DE102018119047B4

DE102018119047B4 - Verfahren zur bestimmung der russbeladung in einer partikelfiltervorrichtung mit selektiver katalytischer reduktion

Info

Publication number: DE102018119047B4
Application number: DE102018119047.6A
Authority: DE
Inventors: Jianwen Li; Rahul Mital
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2038-08-07
Also published as: DE102018119047A1; US10760464B2; CN109386357B; CN109386357A; US20190040783A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Rußbeladung in einer Partikelfiltervorrichtung mit selektiver katalytischer Reduktion (SCRF) (26), die von einem Abgasnachbehandlungssystem (10) eines Verbrennungsmotors (ICE) (12) verwendet wird, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (10) einen ICE (12) beinhaltet, der konfiguriert ist, um Abgas (15) mit der SCRF (26) zu verbinden, und wobei die SCRF (26) ein poröses Filtersubstrat (23) und eine katalytische Zusammensetzung umfasst, die in der Lage ist, darauf aufgebrachte NOx-Spezies zu reduzieren, wobei das Verfahren umfasst:Bestimmen einer SCRF-Druckdifferenz (dP); undBestimmen einer SCRF-Rußbeladung mit:einer 1. SCRF-dP-Karte, wenn ein Schwellenwert für die Filterregeneration nicht erreicht wird und ein kumulativer Zeit- und Temperaturschwellenwert für die Entgrünung nicht erreicht wird;einer 2. SCRF-dP-Karte, wenn mindestens ein Zählschwellenwert für die Filterregeneration oder ein kumulativer Zeit- und Temperaturschwellenwertfür die Entgrünung erreicht wird;wobei der kumulative Zeit- und Temperaturschwellenwert eine Zeit-Temperatur-Karte umfasst, wobei die jeweiligen Zeit- und Temperaturgrößen einer Vielzahl von Zeit- und Temperaturschwellenwerten invers variieren;wobei ein Einleiten (140) einer Filterregeneration erfolgt, wenn die ermittelte Rußbeladung des SCRF (26) über einem Rußbeladungsschwellenwert liegt.

Description

EINLEITUNG
Während eines Verbrennungszyklus eines Verbrennungsmotors (ICE - Internal Combustion Engine) werden Luft-/Kraftstoffgemische für Zylinder des ICE bereitgestellt. Die Luft-/Kraftstoffgemische werden komprimiert und/oder gezündet und verbrannt, um ein Abtriebsdrehmoment bereitzustellen. Nach der Verbrennung drängen die Kolben des Verbrennungsmotors die Abgase in den Zylindern durch Auslassventilöffnungen in ein Abgassystem. Das Abgas, das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickstoffoxide (NO_x) und Schwefeloxide (SOx) sowie kondensierte kohlenstoffhaltige Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe), die Ruß bilden. Flüssigkeiten können beispielsweise Wasser und Kohlenwasserstoffe beinhalten.
Abgasbehandlungssysteme können Katalysatoren in einer oder mehreren Komponenten einsetzen, die so konfiguriert sind, dass sie ein Nachbehandlungsverfahren, wie die Reduktion von NO_x, durchführen, um tolerierbarere Abgasbestandteile von Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) zu erzeugen. Eine Art von Abgasbehandlungstechnologie zur Reduktion von NO_x-Emissionen ist eine Vorrichtung mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR), die im Allgemeinen ein Substrat oder einen Träger mit einer darauf angeordneten Katalysatorverbindung beinhaltet. Durch Leiten des Abgases über den Katalysator werden bestimmte oder alle Abgasbestandteile in gewünschte Verbindungen, wie z. B. nicht regulierte Abgaskomponenten, umgewandelt. Ein Reduktionsmittel wird typischerweise in heiße Abgase stromaufwärts des SCR gesprüht, in Ammoniak zersetzt und von der SCR-Vorrichtung absorbiert. Der Ammoniak reduziert dann NO_x zu Stickstoff und Wasser bei Vorhandensein des SCR-Katalysators. Eine selektive katalytische Reduktionsfiltervorrichtung beinhaltet die auf ein poröses Filtersubstrat aufgebrachte SCR-Katalysatorzusammensetzung. Ruß, der sich in einer SCRF ansammelt, kann periodisch oxidiert, verbrannt oder anderweitig bei Hochtemperatur-Regenerationsereignissen entfernt werden.
