DE102018131169A1

DE102018131169A1 - Verfahren zur bewertung des zustands einer selektiven katalytischen reduktionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018131169A1
Application number: DE102018131169.9A
Authority: DE
Inventors: Sarah Funk; Michael A. Smith; Giuseppe MAZZARA BOLOGNA
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: CN109899140A; DE102018131169B4; CN109899140B; US20190178129A1; US10450924B2

Abstract

Verfahren zur Bewertung einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung (SCR) beinhalten, während des Übertragens von Abgas an den SCR, das Bestimmen einer ersten Temperaturdifferenz (dT) zwischen einer modellierten exothermen Phasentemperatur und einer gemessenen exothermen SCR-Auslassabgastemperatur, das Vergleichen der ersten dT mit einem ersten Schwellenwert und das Bestimmen, ob die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die erste dT unter dem ersten Schwellenwert liegt, oder, wenn die erste dT über dem ersten Schwellenwert liegt, Übertragen von Abgas an den SCR während einer wasserendothermen Phase, Bestimmen einer zweiten dT zwischen einer modellierten endothermen Phasentemperatur und einer gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur der endothermen Phase, Vergleichen der zweiten dT mit einem zweiten Schwellenwert und Bestimmen, ob die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die zweite dT über dem zweiten Schwellenwert liegt, oder Bestimmen, dass die SCR-Leistung ungeeignet ist, wenn die zweite dT unter dem zweiten Schwellenwert liegt. Die Leistung kann die Speicherkapazität von SCR-Reduktionsmitteln sein.

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 ICE, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffoxide (NO_x) und Schwefeloxide (SOx) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe), enthält, die Feststoffe darstellen.
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 Abgastechnologie zur Reduktion von NOx-Emissionen ist eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR-Vorrichtung), 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.
KURZDARSTELLUNG
Es sind Verfahren zum Bewerten des Zustands einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung (SCR) vorgesehen. Die Verfahren beinhalten das Übermitteln von Abgas an den SCR während einer wasserendothermen Phase, das Bestimmen einer modellierten endothermen Temperatur des SCR während der wasserendothermen Phase unter Verwendung eines SCR-Thermomodells ohne Korrektur für die Auswirkungen der Wasserverdampfung und/oder Kondensation (unkorrigiertes Modell), das Messen einer SCR-Auslassabgastemperatur während der wasserendothermen Phase, Bestimmen einer Temperaturdifferenz (dT) zwischen der modellierten endothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Abgastemperatur, Vergleichen des dT mit einem Schwellenwert und Bestimmen, ob die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die dT über dem Schwellenwert liegt, oder Bestimmen der ungeeigneten SCR-Leistung, wenn die dT unter dem Schwellenwert liegt. Die dT kann eine Temperaturdifferenz zwischen einer modellierten endothermen Temperatur und einer gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur zu einem Zeitpunkt während der wasserendothermen Phase sein. Die dT kann eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen der modellierten endothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserendothermen Phase sein. Die dT kann ein Integral aus der Differenz zwischen der modellierten endothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserendothermen Phase sein. Die wasserendotherme Phase kann beginnen, wenn eine durch das unkorrigierte Modell bestimmte SCR-Temperatur eine durch ein durch die Auswirkungen der Wasserverdampfung und/oder Kondensation korrigiertes SCR-Thermomodell bestimmte SCR-Temperatur überschreitet. Die wasserendotherme Phase kann beginnen, wenn die Änderungsrate der Abgastemperatur stromaufwärts des SCR größer ist als die Änderungsrate der Abgastemperatur stromabwärts des SCR. Die wasserendotherme Phase kann beginnen, wenn die Änderungsrate der Abgastemperatur stromabwärts des SCR einen Schwellenwert unterschreitet. Das unkorrigierte Modell kann die SCR-Temperatur unter Verwendung der Energie bestimmen, die durch das an das SCR übermittelte Abgas und die aus der Umgebung an das SCR übertragene Energie übertragen wird. Das dem SCR zugeführte Abgas kann durch einen Verbrennungsmotor erzeugt werden. Geeignete SCR-Leistung kann eine geeignete SCR-Reduktionsmittel-Speicherkapazität sein.
