungszustand des Katalysators und der NOx-Konzentration des Motors, variiert. Die hierin beschriebenen technischen Lösungen behandeln diese technischen Herausforderungen, indem sie Modulatoren zur Optimierung des Speicherniveaureglers 440 für hohe/niedrige Temperaturen, frische/gealterte SCR oder hohe/niedrige NOx-Emissionen hinzufügen. In einem oder mehreren Beispielen erleichtern die hierin beschriebenen technischen Lösungen die Verbesserung der Proportionalverstärkung 440 durch Skalierung der Proportionalverstärkung 420 basierend auf einem oder mehreren Faktoren.
5A zeigt ein Blockdiagramm eines oder mehrerer Modulatoren, das die vom Speicherniveauregler 440 erzeugte Proportionalverstärkung 420 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen verbessert. 5A zeigt beispielsweise einen Temperatur- und Eingangs-NOx-Modulator 510, der einen Temperaturmodulationsfaktor 515 erzeugt, der ein erster Skalierungsfaktor ist. Weiterhin erzeugt ein Alterungsmodulator 520 einen Alterungsmodulationsfaktor 525, der ein zweiter Skalierungsfaktor ist. Die Modulationsfaktoren 515, 525 werden mit der Proportionalverstärkung 420 multipliziert, die der Speicherniveauregler 440 berechnet, um eine Reglerverstärkung 535 zu erzeugen.
Ein Modulator in der einen oder mehreren Ausführungsformen ist eine elektronische Schaltung, wie beispielsweise eine integrierte Schaltung, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder dergleichen. In weiteren Beispielen beinhaltet der Modulator Hardwarekomponenten, wie beispielsweise ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder dergleichen. Des Weiteren beinhaltet der Modulator in einem oder mehreren Beispielen eine oder mehrere computerausführbare Anweisungen, die auf einer Speichervorrichtung gespeichert sind und durch einen Prozessor ausgelesen und ausgeführt werden, wie beispielsweise das Steuermodul 238. Alternativ oder zusätzlich ist der Modulator in einem oder mehreren Beispielen ein separater Prozessor.
Der Temperatur- und Eingangs-NOx-Modulator 510 ermöglicht die Modulation der gewünschten Speicheraufbaurate in Bezug auf die am SCR-Katalysator 512 gemessene Temperatur. In einem oder mehreren Beispielen wird die Temperatur 512 mit einem oder mehreren Temperatursensoren gemessen, wie beispielsweise dem stromaufwärtigen Temperatursensor 244. Die Modulation durch den Modulator 510 greift die technische Herausforderung auf, dass der SCR-Katalysator gegenüber einem schnelleren Speicheraufbau toleranter ist und bei niedrigeren Temperaturen (z. B.: bei 250 Grad C) einen leichten Überschuss an NH3 speichert als bei höheren Temperaturen (z. B.: bei 350 Grad C).
In einem oder mehreren Beispielen empfängt der Temperatur- und Eingangs-NOx-Modulator 510 die Eingangstemperatur 512 der SCR-Vorrichtung 220. Der stromaufwärtige Temperatursensor 244 überwacht die Einlasstemperatur 512. Alternativ oder zusätzlich empfängt der Temperatur- und Eingangs-NOx-Modulator 510 die Eingangs-NOx-Konzentration 514 als Eingabe. Der stromaufwärtige NOx-Sensor 242 misst die NOx-Eintrittskonzentration 514 in den Abgasen 216.