DE 10 2014 108 243 A1 offenbart ein System zum Anpassen eines Korrekturkennfeldes für einen sauberen Filter für eine Filtervorrichtung mit selektiver katalytischer Reduktion (SCRF) eines Abgasnachbehandlungssystems. Das System, das Abgas von einem Motor empfängt, umfasst einen ersten Drucksensor und einen zweiten Drucksensor. Ein Differenzdruckmodul steht in Kommunikation mit dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor und erzeugt ein Deltadrucksignal, das einem Druckabfall zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor entspricht. Das System weist einen Controller auf, der eine Anzahl vollständiger Regenerationsereignisse der SCRF ermittelt, die Anzahl vollständiger Regenerationsereignisse mit einem Bewertungselement vergleicht und ein Anpassmodul einschaltet, indem eine aus einer ersten Steueraktion, einer zweiten Steueraktion und einer dritten Steueraktion ausgeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung einer Rußbeladung zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine Leistung und Langlebigkeit einer Filtervorrichtung mit selektiver katalytischer Reduktion dadurch zu verbessern, dass unnötige Filterregenerationen minimiert oder vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Figurenliste

1 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Abgasbehandlungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines Filtersubstrats gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
3 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern und/oder Überwachen eines Abgasbehandlungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Allgemeinen bezieht sich diese Offenbarung auf das Steuern und Überwachen von NO_x Speicher- und/oder Behandlungsmaterialien, -vorrichtungen, und -systeme. Insbesondere betrifft diese Offenbarung ein Verfahren zum Überwachen und Steuern von Vorrichtungen zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), wobei die SCR-Vorrichtungen konfiguriert sind, um Abgasströme von einer Abgasquelle zu empfangen. Hierin sind Verfahren zum Überwachen der Rußansammlung in einem SCRF und zum Einleiten der Rußbeseitigung vorgesehen. Abgaspartikel sind im Allgemeinen kohlenstoffhaltiger Ruß und andere feste und/oder flüssige kohlenstoffhaltige Spezies, die für ICE-Abgase relevant sind oder sich in einem Abgasbehandlungssystem bilden. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NO_X“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NO_x-Spezies können N_yO_x-Spezies beinhalten, worin y>0 und x>0. Nicht beschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO₂, N2O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄ und N₂O₅ beinhalten.
In einigen Ausführungsformen kann die Abgasströme erzeugende Abgasquelle ein Verbrennungsmotor (ICE) sein. Die hierin beschriebenen Verfahren beziehen sich auf ICE-Systeme, die unter anderem auch Dieselmotorsysteme, Benzin-Direkteinspritzsysteme, und homogene Ladungs-Selbstzündermotorsysteme einschließen können, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein ICE kann eine Vielzahl von an einer Kurbelwelle angebrachten Hubkolben beinhalten, die betriebsmäßig an ein Antriebssystem angebracht sein können, wie einem Fahrzeugantriebssystem, um ein Fahrzeug anzutreiben (z. B. um Traktionsdrehmoment an das Antriebssystem abzugeben). Ein ICE kann beispielsweise jede Motorkonfiguration oder -anwendung sein, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. in Automobilen, Wasserfahrzeugen 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 gilt.
Darüber hinaus kann ein ICE im Allgemeinen jede Vorrichtung darstellen, die in der Lage ist, einen Abgasstrom zu erzeugen, der gasförmige (z. B. NO_x, O₂) und/oder Rußspezies umfasst, und die Offenbarung hierin sollte dementsprechend als auf alle diese 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 Ruß enthalten.
1 veranschaulicht ein Abgasnachbehandlungssystem 10 zur Behandlung und/oder Überwachung der Bestandteile des Abgases 15 aus einem ICE 12. Das System 10 beinhaltet im Allgemeinen eine oder mehrere Abgasleitungen 14 sowie eine oder mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen. Die Abgasleitung 14, die mehrere Segmente umfassen kann, befördert Abgas 15 vom ICE-Motor 12 an verschiedene Abgasnachbehandlungsvorrichtungen des Abgasnachbehandlungssystems 10. In einigen exemplarischen Ausführungsformen kann das Abgas 15 NO_x-Spezies umfassen.
Wie in der Ausführungsform veranschaulicht, umfasst das System 10 SCRF 26. Im Allgemeinen beinhaltet das SCRF 26 alle Vorrichtungen, die Filterkomponenten zum Entfernen von Ruß aus dem Abgas 15 und katalytische Komponenten zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) in Kombination mit Reduktionsmittel 36 zum Umwandeln von NO_x-Spezies (z.B. NO und NO₂) in harmlose Komponenten einsetzen. Stromaufwärts und stromabwärts wird bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases 15 aus dem ICE 12 definiert. Wie in 1 dargestellt, beinhaltet das SCRF 26 eine stromaufwärts gerichtete Seite 26' und eine stromabwärts gerichtete Seite 26". Das SCRF 26 ist konfiguriert, um das Reduktionsmittel zu empfangen, wie etwa bei variablen Dosierungsraten. Ein Reduktionsmittel 36 kann von einer Reduktionsmittel-Zufuhrquelle (nicht dargestellt) zugeführt und in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts des SCRF 26 unter Verwendung einer Einspritzdüse 46 oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Zufuhr eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel 36 kann in Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung, wie einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen. Das Reduktionsmittel 36 kann mit Luft in der Einspritzdüse 46 gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprays zu unterstützen. Ein Turbulator 48 (d. h. ein Mischer) kann auch innerhalb der Abgasleitung 14 in unmittelbarer Nähe der Einspritzdüse 46 und /oder des SCRF 26 angeordnet sein, um das gründliche Mischen des Reduktionsmittels 36 mit dem Abgas 15 und/oder sogar die Verteilung über das gesamte SCRF 26 weiter zu unterstützen.