Es sind auch andere Verfahren zum Bewerten des Zustands eines SCR vorgesehen. Die Verfahren können das Übermitteln von Abgas an einen SCR während einer wasserexothermen Phase, das Bestimmen einer modellierten exothermen Phasentemperatur des SCR während der wasserexothermen Phase unter Verwendung eines SCR-Thermomodells mit einer Korrektur für die Auswirkungen der Wasserverdampfung und/oder Kondensation, das Messen einer SCR-Auslassabgastemperatur der exothermen Phase während der wasserexothermen Phase, das Bestimmen einer ersten Temperaturdifferenz (dT) zwischen der modellierten exothermen Phasentemperatur und der gemessenen Abgastemperatur des SCR-Auslasses beinhalten; Vergleichen der ersten dT mit einem ersten Schwellenwert und Bestimmen, ob die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die erste dT unterhalb des ersten Schwellenwerts liegt. Wenn die erste dT über dem ersten Schwellenwert liegt, beinhaltet das Verfahren ferner das Übermitteln von Abgas an den SCR während einer wasserendothermen Phase, das Bestimmen einer modellierten endothermen Phasentemperatur des SCR während der wasserendothermen Phase unter Verwendung eines SCR-Thermomodells ohne Korrektur für die Auswirkungen der Wasserverdampfung und/oder Kondensation, das Messen einer endothermen Phasenauslassabgastemperatur des SCR während der wasserendothermen Phase; Bestimmen einer zweiten dT zwischen der modellierten endothermen Phasentemperatur und der gemessenen endothermen Phasenauslassabgastemperatur des SCR; Vergleichen der zweiten dT mit einem zweiten Schwellenwert und Bestimmen, ob die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die zweite dT über dem zweiten Schwellenwert liegt, oder Bestimmen der ungeeigneten SCR-Leistung, wenn die zweite dT unter dem zweiten Schwellenwert liegt. Die erste dT kann eine Temperaturdifferenz zwischen einer modellierten exothermen Temperatur und einer gemessenen SCR-Abgastemperatur zu einem Zeitpunkt während der wasserexothermen Phase sein, und die zweite dT kann eine Temperaturdifferenz zwischen einer modellierten endothermen Temperatur und einer gemessenen SCR-Abgastemperatur zu einem Zeitpunkt während der wasserendothermen Phase sein. Die erste dT kann eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen der modellierten Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserexothermen Phase sein, und die zweite dT kann eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen der modellierten Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserendothermen Phase sein. Die erste dT kann ein Integral der Differenz zwischen der modellierten exothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserexothermen Phase sein, und die zweite dT kann ein Integral der Differenz zwischen der modellierten endothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserendothermen Phase sein.
Die wasserexotherme Phase kann enden und die wasserendotherme Phase beginnt, wenn eine durch das unkorrigierte Modell bestimmte SCR-Temperatur eine durch ein durch die Auswirkungen der Wasserverdampfung und/oder Kondensation korrigiertes SCR-Thermomodell bestimmte SCR-Temperatur überschreitet. Die wasserexotherme Phase kann enden und die wasserendotherme Phase beginnt, wenn die Änderungsrate der Abgastemperatur stromaufwärts des SCR größer ist als die Änderungsrate der Abgastemperatur stromabwärts des SCR. Die wasserexotherme Phase kann enden und die wasserendotherme Phase beginnt, wenn die Änderungsrate der Abgastemperatur stromabwärts des SCR unter einen Schwellenwert fällt. Das dem SCR zugeführte Abgas kann durch einen Verbrennungsmotor erzeugt werden. Der erste Schwellenwert und/oder der zweite Schwellenwert können bestimmt werden, um zu gewährleisten, dass NOx-Spezies innerhalb des Abgases innerhalb des SCR entsprechend umgewandelt werden. Geeignete SCR-Leistung kann eine geeignete SCR-Reduktionsmittel-Speicherkapazität sein.
Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsformbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Abgasbehandlungssystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 veranschaulicht Temperaturdaten für eine Vielzahl von selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtungen (SCR) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3 veranschaulicht ein Verfahren zum Überwachen der Leistung eines SCR gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
4 veranschaulicht ein Verfahren zum Überwachen der Leistung eines SCR gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
Im Allgemeinen bezieht sich diese Offenbarung auf das Steuern und Überwachen von Stickoxid-Spezies (NO_x) Speicher- und/oder Behandlungsmaterialien, -vorrichtungen, und - systeme. Insbesondere betrifft diese Offenbarung Verfahren zum Steuern von Vorrichtungen zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), wobei die SCR-Vorrichtungen konfiguriert sind, Abgasströme von einer Abgasquelle zu empfangen. SCRs sind ferner konfiguriert, um eine Reduktionsmittel zu erhalten, wie etwa bei variablen Dosierungsraten, wie nachfolgend beschrieben werden wird. Hierin sind Verfahren zum Überwachen und Modellieren der thermischen Eigenschaften von SCRs vorgesehen, die den Energieaustausch zwischen den SCRs und Kondens- und/oder Verdampfungswasser berücksichtigen. Die hierin vorgesehenen Verfahren ermöglichen eine verbesserte Genauigkeit der SCR-Überwachung, insbesondere in Bezug auf die Speicherkapazität der Reduktionsmittel der SCRs. 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.