Der Temperaturmodulator 510 ermöglicht das Anpassen der Dosierrate des Reduktionsmittels an die Einlasstemperatur 512, da sich die Reduktionsmittelspeicherkapazität des SCR-Katalysators temperaturabhängig ändert. So kann beispielsweise der SCR-Katalysator eine geringere Speicherkapazität (z. B. 7% weniger oder alle anderen) oberhalb von 400°C aufweisen als unterhalb dieser Temperatur. Dementsprechend moduliert der Temperaturmodulator 510 das Ansprechverhalten des Speicherreglers bei 400 °C und darüber hinaus. Es ist anzumerken, dass die 400 Grad C ein Beispiel sind und dass in anderen Beispielen der Temperaturbereich, in dem die Temperaturmodulation durchgeführt wird, in anderen Beispielen unterschiedlich sein kann. Zusätzlich ist der Temperaturmodulationsschwellenwert über (oder unter) dem die Modulation durchgeführt wird, in einem oder mehreren Beispielen konfigurierbar. Somit können Produkte, die unterschiedliche Temperaturprofile aufweisen, den Temperaturmodulator nutzen, um die speicherbasierte Dosiersteuerung durch Konfiguration der Schwellentemperatur zu verbessern. Alternativ oder zusätzlich optimiert die Temperaturmodulation verschiedene Emissionszyklen für die gleiche Anwendung. Des Weiteren wird in einem oder mehreren Beispielen, beispielsweise bei einer höheren Temperatur von 350 °C, die Reaktion des Speicherreglers moduliert, um eine gleichmäßige Dosierung für ein längeres Intervall gegenüber einem kurzen Dosierimpuls zu gewährleisten.
Der Temperatur- und Eingangs-NOx-Modulator 510 moduliert den Reglerausgang basierend auf der Eingangs-NOx-Konzentration 514. Der gesamte NOx-Durchfluss (=f(NOx ppm, Abgasdurchsatz)) bestimmt die Fähigkeit des SCR-Katalysators, das einströmende Reduktionsmittel zu verbrauchen (ein Teil davon wird durch den Speicherregler und der Rest durch das chemische Modell gesteuert). Der NOx-Ausstoß des Motors variiert über einen weiten Bereich, zum Beispiel von 100 ppm bis 1200 ppm, zusammen mit der Variation der Raumgeschwindigkeit. Somit ermöglicht die auf der Eingangs-NOx-Konzentration basierende Modulation die Optimierung der Leistung des Speicherniveaureglers 440 für das variable NOx über verschiedene Zyklen und Anwendungen.
In einem oder mehreren Beispielen bestimmt der Temperatur- und Eingangs-NOx-Modulator 510 den Modulationsfaktor 515 unter Verwendung der Einlasstemperatur 512 und der Einlass-NOx-Konzentration 514. So greift der Modulator 510 beispielsweise auf eine Nachschlagetabelle, wie in Tabelle 2 dargestellt, zu und ermittelt den Modulationsfaktor 515 für die vorgegebenen Werte in der Nachschlagetabelle. Wenn die gemessene Einlasstemperatur 512 und/oder die NOx-Einlasskonzentration 514 Werte nicht zu den vorgegebenen Werten in der Tabelle gehören, wird der Modulationsfaktor 510 durch Interpolieren der Werte aus der Tabelle bestimmt. Es ist anzumerken, dass die Werte in Tabelle 2 Beispiele sind und dass in anderen Beispielen die zum Bestimmen des Modulationsfaktors 515 verwendete Nachschlagetabelle unterschiedliche Werte aufweisen kann. Weiterhin ist anzumerken, dass in anderen Beispielen der Temperatur- und Einlass-NOx-Modulator 510 den Modulationsfaktor 515 dynamisch in Echtzeit basierend auf einer Funktion berechnet, die in Form von computerausführbaren Anweisungen gespeichert ist. Tabelle 2

Temperatur>> NOx-Einlass 175 ... 400

Min. NOx ppm für die Anwendung

...

Max. NOx ppm
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 600 zum Modulieren des Ausgangs des Speicherniveaureglers 440 mit einem Temperaturmodulationsfaktor 515 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das Verfahren beinhaltet das Empfangen einer stromaufwärtigen Temperaturmessung durch den stromaufwärtigen Temperatursensor 244, wie bei 610 dargestellt. Die stromaufwärtige Temperaturmessung zeigt die Temperatur am Einlass der SCR-Vorrichtung 220 an. Weiterhin wird der Temperaturwert mit dem Modulationstemperatur-Schwellenwert, wie bei 620 dargestellt, überprüft. Wenn die Einlasstemperatur den Temperaturschwellenwert nicht überschreitet, bleibt der Ausgang des Speicherniveaureglers 440 in einem oder mehreren Beispielen unverändert. Wenn der Temperaturschwellenwert überschritten (oder erreicht) wird, beinhaltet das Verfahren 600 weiterhin das Empfangen der NOx-Konzentration am Einlass der SCR-Vorrichtung 220, wie bei 630 dargestellt. Die Einlass-NOx-Konzentration wird mit dem stromaufwärtigen NOx-Sensor 242 bestimmt.