Das System 10 kann darüber hinaus wahlweise eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC) 20 beinhalten. Die OC 20 kann verwendet werden, um NO_x und andere im Abgas 15 vorliegende Spezies zu oxidieren. In einigen Ausführungsformen kann ein OC, wie eine Diesel-Oxidationskatalysatorvorrichtung (DOC), stromaufwärts des SCRF 26 positioniert werden, um NO in NO₂ zur bevorzugten Behandlung im SCRF 26 umzuwandeln. In manchen Ausführungsformen kann beispielsweise die OC 20 verwendet werden, um NO in NO₂ umzuwandeln, um das Abgas NO:NO₂-Verhältnis für das stromabwärts gelegene SCRF 26, das im Allgemeinen mit Abgasströmen mit einem NO:NO₂-Verhältnis von etwa 1: 1 effizienter arbeiten, zu optimieren. Die OC 20-Vorrichtung kann ggf. zusätzlich oder alternativ verschiedene regulierte Abgasbestandteile durch Oxidation zu anderen regulierten oder unregulierten Abgasbestandteilen umwandeln. Zum Beispiel kann das OC 20 konfiguriert sein, um Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlendioxid CO₂ und Wasser (H₂O) zu oxidieren, Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO₂) umzuwandeln und Schwefeldioxid (SO₂) zu Schwefeltrioxid (SO₃) und/oder Schwefelsäure (H₂SO₄) umzuwandeln. Einige Beispiele für HC-Oxidationen sind die Oxidation von Aldehyden, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen oder nichtflüchtigen unverbrannten Kohlenwasserstoffen und unverbranntem Kraftstoff. Wenn brennbare Spezies, insbesondere HC-Spezies innerhalb des OC 20 vorhanden sind, kann die Oxidation die Verbrennung umfassen. Ferner können die Reaktionen in der OC 20-Vorrichtung verwendet werden, um den Geruch bestimmter Emissionskomponenten zu reduzieren.
OC 20 beinhaltet eine oder mehrere katalytische Zusammensetzungen, um die Oxidation einer oder mehrerer NOx-Spezies, CO und HC-Spezies zu erleichtern. Die Katalysatorzusammensetzungen können ein oder mehrere Platingruppenmetalle, einschließlich Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder sonstige Metalloxidkatalysatoren, wie etwa Perovksite, Ruthenium (Ru), Ostmedium (Os), Iridium (Ir), oder Kombinationen derselben. Die OC 20-Vorrichtung kann beispielsweise ggf. ein Durchfluss-Metall- oder Keramik-Monolith-Substrat umfassen, das in einer Edelstahlhülle oder einem Behälter mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 14 verpackt werden kann. Die OC-Katalysatorverbindung kann auf einem oder mehreren aus dem Substrat und Kanister angeordnet sein. Die Oxidations-Katalysatorverbindung kann in einigen Ausführungsformen auf das Substrat und/oder den Kanister als Washcoat aufgetragen werden.
Das System 10 kann weiterhin ein Steuermodul 50 beinhalten, das über eine Anzahl an Sensoren betriebsfähig verbunden ist, um den ICE 12 und/oder das Abgasbehandlungssystem 10 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. Das Steuermodul 50 kann betriebsmäßig mit dem ICE 12, des SCRF 26, und/oder einen oder mehreren Sensoren verbunden werden. Wie dargestellt, befindet sich das Steuermodul 50 in Verbindung mit dem stromaufwärts vom SCRF 26 angeordneten Drucksensor 52 und dem stromabwärts vom SCRF 26 angeordneten Drucksensor 54, die jeweils in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 14 stehen. Der stromaufwärts gerichtete Drucksensor 52 und der stromabwärts gerichtete Drucksensor können verwendet werden, um eine Druckdifferenz (dP) über dem SCRF 26 zu bestimmen, obwohl die dP des SCRF 26 mit anderen Mitteln, einschließlich Mess- und Modellierungsmitteln, bestimmt werden kann. Das Modul 50 kann beispielsweise die dP des SCRF 26 durch Subtrahieren eines vom stromaufwärts liegenden Drucksensor 52 erzeugten Drucksignals von einem vom stromaufwärts liegenden Drucksensor 54 erzeugten Drucksignal bestimmen. Das Steuermodul 50 kann wahlweise mit einem oder mehreren Temperatursensoren, Massenflusssensoren, Volumenstromsensoren und NOx-Sensoren verbunden sein (nicht dargestellt). Ein oder mehrere Temperatursensoren können beispielsweise zusätzlich oder alternativ angeordnet werden, um die Temperatur der katalytischen Kompositionen des SCRF 26 direkt zu messen.