1 veranschaulicht ein Abgasbehandlungssystem 100 unter Verwendung eines oder mehrerer SCRs zur Behandlung und/oder Überwachung von Gasspezies, wie beispielsweise der von einem ICE 1 erzeugten Abgasspezies 8. Das hierin beschriebene Abgasbehandlungssystem 100 kann in verschiedenen ICE-Systemen implementiert werden, die Dieselmotorsysteme, Benzin-Direkteinspritzsysteme und homogene Ladungs-Selbstzündermotorsysteme einschließen können, aber nicht darauf beschränkt sind. Das hierin beschriebene Abgasbehandlungssystem 100 kann alternativ in verschiedenen anderen Nicht-ICE-Systemen implementiert werden, wie beispielsweise in Brennern, Kesseln und jeder anderen relevanten Anwendung, die einen NOx-Spezies umfassenden Strom erzeugt und abgibt. Die ICEs werden hierin zur Verwendung bei der Erzeugung von Drehmoment für Fahrzeuge beschrieben, doch liegen andere Nicht-Fahrzeuganwendungen innerhalb des Umfangs 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 ist der optionale ICE 1 nur zur Veranschaulichung im System 100 enthalten, und die Offenbarung hierin ist nicht auf die von ICEs bereitgestellten Gasquellen zu beschränken. Es sollte darüber hinaus verstanden werden, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen für die Behandlung von Abgasströmen einschließlich NOx oder andere chemische Spezies, die wünschenswert durch SCRs behandelt werden, anwendbar sein können.
Der ICE 1 kann einen oder mehrere Zylinder 2 beinhalten, die jeweils einen Kolben (nicht dargestellt) aufnehmen können, der sich darin hin- und herbewegen kann. Der ICE 1 beinhaltet einen Lufteinlass 3 für die Zufuhr von Luft 4 zu einem oder mehreren Zylindern 2 und ein Kraftstoffeinspritzsystem 5 für die Zufuhr von Kraftstoff 6 zu einem oder mehreren Zylindern 2. Luft 4 und Kraftstoff 6 werden in einem oder mehreren Zylindern 2 verbrannt, wodurch die zugehörigen Kolben darin hin- und herbewegt werden. Die Kolben können an einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) befestigt werden, die funktionsfähig an einem Fahrzeugantriebsstrang (nicht dargestellt) befestigt ist, um zum Beispiel ein Vortriebsmoment zu liefern. ICE 1 kann jede Motorkonfiguration oder -anwendung umfassen, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. in Automobilen, Wasserfahrzeugen und dergleichen) sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Abgas 8 kann im Allgemeinen Folgendes beinhalten: CO, HC, Wasser und NOx, um nur einige zu nennen. Die Bestandteile des Abgases, wie sie hierin verwendet werden, sind nicht auf gasförmige Arten beschränkt. HC bezieht sich auf brennbare chemische Spezies, die Wasserstoff und Kohlenstoff beinhalten, und beinhaltet im Allgemeinen eine oder mehrere chemische Spezies von Benzin, Dieselkraftstoff oder dergleichen. Das Abgas 8 wird über einen Abgaskrümmer 7 aus dem ICE 1 ausgestoßen und über eine Abgasleitung 9 an einen SCR 12 übermittelt. Das Abgas 8 kann beispielsweise über ein Auspuffrohr 10 aus dem System 100 ausgestoßen werden.