Das Verfahren 600 beinhaltet weiterhin das Bestimmen des Temperaturmodulationsfaktors 515 aus den Eingängen, der Temperatur und der NOx-Konzentration, z. B. unter Verwendung der Nachschlagetabelle, wie bei 640 dargestellt. Der Ausgang des Speicherniveaureglers 440, also die Proportionalverstärkung 420, wird mit dem Temperaturmodulationsfaktor 515 multipliziert, wie bei 650 dargestellt. Damit wird die Leistung des Speicherniveaureglers 440 und damit die Reduktionsmitteldosierrate gemäß der stromaufwärtigen Temperatur und der NOx-Konzentration im Abgassystem angepasst.
Das Verfahren 600 ermöglicht somit die Reduzierung und/oder Vermeidung von NH3-Schlupf durch eine Überdosierung der SCR-Vorrichtung 220 bei steigender Temperatur. Mit steigender Temperatur nimmt beispielsweise die Speicherkapazität des SCR-Katalysators ab. Wird daher eine konstante Reduktionsmitteldosierrate verwendet, kann überschüssiges NH3, das bei höheren Temperaturen verbleibt (wegen verminderter Speicherkapazität des Katalysators), entweichen und zu NH3-Schlupf führen. Durch Skalieren der Reduktionsmitteldosierrate basierend auf der Temperatur wird so eine Reduzierung/Vermeidung eines derartigen NH3-Schlupfs ermöglicht.
Des Weiteren verändert das NOx, das in die SCR-Vorrichtung 220 eintritt, nicht die Speicherkapazität des SCR-Katalysators, sondern das NH3, das während der SCR verbraucht wird. Bei einer bestimmten Temperatur beispielsweise, wenn die NOx-Konzentration 200 Teile pro Million (ppm) beträgt, ist zu berücksichtigen, dass X gms des NH3 während des SCR als Reduktionsmittel verbraucht wird, wobei das Abgassystem 24 das NOx in Stickstoff und Wasser umwandelt. Wenn bei gleichbleibender spezifischer Temperatur die NOx-Konzentration im Einlass steigt (oder sinkt), ändert sich der NH3-Verbrauch für den SCR dementsprechend. Um die im SCR-Katalysator gespeicherte NH3-Menge wieder aufzufüllen, wird daher durch das Verfahren 600 eine andere Menge an Reduktionsmittel eingespritzt.
Mit Rückbezug zu 5A, passt der Alterungsmodulator 520 die Proportionalverstärkung 420 des Speicherniveaureglers 440 basierend auf dem Alter des SCR-Katalysators der SCR-Vorrichtung 220 an. So ist beispielsweise ein gealterter SCR 220 weniger tolerant gegenüber einer aggressiven Reglereinwirkung als eine neue SCR-Vorrichtung 220. Wenn beispielsweise der SCR-Katalysator altert, können die Poren zusammenwachsen oder zerstört werden, wodurch die verfügbare Oberfläche zum Speichern des Reduktionsmittels und damit die Speicherkapazität des Reduktionsmittels verringert wird. Wenn der Dosierfaktor also nicht verändert wird, kann überschüssiges Reduktionsmittel, das von einem gealterten SCR-Katalysator nicht absorbiert werden kann, zu NH3-Schlupf führen. Der Alterungsmodulator 520 löst das technische Problem des NH3-Schlupfs durch das Altern des SCR-Katalysators. In einem oder mehreren Beispielen verwendet der Alterungsmodulator 520 ein mathematisches Modell, um einen dem SCR-Katalysator entsprechenden Alterungsfaktor zu bestimmen, der wiederum als oder verwendet wird, um den Alterungsmodulationsfaktor 525 zu bestimmen. Der Modulationsfaktor 525 wird weiterhin verwendet, um den Ausgang des Speicherniveaureglers und damit die Reduktionsmitteldosierrate zu verändern.