Das SCRF 26 beinhaltet ein in 2 dargestelltes Filtersubstrat 23, das unter anderem konfiguriert ist, um das Abgas 15 von Ruß zu filtern. Das Filtersubstrat 23 kann ein keramischer SiC-Wandströmungsmonolithfilter sein, der in einem Mantel oder einem Behälter verpackt sein kann, der einen Einlass und einen Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 14 aufweist. Der Mantel oder Behälter kann idealerweise einen gegenüber den Abgasbestandteilen, wie z. B. Edelstahl, weitgehend inerten Werkstoff beinhalten. Es wird durchaus gesehen, dass der Keramik- oder SiC-Wandströmungsmonolithfilter lediglich exemplarisch ist und dass das Filtersubstrat 23 verschiedene andere physikalische Konfigurationen beinhalten kann. So kann beispielsweise das Filtersubstrat 23 einen Keramikziegel, eine Plattenstruktur oder eine monolithische Wabenstruktur umfassen. In dem dargestellten Beispiel umfasst Filtersubstrat 23 eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Durchgängen 24 und 25, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände definiert sind. Die Durchgänge beinhalten eine Untergruppe von Einlasskanälen 24, die über ein offenes Einlassende und ein geschlossenes Auslassende verfügen, sowie eine Untergruppe von Auslasskanälen 25, die über ein geschlossenes Einlassende und ein offenes Auslassende verfügen. Das durch die Einlassenden der Einlasskanäle 24 in den Filter 23 eintretende Abgas 15 wird gezwungen, durch die angrenzenden längsverlaufenden Wände in die Auslasskanäle 25 überzugehen. Durch diesen Wandströmungsmechanismus wird der Ruß aus dem Abgas 15 gefiltert.
Das Filtersubstrat 23 kann aus einem Material ausgebildet sein, das den Temperaturen und der chemischen Umgebung, die mit dem Abgas 15 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 zum Beispiel ein nichtsulfatierendes TiO₂ -Material umfassen. Das Filtersubstrat 23 weist eine hohe Porosität auf. Die Porosität bezieht sich auf den Anteil der Hohlräume in einem Material im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Materials. In einigen Ausführungsformen weist Filtersubstrat 23 eine Porosität von mindestens etwa 52 %, mindestens etwa 55 % oder mindestens etwa 60 % auf. In einigen Ausführungsformen weist Filtersubstrat 23 eine Porosität von etwa 55 % bis etwa 75 % auf. In einer Ausführungsform weist das Filtersubstrat 23 eine Porosität von etwa 60 % bis etwa 65 % auf. Das Filtersubstrat 23 kann einen durchschnittlichen Porendurchmesser von etwa 10 Mikrometer bis etwa 30 Mikrometer oder etwa 12 Mikrometer bis etwa 28 Mikrometer umfassen. In einer Ausführungsform umfasst das Filtersubstrat 23 einen durchschnittlichen Porendurchmesser von etwa 19 Mikrometern bis etwa 24 Mikrometern.
Die katalytische Zusammensetzung des SCRF 26 kann auf das Filtersubstrat aufgebracht werden. Die hohe Porosität des Filtersubstrats 23 kann die Porosität auch nach dem Aufbringen der katalytischen Zusammensetzung des SCRF 26 gewährleisten. Zum Beispiel kann ein SCRF 26 ein Filtersubstrat 23 beinhalten, das in einen eine SCR-Katalysatorkomponente enthaltenden Washcoat getaucht wird. Die katalytische Komponente kann als Washcoat auf die Innenwände der Einlasskanäle 24 des Filters, die Auslasskanäle 25 des Filters oder auf beide aufgebracht werden. Im Allgemeinen kann der Washcoat in einer Menge von ca. 60g bis ca. 180g pro Liter des Volumens des SCRF 26 volumetrisch aufgebracht werden. In einigen Ausführungen kann der Washcoat in einer Dicke von ca. 15 µm bis ca. 50 µm aufgebracht werden. Während des Betriebs sammelt das SCRF 26 innerhalb des Durchgangs 24 und wahlweise innerhalb des Durchgangs 25 Ruß an, und das Reduktionsmittel 36 wird im Allgemeinen durch Adsorption und/oder Aufnahme auf der katalytischen Komponente angeordnet, um mit dem Abgas 15 zusammenzuwirken. Es versteht sich, dass die Beschreibung der SCRF-Vorrichtung 26 nicht dazu gedacht ist, die Definition eines SCRF 26 zu beschränken und die Verwendung verschiedener zusätzlicher oder alternativer Konstruktionen des SCRF 26 in Verbindung mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen auszuschließen.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung 26 ist im Allgemeinen ein poröses Material mit großer Oberfläche, das effizient arbeiten kann, um NOx Bestandteile im Abgas 15 bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels 36, 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 derselben, 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. Geeignete katalytische SCRF-Zusammensetzungen können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, die geeignet ist, den nachstehend beschriebenen Regenerationstechniken des SCRF 26 bei hohen Temperaturen zu widerstehen.
Die SCRF-Katalysatorzusammensetzung kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren umfassen, um die SO₃-Bildung weiter zu verringern und die Standzeit des Katalysators zu verlängern. Basische Metalloxide eignen sich besonders für SCR-Vorrichtungen mit Vanadia-Katalysatoren. 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.
Das SCRF 26 verwendet im Allgemeinen ein Reduktionsmittel 36, um NOx-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 36 kann Ammoniak (NH₃) sein, wie beispielsweise 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 36 jede Zusammensetzung sein, die in der Lage ist, sich bei Vorhandensein von Abgas 15 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, das SCRF 26 auf einen bestimmten NO_x-Reduktionsmechanismus oder NO_x-Reduktionsmechanismen zu begrenzen, noch den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Das SCRF 26 kann so konfiguriert sein, dass sie eine der oben genannten NO_x-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der vorstehenden NO_x-Reduktionsreaktionen und andere NO_x-Reduktionsreaktionen ausführt.