Das Abgasbehandlungssystem 100 kann einen oder mehrere Prozesssensoren beinhalten, einschließlich Lufteinlasssensor 21, stromaufwärtiger SCR 12 O₂ Sensor 22, stromaufwärtiger SCR 12-Temperatursensor 23, stromabwärtiger SCR 12-Drucksensor 24 und stromabwärtiger PF-Drucksensor 25. Der Umgebungssensor 26 kann Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck, messen. Der Lufteinlasssensor 21 kann einen oder eine Vielzahl von Sensoren darstellen, die zum Beispiel neben anderen Eigenschaften der Luft 4, Luftdurchsatz, Luftfeuchtigkeit, O₂ Konzentration und/oder Temperatur messen können. In verschiedenen Ausführungsformen können die verschiedenen beschriebenen Sensoren mehr oder weniger zahlreich sein und/oder unterschiedliche Positionen im gesamten System 100 einnehmen, um eine ordnungsgemäße Überwachung des Systems 100 zu gewährleisten, wie es von einem Fachmann auf diesem Gebiet verstanden wird. Prozesssensoren, einschließlich der Sensoren 21, 22, 23, 24, 25 und/oder 26, können an ein elektronisches Motorsteuergerät (ECM) 20 angeschlossen werden, das konfiguriert werden kann, um Steuerungs- oder Überwachungsfunktionen des Systems 100 gemäß den hierin beschriebenen Steuerungsverfahren und -strategien auszuführen. 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.
SCR 12 ist eine Durchflussvorrichtung, die eine katalytische Zusammensetzung (CC) 13 umfasst und für die Aufnahme von Abgas 8 konfiguriert ist. Im Allgemeinen beinhaltet der SCR 12 alle Vorrichtungen, die ein Reduktionsmittel 36 und eine Katalysatorzusammensetzung (CC) 13 zum Umwandeln von NOx-Spezies in harmlose Komponenten verwenden. Der SCR 12 ist konfiguriert, um das Reduktionsmittel zu erhalten, wie etwa bei variablen Dosierungsraten. Ein Reduktionsmittel 36 kann von einer Reduktionsmittel-Zufuhrquelle (nicht dargestellt) zugeführt und in die Abgasleitung 9 an einer Stelle stromaufwärts des SCR 12 unter Verwendung einer Einspritzdüse 46 oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Zufuhr eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel 36 kann beispielsweise 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 oder ein Mischer (nicht dargestellt), kann auch innerhalb der Abgasleitung 9 in unmittelbarer Nähe der Einspritzdüse 46 und /oder des SCR 12 angeordnet sein, um das gründliche Mischen des Reduktionsmittels 36 mit dem Abgas 8 und/oder sogar die Verteilung über den gesamten SCR 12 weiter zu unterstützen.
CC 13 kann auf einen Substratkörper aufgebracht werden, wie beispielsweise einen keramischen 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. Der Substratkörper kann aus einem Material ausgebildet sein, das den Temperaturen und der chemischen Umgebung, die mit dem Abgas 8 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. Im Allgemeinen ist der Substratkörper hochporös. Der Substratkörper kann in einigen Ausführungsformen eine Partikelfiltervorrichtung (d. h. wie sie in einer selektiven katalytischen Reduktionsfiltervorrichtung (SCRF) verwendet wird) sein.
CC 13 kann in einem Gehäuse, wie beispielsweise einem Metallgehäuse, mit einer Einlassöffnung (d. h. stromaufwärts) und einer Auslassöffnung (d. h. stromabwärts) untergebracht werden oder anderweitig so konfiguriert sein, dass sie eine strukturelle Unterstützung bietet und den Durchfluss von Fluid (z. B. Abgas) durch SCR 12 erleichtert. Wie hierin verwendet, bedeutet eine Komponente, die in Bezug auf eine stromabwärts gelegene Komponente stromaufwärts angeordnet ist, im Allgemeinen, dass sie in Bezug auf ICE 1 näher ist, oder dass das Abgas 8 vor der stromabwärts gelegenen Komponente an der stromaufwärts gelegenen Komponente ankommt. Das Gehäuse kann idealerweise aus einem gegenüber den Abgasbestandteilen, wie beispielsweise Edelstahl, weitgehend inerten Material bestehen und kann jede geeignete Form oder Größe einschließlich eines zylindrisch geformten Fachs aufweisen. Das Fach kann weiterhin Befestigungselemente beinhalten, wie ein zylindrisches Einlassrohr in der Nähe einer Einlassöffnung und ein zylindrisches Auslassrohr in der Nähe einer Auslassöffnung des Fachs für die Flüssigkeitskupplung von SCR 12 an die Abgasleitung 9 und/oder eine andere Komponente des Abgasbehandlungssystems 100. Es ist zu beachten, dass der SCR 12, einschließlich des Gehäuses, eine oder mehrere zusätzliche Komponenten zur Erleichterung des Betriebs des SCR 12 oder des Abgasbehandlungssystems 100 beinhalten kann.