In einem oder mehreren Beispielen berechnet das Modell die Alterung des SCR-Katalysators basierend auf der Zeit, die der Katalysator bei einer bestimmten Temperatur verbringt. Die thermische Belastung wird direkt von der Temperatur beeinflusst: je höher die Temperatur, desto höher die thermische Belastung. Jedem Temperaturfenster wird ein Alterungsfaktor zugeordnet (über eine kalibrierbare Karte), um den Einfluss der Alterung in diesem Temperaturbereich zu identifizieren. Eine niedrige Temperatur bedeutet beispielsweise einen geringeren Einfluss auf die Alterung.
In einem oder mehreren Beispielen wird der Alterungsfaktor basierend auf dem Alterungseffekt bei der maximalen Katalysatortemperatur, die ein vorbestimmter Wert ist, normiert. Bei der Berechnung wird die Zeit berücksichtigt, die der Katalysator in jedem der vorgegebenen Temperaturfenster verbringt, und berechnet die kumulative Alterung der Komponente. Basierend auf der kumulativen Alterung wird ein entsprechender Alterungsmodulationsfaktor aus einer Nachschlagetabelle ausgewählt, um den Speicherniveaureglerausgang für die Dosiersteuerung zu verändern. Tabelle 3 zeigt ein Beispiel einer Nachschlagetabelle für den Alterungsmodulationsfaktor. In der exemplarischen Nachschlagetabelle steht ein Alterungsfaktor von 0 für eine neue SCR-Vorrichtung 220, wobei, je höher der Wert des Alterungsfaktors, desto älter ist die SCR-Vorrichtung 220. Mit zunehmendem Alter der SCR-Vorrichtung 220 verringert sich die Speicherkapazität des SCR-Katalysators und damit die Dosiermenge des Reduktionsmittels durch eine entsprechende Skalierung des Speicherniveaureglers. Tabelle 3

Alterungsfaktor 0,0 0,2 ... ... ... 1,0

Modulationsfaktor des Speicherreglers 1 .. .. .. .. <1
7 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 700 zum Bestimmen des Alterungsmodulationsfaktors 525 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Zu Beginn, wenn die SCR-Vorrichtung 220 neu ist, wird ein mit der SCR-Vorrichtung 220 verbundener SCR-Alterungsfaktor auf einen vorbestimmten Wert für eine neue SCR-Vorrichtung, wie beispielsweise 0, wie bei 710 dargestellt, eingestellt. In einem oder mehreren Beispielen, wenn die SCR-Vorrichtung 220 oder der SCR-Katalysator ersetzt wird, wird der SCR-Alterungsfaktor auf den vorgegebenen Wert zurückgesetzt, wie bei 710 dargestellt.
Darüber hinaus wird der SCR-Alterungsfaktor basierend auf der temperaturgewichteten Zeit, d. h. der Zeit, die der SCR-Katalysator in bestimmten Temperaturbereichen verbringt, kontinuierlich aktualisiert, wie bei 720 dargestellt. Das Aktualisieren des Alterungsfaktors beinhaltet die Überwachungszeit des SCR-Katalysators innerhalb eines bestimmten SCR-Temperaturfensters, wie bei 722 dargestellt. In einem oder mehreren Beispielen verfolgt das Steuermodul 238 die Zeitdauer innerhalb eines bestimmten Temperaturfensters. Die Temperaturfenster sind vorgegebene Temperaturbereiche, zum Beispiel 300 Grad C und darunter, 301 - 350 Grad C, 351 - 400 Grad C, 400 - 425 Grad C, 426 - 450 Grad C, und 451 Grad C und darüber. Es ist anzumerken, dass die vorgenannten Bereiche exemplarisch sind und dass in anderen Implementierungen andere, zusätzliche oder geringere Temperaturbereiche verwendet werden. Die Temperaturbereiche werden basierend auf der Art der Aktivität bestimmt, die dazu führt, dass sich die SCR-Vorrichtung 220 in diesen spezifischen Temperaturbereichen befindet. Wenn das Fahrzeug beispielsweise im Gelände, an Steigungen oder dergleichen eingesetzt wird, wird die SCR-Vorrichtung 220 mehr eingesetzt als im stationären Zustand (konstante Last), was im ersten Fall zu einer höheren Temperatur führen kann als im zweiten Fall.