Das Reduktionsmittel 36 kann in verschiedenen Implementierungen mit Wasser verdünnt werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 36 mit Wasser verdünnt wird, verdampft die Wärme (z. B. aus dem Abgas) das Wasser, und Ammoniak wird das SCRF 26 zugeführt. Nicht-Ammoniak-Reduktionsmittel können wie gewünscht als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 36 Harnstoff beinhaltet, reagiert der Harnstoff mit dem Abgas, um Ammoniak zu erzeugen, und Ammoniak wird dem SCRF 26 zugeführt. Die nachfolgende Reaktion (6) stellt eine exemplarische chemische Reaktion der Ammoniakproduktion durch Harnstoffzersetzung bereit. CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₂+CO₂ (6)
Es versteht sich, dass die Gleichung (6) lediglich veranschaulichend, und nicht dazu gedacht ist, die Zersetzung von Harnstoff oder eines anderen Reduktionsmittels 36 auf einen bestimmten einzigen Mechanismus zu beschränken und den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen.
Wenn das SCRF 26 mit Ruß verstopft ist, kann der Ruß mit Hochtemperatur-Filterregenerationsstrategien (z. B. Rußverbrennung) beseitigt werden. Eine oder mehrere Regenerationsstrategien können beispielsweise durch das Modul 50 implementiert und/oder optimiert werden. Regenerationsstrategien können die Temperatur des Abgases 15 und/oder des Filtersubstrats 23 so erhöhen, dass Ruß oxidiert, verbrannt oder anderweitig von SCRF 26 befreit wird. Eine Erhöhung der Temperatur des Abgases 15 und/oder des Filtersubstrats 23 durch eine oder mehrere ICE-12-Kalibrierungen zum Implementieren einer Nacheinspritzstrategie, unter Verwendung eines elektrisch beheizbaren Katalysators (EHC) (nicht dargestellt), unter Verwendung einer elektrischen Heizung (nicht dargestellt) und unter Verwendung von OC 20, die vor dem SCRF in Kombination mit einer oder mehreren von einer Nacheinspritzstrategie und einer Hilfseinspritzstrategie Kohlenwasserstoffeinspritzstrategie angeordnet ist, erreicht werden. Es versteht sich, dass die vorstehenden Abgas-Heizstrategien 15 lediglich veranschaulichend sind und nicht dazu gedacht sind, die Verwendung oder Eignung anderer zusätzlicher oder alternativer Abgas-Heizstrategien 15 auszuschließen.
Nacheinspritzregenerationsstrategien können im Allgemeinen die Einspritzung von Kraftstoff in einen oder mehrere ICE-12-Zylinder beinhalten, nachdem ein erstes Luft-Kraftstoff-Gemisch in den bzw. die entsprechenden Zylinder eingeführt wurde, jedoch so, dass der nacheinspritzte Kraftstoff im Wesentlichen oder vollständig in dem bzw. den Zylinder(n) verbrannt wird. Durch Einführen von zusätzlichem Kraftstoff in den Zylinder(n) wird beim Nacheinspritzen dementsprechend zusätzliche Wärme an das aus dem Zylinder ausgestoßene Abgas 15 abgegeben, das im Anschluss daran, das Reinigen des SCRF 26 unterstützen kann. Regenerationsstrategien nach der Einspritzung manipulieren die Motorkalibrierung so, dass der in einen oder mehrere ICE-12-Zylinder eingespritzte Kraftstoff zumindest teilweise unverbrannt in das Abgassystem 10 ausgestoßen wird. Wenn der eingespritzte Kraftstoff den OC 20 berührt, wird die durch die Oxidation des Kraftstoffs freigesetzte Wärme an das Abgasbehandlungssystem 10 abgegeben. Auf ähnliche Weise hat eine Hilfseinspritzungsstrategie einen Einfluss auf den Kontakt zwischen unverbranntem Kraftstoff und dem OC 20 oder der gleichen katalytischen Vorrichtung, um dem Abgasbehandlungssystem 10 Wärme zuzuführen. Im Allgemeinen umfasst die Hilfseinspritzung das Zuführen von Kraftstoff oder HC in das Abgasbehandlungssystem 10 stromaufwärts vom OC 20 oder einer gleichen katalytischen Komponente, aber stromabwärts vom ICE 12. In einigen Ausführungsformen werden Kraftstoff oder Kohlenwasserstoffe der OC 20-Vorrichtung direkt zugeführt. In Post-Einspritzungs-, Nacheinspritzungs-, und Hilfseinspritzungsstrategien kann Kraftstoff zum Beispiel über einen Hilfs-Kraftstoffinjektor (nicht dargestellt) eingespritzt werden.