CC 13 kann im Allgemeinen ein poröses Material mit großer Oberfläche sein, das effizient arbeiten kann, um NOx_x-Spezies im Abgas 8 bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels 36, wie Ammoniak, umzuwandeln. So kann beispielsweise CC 13 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, umfassen. In einer bestimmten Ausführungsform kann CC 13 einen Zeolith umfassen, 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 CCs 13 können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit Partikelfiltervorrichtungen oder in SCRF-Vorrichtungen integriert sind, die beide durch Hochtemperatur-Abgasrußverbrennungsverfahren regeneriert werden.
CC 13 kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren umfassen, um die SO₃ Bildung weiter zu verringern und die Laufzeit des CC 13 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 können WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ in Kombination mit V₂O₅verwendet werden.
Der SCR 12 verwendet im Allgemeinen ein Reduktionsmittel 36, um NO_x Spezies (z. B. NO und NO₂) auf harmlose Komponenten 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 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 36 jede Zusammensetzung sein, die in der Lage ist, sich bei Vorhandensein von Abgas 8 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, den SCR 12 auf einen bestimmten NO_x-Reduktionsmechanismus oder -mechanismen zu begrenzen, noch den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Der SCR 12 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 dem SCR 12 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 SCR 12 zugeführt. Die nachfolgende Gleichung (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 36 auf einen bestimmten einzigen Mechanismus zu beschränken und den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen.
Das SCR 12 (d. h. CC 13 und/oder der Substratkörper) kann Reduktionsmittel für die Interaktion mit dem Abgas 8 speichern (d. h. absorbieren und/oder adsorbieren). Das Reduktionsmittel kann zum Beispiel innerhalb des SCR-Katalysators als Ammoniak gespeichert werden. Der CC 13 und/oder der Substratkörper vieler SCRs 12 umfassen hohe Mengen an Zeolith oder anderen porösen Materialien, wobei letztere dem SCR 12 im Allgemeinen Reduktionsmittel 36 Speicherfähigkeit verleihen. Eine gegebene SCR-Vorrichtung weist eine Reduktionsmittelkapazität, oder eine Menge an Reduktionsmittel oder einem Reduktionsmittel-Derivat, das gespeichert werden kann. Die Menge eines innerhalb einer SCR-Vorrichtung 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 des SCR 12 muss eingespritztes Reduktionsmittel 36 das im SCR gespeichert und während Reduktionsreaktionen mit NOx-Spezies verbraucht wird, kontinuierlich neu aufgefüllt werden. Das Ermitteln der genauen einzuspritzenden Menge des Reduktionsmittels 36 ist von wesentlicher Bedeutung für das Aufrechterhalten der Abgas-8-Emissionen auf einem annehmbaren Niveau; unzureichende Reduktionsmittelniveaus innerhalb des Systems 100 (z. B. innerhalb des SCR 12) können zu unzureichenden NOx-Spezies-Emissionen („NOx-Durchbruch“) aus dem System führen (z. B. über das Auspuffrohr des Fahrzeugs), während ein exzessives Einspritzen des Reduktionsmittels 36 dazu führen kann, dass unerwünschte Reduktionsmittelmengen 36 durch den SCR 12 hindurchströmen ohne an der Reaktion teilgenommen zu haben, oder aus der SCR-Vorrichtung als ein unerwünschtes Reaktionsprodukt („Reduktionsmittelschlupf“) herausströmen. Reduktionsmittelschlupf und NOx-Durchbruch können auch erfolgen, wenn die Temperatur der SCR-Vorrichtung unterhalb der Zündtemperatur liegt, wenn das Gerät über keine katalytische Aktivität oder Effektivität verfügt, und/oder nicht wie erwünscht funktioniert. So können beispielsweise viele SCR NO_x-Reduktionskatalysatoren Zündtemperaturen von etwa 150 °C bis etwa 200 °C aufweisen. Die Dosierlogik des SCR 12 und Adaptionen davon können verwendet werden, um die Dosierung des Reduktionsmittel 36 anzuweisen und können zum Beispiel vom ECM 20 implementiert werden.