In einem oder mehreren Beispielen behält das Steuermodul 238 eine laufende Zählung der Verweilzeit der SCR-Vorrichtung 220 bei den vorgegebenen Temperaturfenstern bei. In einem oder mehreren Beispielen wird, wenn die bei einem bestimmten Temperaturfenster verbrachte Zeit mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird, diesem Temperaturfenster zugeordnet, wie bei 724 dargestellt. So beträgt beispielsweise ein erster vorbestimmter Schwellenwert eines ersten Temperaturfensters 30 Minuten, ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert eines zweiten Temperaturfensters 25 Minuten, ein dritter vorbestimmter Schwellenwert eines dritten Temperaturfensters 15 Minuten und so weiter. In diesem Anwendungsbeispiel beeinflusst die Zeit, die bei einer niedrigeren Temperatur verbracht wird, den Alterungsfaktor ähnlich wie bei einer höheren Temperatur, da sich der SCR-Katalysator bei einer höheren Temperatur schneller verschlechtern kann. Da die Temperaturfenster konfigurierbar sind, können die Gewichtungsfaktoren je nach Anwendung, Fahrzeug, SCR-Vorrichtung, SCR-Katalysator oder anderen Faktoren variiert werden. Es ist anzumerken, dass die vorgenannten Werte für die vorgegebenen Schwellenwerte der aufgewendeten Zeit Beispiele sind und dass in anderen Implementierungen andere Werte verwendet werden können.
Das Steuermodul 238 überwacht und erhöht die in jedem Temperaturfenster verbrachte Zeit basierend auf den Temperaturwerten der SCR-Vorrichtung 220, bis einer der vorgegebenen Schwellenwerte für ein entsprechendes Temperaturfenster erreicht oder überschritten wird, wie bei 724 und 722 dargestellt. Wenn der Schwellenwert erreicht oder überschritten wird, wird der SCR-Alterungsfaktor der SCR-Vorrichtung 220 erhöht, wie bei 726 dargestellt. So wird beispielsweise der Alterungsfaktor um einen vorgegebenen Wert wie 1, 0,1 oder einen anderen vorgegebenen Wert erhöht.
Der Alterungsmodulator 520 greift während der Modulation des Speicherniveaureglers 440 auf den SCR-Alterungsfaktor zu, wie bei 730 dargestellt. In einem oder mehreren Beispielen empfängt der Alterungsmodulator 520 den Alterungsfaktor vom Steuermodul 238 oder einem anderen Modul des Steuermoduls 238. Alternativ oder zusätzlich greift der Alterungsmodulator 520 von einer Speichervorrichtung des Steuermoduls 238 auf den Alterungsfaktor zu. Der Alterungsmodulator 520 bestimmt weiterhin den Alterungsmodulationsfaktor 525 basierend auf dem SCR-Alterungsfaktor, wie bei 740 dargestellt. Der Alterungsmodulator 520 verwendet beispielsweise eine Nachschlagetabelle (hierin beschrieben), um einen vorgegebenen Wert für den Alterungsmodulationsfaktor 525 basierend auf dem SCR-Alterungsfaktor zu bestimmen. In einem oder mehreren Beispielen interpoliert der Alterungsmodulator 520 die Werte aus der Nachschlagetabelle, um den Alterungsmodulationsfaktor 525 basierend auf dem SCR-Alterungsfaktor zu bestimmen, wenn der SCR-Alterungsfaktor nicht mit einem der vorgegebenen Werte in der Nachschlagetabelle übereinstimmt.
Weiterhin wird der Ausgang des Speicherniveaureglers 440 mit dem Alterungsmodulationsfaktor multipliziert, wie bei 750 dargestellt. Wenn neben dem Temperatur- und Eingangs-NOx-Modulator 510 der Alterungsfaktor-Modulator 520 verwendet wird, wird der Ausgang des Speicherniveaureglers 440 mit dem Temperaturmodulationsfaktor 515 und dem Alterungsmodulationsfaktor 525 multipliziert. In diesen Fällen kann die Reglerverstärkung 535 als -
Reglerverstärkung = Proportionalverstärkung
X Temperaturmodulationsfaktor (Eingang = SCR-Temperatur, SCR-Eingang NOx)
X Alterungsmodulationsfaktor (Eingang = Alterungsfaktor) ausgedrückt werden.