Eine optionale elektrische Heizung kann innerhalb des SCRF 26, vor dem SCRF 26 oder in unmittelbarer Nähe dazu angeordnet werden. Die elektrische Heizung kann an eine elektrische Quelle angeschlossen und von dieser gespeist werden (nicht dargestellt) und kann selektiv aktiviert werden, um das SCRF 26 oder umliegende Regionen zu beheizen. Die elektrische Heizung aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, das elektrisch leitfähig ist, wie z. B. dem gewickelten oder gestapelten Metallmonolith. Ein EHC umfasst ähnliche Aspekte der elektrischen Heizung und weist eine katalytische Zusammensetzung auf. Eine elektrische Heizung und/oder EHC kann zum Beispiel durch das Modul 50 selektiv gesteuert werden.
Rußansammlungen im SCRF 26 können die Leistung des SCRF 26, anderer Abgasbehandlungssysteme und Geräte, die zum Abgasbehandlungssystem 10 gehören (z. B. Turbolader), beeinträchtigen. Dementsprechend werden Filterregenerationen durchgeführt, um Ruß aus SCRF 26 zu verbrennen oder anderweitig zu entfernen. Die Rußbeladung kann mit einer dP des SCRF 26 korreliert werden, und eine Filterregeneration kann eingeleitet werden, wenn eine dP des SCRF 26 einen dP-Schwellenwert überschreitet. Eine dP des SCRF 26 kann beispielsweise unter Verwendung eines stromaufwärts gerichteten Drucksensors 52 und eines stromabwärts gerichteten Drucksensors 54 ermittelt werden. Ebenso kann eine dP des SCRF 26 mit einem SCRF 26 Rußbeladungswert korreliert werden, und eine Filterregeneration kann eingeleitet werden, wenn das Rußbeladungsgrad des SCRF 26 einen Rußbeladungsschwellenwert überschreitet. Die Rußbeladung kann beispielsweise als eine Masse oder eine Masse pro gegebenem Volumen (z. B. das durch das Filtersubstrat 23 des SCRF 26 und die katalytische Zusammensetzung definierte Volumen) dargestellt werden.
Bei der erstmaligen Verwendung in einem Abgassystem (z. B. System 10) kann die katalytische Zusammensetzung des SCRF 26 einem De-Greening bzw. einer Entgrünung unterzogen werden, wobei die Leistungsmerkmale des SCRF 26 verändert werden. Unter einer Entgrünung versteht man im Allgemeinen die erste physikalische und/oder chemische Hochtemperaturmodifikation (z. B. Sintern) eines Katalysators. Insbesondere ein entgrünter SCRF 26 weist unter gleichen Rußbeladungsbedingungen einen geringeren dP als ein „frischer“ SCRF 26 auf. Darüber hinaus stabilisieren sich die Leistungs- und/oder Betriebseigenschaften des SCRF 26 typischerweise nach der Entgrünung. Diese Effekte sind bei hochporösen Filtersubstraten 23, wie vorstehend beschrieben, besonders ausgeprägt. So kann beispielsweise der dP eines „frischen“ SCRF 26 mit 63% Porosität, Abmessungen von 184 mm rund und 151 mm lang und einer Washcoat-Beladung von 429 Gramm etwa 23 kPa bei einer Rußbeladung von 6g/L betragen, während der dP des entgrünten SCRF 26 etwa 11 kPa bei einer Rußbeladung von 6g/L betragen kann. Dementsprechend beziehen sich die hierin vorgestellten Systeme und Verfahren auf die Modifikation von Steuerungs- und Überwachungstechniken des Systems 10 zur Berücksichtigung der Entgrünung des SCRF 26.
3 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zum Steuern und/oder Überwachen eines Abgasbehandlungssystems (z. B. des Systems 10). Das Verfahren 100 kann insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen der Rußbeladung des SCRF 26 und ein Verfahren zum Regenerieren eines SCRF 26 umfassen. Das Verfahren 100 wird in Bezug auf das System 10 nur aus Gründen der Übersichtlichkeit beschrieben und soll nicht wie beschrieben auf die jeweilige Konfiguration des Systems 10 beschränkt werden. Das Verfahren 100 kann die Leistung und Langlebigkeit des SCRF 26 verbessern, insbesondere durch das Vermeiden oder Minimieren von unnötigen Filterregenerationen. Das Verfahren 100 umfasst das Bestimmen 110 einer dP des SCRF 26, das Bestimmen 120 einer Rußbeladung des SCRF 26 unter Verwendung einer ersten dP-Karte, wenn das SCRF 26 nicht verschlechtert bzw. degradiert wurde, oder das Bestimmen 130 einer Rußbeladung des SCRF 26 unter Verwendung einer zweiten dP-Karte, wenn das SCRF 26 degradiert wurde. Das Verfahren 100 kann wahlweise auch das Einleiten 140 einer Filterregeneration umfassen, wenn die ermittelte Rußbeladung des SCRF 26 über einem Rußbeladungsschwellenwert liegt. Ein SCRF 26 Rußbeladungsschwellenwert kann empirisch oder theoretisch ermittelt und eingestellt werden, um beispielsweise das gewünschte Betriebsverhalten des SCRF 26 zu erreichen. So kann beispielsweise ein SCRF 26 Rußbeladungsschwellenwert eingestellt werden, um eine minimale SCRF 26 NOx-Umwandlungsausbeute und/oder ein NOx-Speicherniveau zu gewährleisten. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Rußbeladungsschwellenwert eingestellt werden, um zu gewährleisten, dass der SCRF 26 den zum Entfernen des angesammelten Rußes erforderlichen Regenerationsbedingungen standhält.