Wenn ein SCR 12 altert, nimmt die Reduktionsmittelkapazität im Allgemeinen ab. Dementsprechend ist die genaue Bestimmung der Reduktionsmittelkapazität des SCR 12 entscheidend, um eine geeignete Umwandlung von Abgas-8-Spezies (z. B. NOx-Spezies) zu gewährleisten und einen Reduktionsmittelschlupf zu verhindern. Hierin sind Verfahren zum Bestimmen des Zustands und/oder der Leistung eines SCR durch Überwachen der Kondensation und/oder Verdampfung von Wasser innerhalb des SCR vorgesehen. Da eine direkte Temperaturmessung eines CC 13 in der Regel nicht möglich ist, stützen sich die Verfahren auf eine abgeleitete, berechnete oder anderweitig modellierte Temperatur des CC 13 und/oder des benachbarten Bereichs des SCR 12, die unter Verwendung der verfügbaren Prozessdaten zu bestimmen ist. Ein thermisches Modell kann verwendet werden, um Temperatureigenschaften eines Systems (z. B. CC 13) und/oder einer Vielzahl von Subsystemen (z. B. Steine 14 von CC 13) zu ermitteln. Die Vielzahl der Subsysteme kann das System in manchen Ausführungsformen im Wesentlichen als Ganzes umfassen. Das thermische Modell kann beispielsweise durch das ECM 20 implementiert werden.
Die Wärmeübertragungsrate zu einem System, wie beispielsweise SCR 12, CC 13 oder Stein 14, kann mit der Gleichung (7) modelliert werden: $\frac{d Q_G e s a m t}{d t} = \frac{d Q_A b g a s}{d t} + \frac{d Q_U m g e b u n g}{d t}$
worin die Gesamtmenge der Energieübertragung (Q_Gesamt) pro gegebener Zeiteinheit (dt) gleich der Wärmeenergie des in das System eintretenden Abgases (Q_Abgas) plus dem Energieaustausch mit der Umgebung (Q_Umgebung) ist. Q_Abgas beinhaltet die in das System eintretende Abgasenthalpie (d. h. thermische Energie). In Bezug auf das System 100 kann Q Abgas mittels der SCR 12-Einlasstemperatur (z. B. vorgeschaltete SCR 12-Temperatur) und des Abgasdurchsatzes 8 bestimmt werden. Die SCR 12-Einlasstemperatur kann in einigen Ausführungsformen die ICE 1-Auslasstemperatur des Abgaskrümmers 7 umfassen. In Bezug auf das System 100 können die Gesamtkonzentrationen des Abgas-8-Durchsatzes und der Abgas-8-Spezies durch die Menge an Luft 4 und Kraftstoff 6, die in den ICE 1 eintritt, die Verbrennungseigenschaften von Kraftstoff 6 innerhalb des ICE 1 und die verwendeten relevanten ICE-1-Einspritzstrategien (z. B. magere oder fette Einspritzstrategien) bestimmt werden. Q Umgebung beinhaltet die Wärme, die durch die Wechselwirkungen des Systems mit seiner Umgebung in das System eingebracht wird oder verloren geht. In einem Beispiel, in dem das System 100 von einem Fahrzeug genutzt wird, kann QUmgebung die Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur) in der Nähe eines Fahrzeugs und/oder die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs berücksichtigen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Umgebung“ auf die Umgebung, in der das System 100 oder ein Fahrzeug, in dem das System 100 verwendet wird, deponiert wird. So kann beispielsweise der Umgebungsdruck von SCR 12 oder dem System 100 der atmosphärische Druck am Standort von SCR 12 oder dem System 100 sein.
Die durch die Gleichung (1) definierte Wärmeübertragungsrate kann verwendet werden, um eine Gesamtwärmemenge Q_Gesamt zu bestimmen, die dem System für einen bestimmten Zeitrahmen zugeführt wird. Q_Gesamt kann zum Beispiel in eine Temperatur) von CC 13 und/oder einem Stein 14 zu einem bestimmten Zeitpunkt oder über den angegebenen Zeitrahmen umgewandelt werden. Insbesondere kann QGesamt in eine Temperatur oder eine Temperatur oder ΔT umgewandelt werden, indem man die physikalischen Abmessungen und die Zusammensetzung des SCR 12 verwendet (z. B. die Wärmekapazität und Masse von CC 13, Substratkörper und/oder Kanister). Gleichung 7 und die damit verbundenen Berechnungen können beispielsweise durch das ECM 20 implementiert werden.