Es ist anzumerken, dass in einem oder mehreren Beispielen nur einer der Temperatur- und Eingangs-NOx-Modulatoren 510 und 520 verwendet wird.
5B zeigt ein Blockdiagramm eines oder mehrerer Modulatoren, das die vom Speicherniveauregler 440 erzeugte Proportionalverstärkung 420 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen verbessert. So bildet beispielsweise 5B den Temperaturmodulator 510 ab, der den Temperaturmodulationsfaktor 515 erzeugt, den Alterungsmodulator 520, der den Alterungsmodulationsfaktor 525 erzeugt, und zusätzlich einen Eingangs-NOx-Modulator 550, der einen Eingangs-NOx-Modulationsfaktor 555 erzeugt, der ein dritter Modulationsfaktor ist. Die Modulationsfaktoren 515, 525 und 555 werden mit der Proportionalverstärkung 420 multipliziert, die der Speicherniveauregler 440 berechnet, um die Reglerverstärkung 535 zu erzeugen. In diesem Fall bestimmt der Temperaturmodulator 510 anstelle des Temperaturmodulationsfaktors 515 basierend auf der stromaufwärtigen Temperatur 512 und dem NOx 514 den Temperaturmodulationsfaktor 515 basierend auf der stromaufwärtigen Temperatur 512 und der NH3-Speicherabweichung 410. Die stromaufwärtige NOx-Konzentration 514 wird weiterhin in Verbindung mit der NH3-Speicherabweichung 410 zum Bestimmen des Eingangs-NOx-Modulationsfaktors verwendet. Ähnlich wie im Beispiel von 5A bestimmt der Alterungsmodulator 520 den Alterungsmodulationsfaktor 525 basierend auf dem SCR-Alterungsfaktor 522 und der NH3-Speicherabweichung 410.
Tabelle 4 zeigt eine exemplarische Nachschlagetabellenstruktur für den Temperaturmodulator 510, den Alterungsmodulator 520 und den Eingangs-NOx-Modulator 550 zum Bestimmen der jeweiligen Modulationsfaktoren basierend auf den Eingangssignalen. Es ist anzumerken, dass in einem oder mehreren Beispielen die technischen Lösungen mehrere Tabellen für jeden einzelnen Faktor verwenden, die Tabellen mit der dargestellten Struktur verwenden. Basierend auf der NH3-Speicherabweichung 410 und dem entsprechenden Eingang bestimmen der Temperaturmodulator 510, der Alterungsmodulator 520 und der Eingangs-NOx-Modulator 550 den entsprechenden Modulatorfaktor, der anschließend zum Skalieren der Reglerverstärkung 420 verwendet wird.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 800 zum Skalieren der Reglerverstärkung mit einem Eingangs-NOx-Modulationsfaktors 555 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. In einem oder mehreren Beispielen implementiert der Eingangs-NOx-Modulator 550 das Verfahren zum Bestimmen des Eingangs-NOx-Modulationsfaktors 555. Das Verfahren beinhaltet das Empfangen einer Eingangs-NOx-Konzentrationsmessung, wie bei 810 dargestellt. Die NOx-Konzentrationsmessung basiert auf einem NOx-Signal des stromaufwärtigen NOx-Sensors 242'. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Bestimmen des Eingangs-NOx-Modulationsfaktors 555, zum Beispiel unter Verwendung einer Nachschlagetabelle, wie in Tabelle 4 dargestellt, wie bei 820 dargestellt. So verwendet beispielsweise der Eingangs-NOx-Modulator 550 die NH3-Speicherabweichung 410 und die stromaufwärtige NOx-Messung zum Bestimmen des Eingangs-NOx-Modulationsfaktors 555. Das Verfahren beinhaltet weiterhin die Multiplikation des Reglerausgangs 420 mit dem NOx-Modulationsfaktor 555, wie bei 830 dargestellt.