Ein oder mehrere Parameter können definiert werden, um zu bestimmen, ob das SCRF 26 degradiert wurde, sodass das SCRF 26 degradierte Eigenschaften aufweist (z. B. ein gegenüber dem dP eines „frischen“ SCRF bei gleicher Rußbeladung reduzierter dP). Obwohl die Entgrünungsbedingungen je nach Größe, Material und Konstruktion eines SCRF variieren, erfolgt die Entgrünung im Allgemeinen bei Temperaturen, die weit über den normalen Betriebstemperaturen des SCRF 26 liegen (z. B. > 600 °C). Wenn das SCRF 26 in ein von einem Fahrzeug genutztes Abgasbehandlungssystem eingebaut wird, erfolgt die Entgrünung üblicherweise während einer oder mehrerer Filterregenerationen des SCRF 26, worin die Temperatur(en) des Abgases 15 und/oder SCRF 26, wie vorstehend beschrieben, erhöht werden. Dementsprechend kann in einer Ausführungsform ein SCRF 26 als entgrünt bestimmt werden, wenn ein Filterregenerationszählschwellenwert erreicht wurde. So kann beispielsweise ein SCRF 26 als entgrünt betrachtet werden, wenn zwei oder mehr Filterregenerationen durchgeführt wurden. Die Anzahl der Filterregenerationen kann von den besonderen Eigenschaften der für ein gegebenes System 10 durchgeführten Regenerationen abhängen. Da hohe Temperaturen für die Rußverbrennung ideal sind, jedoch verschiedene Komponenten des Systems 10 schädigen können, können Regenerationen auf mehreren Temperaturniveaus durchgeführt werden. So kann beispielsweise eine Regeneration das SCRF 26 auf 580 °C für ein erstes Zeitintervall, anschließend das SCRF 26 auf 600 °C für ein zweites Zeitintervall und anschließend das SCRF 26 auf eine Temperatur nahe 650 °C für ein drittes Zeitintervall erwärmen.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein SCRF 26 als entgrünt betrachtet werden, wenn ein kumulativer Zeit- und Temperaturgrenzwert erreicht wurde, der durch die kumulative Zeitdauer definiert ist, in der ein SCRF 26 auf oder über eine vorgeschriebene Temperatur für eine vorgeschriebene Dauer erwärmt wird. So kann beispielsweise ein kumulativer Zeit- und Temperaturschwellenwert für 40 Minuten 650 °C betragen. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen das SCRF 26 als entgrünt betrachtet werden, wenn sowohl ein kumulativer Zeit- und Temperaturschwellenwert für die Entgrünung als auch ein Wert für die Filterregeneration erreicht wurde. Eine oder eine Vielzahl von kumulativen Zeit- und Temperaturschwellenwerten kann experimentell oder theoretisch bestimmt werden und aufgrund der besonderen Eigenschaften des SCRF 26 variieren. Der kumulative Zeit- und Temperaturschwellenwert kann in einem einzigen Ereignis oder einer einzigen Dauer oder über mehrere Ereignisse oder Zeiträume hinweg erreicht werden. So kann beispielsweise der kumulative Zeit- und Temperaturschwellenwert nach vier SCRF 26 Filterregenerationsereignissen erreicht werden. In einer Ausführungsform kann ein kumulativer Zeit- und Temperaturschwellenwert für das Entgrünen eine Zeit-Temperaturschwellenwertkarte umfassen, worin die jeweiligen Zeit- und Temperaturgrößen einer Vielzahl von Zeit- und Temperaturschwellenwerten invers variieren. So kann beispielsweise ein kumulativer Zeit- und Temperaturschwellenwert eine Zeit-Temperaturschwellenwertkarte mit einem kumulativen Zeit- und Temperaturschwellenwert, der über eine kurze Zeit und eine hohe Temperatur (z. B. 80 Minuten bei 600 °C) definiert ist, und einem kumulativen Zeit- und Temperaturschwellenwert, der über eine längere Zeit und eine niedrigere Temperatur (z. B. 15 Minuten bei 800 °C) definiert ist, umfassen. Die Verwendung einer derartigen Zeit- und Temperaturschwellenwertkarte lässt zu, dass unter einer Vielzahl von diskreten Bedingungen eine Entgrünung des SCRF 26 auftreten kann.