Das in den SCR 12 eintretende Abgas 8 beinhaltet typischerweise Wasser. Bei bestimmten Temperaturen und Betriebsbedingungen kann Wasser innerhalb des SCR 12 oder des CC 13 kondensieren oder anderweitig adsorbieren und/oder absorbieren. Bei einem derartigen Ereignis wird eine „Exotherme“ beobachtet, worin dem System durch die Kondensation von Wasser Wärme zugeführt wird. Ebenso kann bei bestimmten Temperaturen und Betriebsbedingungen Wasser innerhalb von SCR 12 verdunsten oder anderweitig aus CC 13 desorbieren. Während eines derartigen Ereignisses wird eine „Endotherme“ beobachtet, worin die Wärme durch die Verdampfung von Wasser an das System abgegeben wird. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei Zeolith CCs 13 und anderen Materialien mit hohem Wasseraufnahmevermögen, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Cordierit und Siliziumkarbid (SiC). Die Wärmeübertragungsrate zu einem System, wie beispielsweise SCR 12, CC 13 oder Stein 14, kann unter Verwendung der Gleichung (8) modelliert werden, um Wasserexothermen und Endothermen zu berücksichtigen: $\frac{d Q_G e s a m t}{d t} = \frac{d Q_A b g a s}{d t} + \frac{d Q_H 2 O}{d t} + \frac{d Q_U m g e b u n g}{d t}$
worin pro gegebener Zeiteinheit (dt) die Gesamtmenge der Energieübertragung (Q_Gesamt) gleich der Summe aus Q_Abgas, Q_Umgebung und der zwischen Kondensations- und/oder Verdampfungswasser mit SCR 12 oder CC 13 (Q_H₂O) ausgetauschten Energie ist. Gleichung (8) kann als „korrigiertes Modell“ bezeichnet werden und Gleichung (7) kann als „unkorrigiertes Modell“ bezeichnet werden.
Q_H₂O kann Wärme beinhalten, die dem SCR 12 oder CC 13 über Wasser zugeführt wird, das auf oder in der Nähe des CC 13 kondensiert, oder Wärme, die dem SCR 12 oder CC 13 über Wasser entzogen wird, das von oder in der Nähe des CC 13 verdampft, und kann basierend auf einer relativen Feuchtigkeit in der Nähe des CC 13 bestimmt werden. Die relative Luftfeuchtigkeit umfasst das Verhältnis des Partialdrucks von Wasser in einem System zum Gleichgewichtsdampfdruck von Wasser unter den Bedingungen des Systems (d. h. Temperatur und Druck) und wird im Allgemeinen basierend auf der spezifischen Feuchtigkeit (d. h. dem Wassergehalt) des Abgases 8, das in das SCR 12 eintritt, dem Druck des Abgases 8 in der Nähe des CC 13 und der Temperatur des CC 13 bestimmt.
Wasser im Abgas 8 kann unter anderem Wasser aus einer oder mehreren Quellen beinhalten, einschließlich Wasser in der Luft 4, das an einen oder mehrere ICE 1-Zylinder 2 geliefert wird, Wasser im Kraftstoff 6, das an einen oder mehrere ICE 1-Zylinder 2 geliefert wird, und Wasser, das bei der Verbrennung von Kraftstoff 6 in ICE 1 erzeugt wird. Das bei der Verbrennung von Kraftstoff 6 entstehende Wasser kann durch eine auf die besonderen Eigenschaften von Luft 4, Kraftstoff 6 und/oder dem ICE 1 angepasste Verbrennungsgleichung berechnet werden. So kann beispielsweise die Arrhenius-Gleichung für die Verbrennung von Kraftstoff 6 innerhalb des ICE 1 modifiziert werden, um Wasser als Funktion einer O₂-Konzentration im Abgas 8 zu ermitteln. O₂-Konzentration im Abgas 8 kann beispielsweise mit dem Sensor 22 gemessen oder modelliert werden. Der Druck des Abgases 8 in der Nähe des CC 13 kann zum Beispiel an einer Stelle stromabwärts des ICE 1 oder stromaufwärts des SCR 12 gemessen oder modelliert werden. In einigen Ausführungsformen kann der Druck des Abgases 8 die Summe aus dem Umgebungsdruck und dem Druckabfall über PF 17, beispielsweise gemessen mit den Sensoren 24 und 25, umfassen und optional auch den Druckabfall in der Abgasleitung 9 und anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen berücksichtigen. Wasser, das dem SCR 12 innerhalb des Abgases 8 zugeführt wird, kann in einigen Ausführungsformen die Kondensation von Wasser innerhalb/an Komponenten stromaufwärts des SCR 12 (z. B. eine Oxidationskatalysatorvorrichtung) berücksichtigen.