Wird zusätzlich zum Temperaturmodulator 510 der Eingangs-NOx-Modulator 550 und der Alterungsmodulator 520 verwendet, wird der Ausgang des Speicherniveaureglers 440 mit dem Temperaturmodulationsfaktor 515, dem Alterungsmodulationsfaktor 525 und dem Eingangs-NOx-Modulationsfaktor 555 multipliziert. In diesen Fällen kann die Reglerverstärkung 535 als -
Reglerverstärkung = Proportionalverstärkung
X Temperaturmodulationsfaktor (Eingang = SCR-Temperatur,)
X Alterungsmodulationsfaktor (Eingang = Alterungsfaktor) ausgedrückt werden
X Eingangs-NOx-Modulationsfaktor (Eingang = SCR-Eingang NOx).
Es ist anzumerken, dass in einem oder mehreren Beispielen nur einer der Temperatur- und Eingangs-NOx-Modulatoren 510 und 520 verwendet wird.
Die hier beschriebenen technischen Lösungen erleichtern Verbesserungen von Emissionskontrollsystemen, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, wie sie in Fahrzeugen verwendet werden. Die technischen Lösungen bestimmen beispielsweise Anpassungsfaktoren zum Optimieren des Ansprechverhaltens des Speicherniveaureglers bei unterschiedlichen Motorbetriebsbedingungen und berücksichtigen das Alter des SCR-Katalysators. Die technischen Lösungen ermöglichen es dem Emissionssteuerungssystem, den Verbrennungsmotor in Übereinstimmung mit unterschiedlichen Anforderungen zu erhalten, indem das Emissionssteuerungssystem in Bezug auf eine oder mehrere Betriebsbedingungen der SCR-Vorrichtung, wie beispielsweise Temperatur, NOx-Konzentration und Alter der SCR-Vorrichtung/des Katalysators, konfiguriert werden kann.
Im Allgemeinen ist der Speicherreglerausgang (Verstärkungsbegriff) eine Funktion des Abgasmassenstroms (Surrogat für die Raumgeschwindigkeit des SCR-Katalysators) und des Speicherfehlers. Die NH3-Speicherkapazität des SCR-Katalysators ist jedoch abhängig von der Temperatur und dem Alter des Katalysators. Der SCR-Katalysator verzeiht eine zu hohe Speicher- oder Unterspeicherungsbedingung, wenn er neu ist und eine maximale Effizienztemperatur (250-350 Grad Celsius) aufweist, während die NOx-Emission im Endrohr auf einem akzeptablen Niveau gehalten wird. Da jedoch die SCR-Vorrichtung altert und/oder wenn die SCR-Vorrichtung bei Temperaturen außerhalb der Spitzeneffizienz betrieben wird, weist der Katalysator eine geringere Toleranz gegenüber einem überreaktiven Speicherregler auf. Abgesehen von Temperatur und Alter unterliegt der SCR-Katalysator unterschiedlichen NOx-Eingängen, die sich auf seine Fähigkeit auswirken, eingehendes DEF (Reduktionsmittel) abzubauen. Bei einem höheren eingehenden NOx-Gehalt verfügt der Katalysator über die Fähigkeit, mehr DEF aus einem aggressiven Speicherreglerausgang zu verbrauchen. Eine Speicherabweichung von +0,1g NH3 kann beispielsweise durch eine 6%ige Speichersollwerteinstellung des Speicherniveaureglers für eine neue SCR-Vorrichtung bei 250 °C verursacht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die gleiche Abweichung von +0,1g NH3 durch eine 10%ige Speichersollwerteinstellung des Speicherniveaureglers für eine neue SCR-Vorrichtung bei 350 °C hervorgerufen werden. Weiterhin kann die gleiche +0,1g NH3-Speicherabweichung durch eine 15%ige Einstellung des Speichersollwerts durch den Speicherniveauregler für ein gealtertes System bei 350 °C verursacht werden. Die Speicherabweichung von +0,1g sollte daher in diesen drei Situationen, die ein typischer Speicherniveauregler nicht abdeckt, zu einer unterschiedlichen Reaktion des Dosierreglers führen.