Die erste dP-Karte und die zweite dP-Karte („die dP-Karten“) korrelieren im Allgemeinen eine dP des SCRF 26 mit einem Rußbeladungsgrad des SCRF 26. In einigen Ausführungsformen können die dP-Karten multivariable Karten umfassen. In derartigen Ausführungsformen korrelieren die dP-Karten eine dP des SCRF 26 und eine oder mehrere der Temperaturen des SCRF 26, den Massenstrom des Abgases 15 durch das SCRF 26 und den volumetrischen Massenstrom des Abgases 15 durch das SCRF 26 mit einem Rußbeladungsgrad des SCRF 26. So können beispielsweise die dP-Karten die dP des SCRF 26 und den Strömungswiderstand mit einem Rußbeladungsgrad korrelieren. Der Strömungswiderstand wird durch die Division der dP des SCRF 26 durch den Volumenstrom des Abgases 15 durch das SCRF 26 berechnet. Der Volumenstrom des Abgases 15 kann unter Verwendung des Massenstroms des Abgases 15 und der Temperatur des Abgases 15 bestimmt werden. Tabelle 1 stellt ein Beispiel für eine multivariable dP-Karte dar, worin Volumenstrom und Strömungswiderstand einer Rußbeladung zugeordnet sind:
Tabelle 1. Beispiel dP Rußbeladungskarte
Da ein SCRF 26 im Allgemeinen einen niedrigeren dP-Wert als ein „frischer“ SCRF 26 bei gleicher Rußbeladung aufweist, korreliert die erste (d. h. „frischer“ SCRF 26) dP-Karte einen bestimmten dP-Wert des SCRF 26 mit einer niedrigeren Rußbeladung als die zweite dP-Karte (d. h. des degradierten SCRF 26). Wenn das Verfahren 100 weiterhin das Einleiten 140 einer Filterregeneration umfasst, wenn die ermittelte Rußbeladung des SCRF 26 über einem Rußbeladungsschwellenwert liegt, erfordert die erste dP-Karte einen höheren Eingangswert der dP des SCRF 26, um eine Filterregeneration einzuleiten als die zweite dP-Karte. Die Verwendung von zwei dP-Karten unter „frischen“ und entgrünten Zuständen des SCRF 26 verhindert oder minimiert die Einleitung unnötiger Filterregenerationen (d. h. Filterregenerationen, die bei einer Rußbeladung des SCRF 26 unterhalb des Rußbeladungsschwellenwerts eingeleitet werden) und verbessert dadurch die Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit des SCRF 26 und anderer zum System 10 gehörender Vorrichtungen. Insbesondere kann die Verwendung von zwei dP-Karten Fehlalarme und/oder unnötige Wartungsarbeiten, die durch einen relativ hohen dP, gemessen in einem „frischen“ SCRF, ausgelöst werden, reduzieren oder eliminieren.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Rußbeladung in einer Partikelfiltervorrichtung mit selektiver katalytischer Reduktion (SCRF) (26), die von einem Abgasnachbehandlungssystem (10) eines Verbrennungsmotors (ICE) (12) verwendet wird, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (10) einen ICE (12) beinhaltet, der konfiguriert ist, um Abgas (15) mit der SCRF (26) zu verbinden, und wobei die SCRF (26) ein poröses Filtersubstrat (23) und eine katalytische Zusammensetzung umfasst, die in der Lage ist, darauf aufgebrachte NOx-Spezies zu reduzieren, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen einer SCRF-Druckdifferenz (dP); und Bestimmen einer SCRF-Rußbeladung mit: einer 1. SCRF-dP-Karte, wenn ein Schwellenwert für die Filterregeneration nicht erreicht wird und ein kumulativer Zeit- und Temperaturschwellenwert für die Entgrünung nicht erreicht wird; einer 2. SCRF-dP-Karte, wenn mindestens ein Zählschwellenwert für die Filterregeneration oder ein kumulativer Zeit- und Temperaturschwellenwert für die Entgrünung erreicht wird; wobei der kumulative Zeit- und Temperaturschwellenwert eine Zeit-Temperatur-Karte umfasst, wobei die jeweiligen Zeit- und Temperaturgrößen einer Vielzahl von Zeit- und Temperaturschwellenwerten invers variieren; wobei ein Einleiten (140) einer Filterregeneration erfolgt, wenn die ermittelte Rußbeladung des SCRF (26) über einem Rußbeladungsschwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die 1. SCRF-dP-Karte und die 2. SCRF-dP-Karte die SCRF-dP mit einem SCRF-Rußbeladungsgrad korrelieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 1. SCRF-dP-Karte und die 2. SCRF-dP-Karte die SCRF-dP und eines oder mehrere der SCRF-Temperatur, des Massenstroms des Abgases (15) durch die SCRF und des Volumenstroms des Abgases (15) durch die SCRF zu einem SCRF-Rußbeladungsgrad korrelieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die SCRF (26) entgrünt wurde, wenn ein kumulativer Zeit- und Temperaturschwellenwert für die Entgrünung erreicht wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die katalytische SCRF-Zusammensetzung einen metallimprägnierten Zeolith umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterregeneration ein Erhöhen der Temperatur des Abgases (15) und/oder des Filtersubstrats (23) durch eine oder mehrere der Manipulation von ICE-Kalibrierungen zum Implementieren einer Nacheinspritzstrategie, ein Verwenden eines elektrisch beheizbaren Katalysators, ein Verwenden einer elektrischen Heizung und ein Verwenden einer vor dem SCRF (26) angeordneten oxidierenden Katalysatorvorrichtung in Kombination mit einer oder mehreren von einer Nacheinspritzstrategie und einer Hilfseinspritzstrategie für Kohlenwasserstoffeinspritzung beinhalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das SCRF-Filtersubstrat (23) eine Porosität von mindestens etwa 52 % aufweist.