Die hierin beschriebenen technischen Lösungen behandeln diese technischen Herausforderungen mit dem Abgassystem und insbesondere der SCR-Vorrichtung, durch Berücksichtigen derartiger Schwankungen im Katalysatorverhalten bei Temperatur, einströmendem NOx, Alterung und Modulation des Speicherverhaltens. Die Modulation beinhaltet beispielsweise das Anpassen des Verstärkungsbegriffs des Speicherreglers an (1) die Temperatur (2) die thermische Alterung (3) des eintreffenden NOx und damit die Flexibilität, das Ansprechverhalten des Reglers unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu optimieren, sowie die Optimierung der Abgasemission für einen Verbrennungsmotor.
Während die obige Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, aber alle Ausführungsformen beinhaltet, die in deren Umfang fallen.

Claims

Emissionssteuerungssystem zum Behandeln von Abgas in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, das Emissionssteuerungssystem umfassend: eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR); einen NOx-Sensor; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Reduktionsmitteldosierung in der SCR-Vorrichtung zu steuern durch: Berechnen einer Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einem chemischen Modell der SCR-Vorrichtung; Bestimmen eines Temperaturmodulationsfaktors basierend auf einer Einlasstemperatur der SCR-Vorrichtung; Anpassen der Reduktionsmitteldosierrate durch Skalieren der Reduktionsmitteldosierrate durch den Temperaturmodulationsfaktor; und Veranlassen einer Reduktionsmittelmenge, die entsprechend der angepassten Reduktionsmitteldosierrate in die SCR-Vorrichtung eingespritzt wird.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einer Rate des Abgases, das in die SCR-Vorrichtung eingebracht wird, und einer Differenz des Reduktionsmittels, das in einem SCR-Katalysator der SCR-Vorrichtung gespeichert ist, und einer vorhergesagten Menge des Reduktionsmittels, die in dem SCR-Katalysator gespeichert ist, berechnet.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin das Bestimmen des Temperaturmodulationsfaktors den Zugriff auf eine der Einlasstemperatur entsprechende Nachschlagetabelle umfasst.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin das Bestimmen des Temperaturmodulationsfaktors weiterhin basierend auf einer NOx-Einlasskonzentration im Abgas, die der SCR-Vorrichtung zugeführt wird, erfolgt.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 4, worin der Temperaturmodulationsfaktor durch Zugriff auf eine Nachschlagetabelle basierend auf der Einlasstemperatur und der Einlass-NOx-Konzentration bestimmt wird.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Regelung der Reduktionsmitteldosierung in der SCR-Vorrichtung weiterhin Folgendes umfasst: Bestimmen eines Alterungsmodulationsfaktors für die SCR-Vorrichtung; und Anpassen der Reduktionsmitteldosierrate durch Skalieren der Reduktionsmitteldosierrate über den Alterungsfaktor.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 6, worin der Alterungsmodulationsfaktor durch Überwachen der temperaturgewichteten Zeit der SCR-Vorrichtung bestimmt wird.
Abgassystem zum Behandeln von Abgas, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, konfiguriert zum Durchführen einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Abgas, das Abgassystem umfassend: eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Reduktionsmitteldosierung für das SCR zu steuern, durch: Berechnen einer Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einem chemischen Modell des SCR; Bestimmen eines Temperaturmodulationsfaktors basierend auf der Einlasstemperatur des Abgaseingangs für das SCR; Anpassen der Reduktionsmitteldosierrate durch Skalieren der Reduktionsmitteldosierrate durch den Temperaturmodulationsfaktor; und Veranlassen einer Reduktionsmittelmenge, die entsprechend der angepassten Reduktionsmitteldosierrate in den SCR-Katalysator eingespritzt wird.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 8, worin die Reduktionsmitteldosierrate basierend auf einer Rate von Abgasen, die in den SCR-Katalysator eingebracht werden, und einer Differenz des Reduktionsmittels, das in dem SCR-Katalysator gespeichert ist, und einer vorhergesagten Menge des Reduktionsmittels, die in dem SCR-Katalysator gespeichert ist, berechnet wird.
Abgassteuerungssystem nach Anspruch 8, worin das Bestimmen des Temperaturmodulationsfaktors den Zugriff auf eine der Einlasstemperatur entsprechende Nachschlagetabelle umfasst.