2 veranschaulicht repräsentative Temperaturdaten für ein oder mehrere SCRs 12, die über die Zeit aufgetragen wurden. Insbesondere beginnen die Daten zu einem Zeitpunkt = 0 Sekunden, worin ein ICE 1 gestartet wird. Für die Zwecke der hierin beschriebenen Verfahren stellt die Zeit = 0 Sekunden eine Zeit oder eine nähere Zeit dar, zu der ein ICE 1 kalt gestartet wird, oder wenn der SCR 12 unter einer gewünschten Temperatur liegt, wie im Folgenden beschrieben wird. 101 veranschaulicht die Abgastemperatur 8 in der Nähe des Einlasses des SCR 12 (EG_IN), zum Beispiel gemessen durch den Sensor 23. Die Temperatur des Abgases 8 in der Nähe des Auslasses des SCR 12 (EG OUT) ist für einen grünen (d. h. nicht gealterten) SCR 12 bei 105, für einen gealterten SCR 12 bei 106 und für einen „bestes Ergebnis inakzeptabel“ (BPU) SCR 12 bei 107 dargestellt. Ein BPU SCR 12 repräsentiert einen SCR 12-Zustand, bei dem beispielsweise das Abgas 8 nicht mehr ausreichend behandelt wird. 110 veranschaulicht eine unkorrigierte Modelltemperatur für den SCR 12 und 111 eine korrigierte Modelltemperatur für den SCR 12. Das Ende einer exothermen Phase 121 und der Beginn einer endothermen Phase 122 sind zeitlich bei 120 angegeben, wie im Folgenden näher beschrieben wird. So ist beispielsweise anzumerken, dass der BPU SCR 12 in der exothermen Phase 121 eine niedrigere Temperatur aufweist als der gealterte SCR, was zum Teil auf eine verminderte Fähigkeit zur Kondensation von Wasser zurückzuführen ist. Eine derartige verminderte Kapazität kann mit einer verminderten Fähigkeit zum Speichern des Reduktionsmittels 36 und zum entsprechend geeigneten Umwandeln von Abgas-8-Spezies (z. B. NOx) korreliert werden.
3 veranschaulicht ein Verfahren 202 zum Überwachen oder anderweitigen Bestimmen der Leistung eines SCR. Das Verfahren 202 und das Verfahren 201 werden in Bezug auf das System 100 beschrieben, einschließlich der Fahrzeuge, die das System 100 verwenden, wobei die Verfahren jedoch nicht so ausgelegt werden sollten, dass sie durch ihre Merkmale eingeschränkt sind. Das Verfahren 202 umfasst das Übermitteln 221 des Abgases 8 an den SCR 12 während einer wasserendothermen Phase 122, das Bestimmen 222 einer modellierten endothermen Temperatur des SCR während der wasserendothermen Phase, das Messen 223 einer SCR-Auslassabgastemperatur während der wasserendothermen Phase 122, das Bestimmen 224 einer Temperaturdifferenz (dT) zwischen der modellierten endothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur, das Vergleichen 225 der dT mit einem Schwellenwert und das Auslösen 226 einer Steuerungsmaßnahme für das System 100 oder ein Fahrzeug unter Verwendung des Systems 100. Eine Steuerungsmaßnahme kann in einigen Ausführungsformen das Bestimmen der SCR-Leistung umfassen. So kann beispielsweise das Einleiten 226 einer Steuerungsmaßnahme das Bestimmen umfassen, dass die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die dT über dem Schwellenwert liegt, oder das Bestimmen, dass die SCR-Leistung ungeeignet ist, wenn die dT unter dem Schwellenwert liegt. Eine geeignete Leistung kann beispielsweise die geeignete Umwandlung von Abgas-8-Spezies durch den SCR 12 oder die Reduktionsmittel 36-Speicherkapazität des SCR 12 umfassen. Eine Steuerungsmaßnahme kann zusätzlich oder alternativ das Signalisieren einer Geräteleistung (z. B. über eine Armaturenbrettanzeige an einen Fahrzeuginsassen oder Betreiber) oder das Manipulieren von ICE 1-Kalibrierungen zur Emission von weniger NOx-Emissionen umfassen. Das Bestimmen 222 einer modellierten endothermen Temperatur des SCR während der wasserendothermen Phase und das Messen 223 einer SCR-Auslassabgastemperatur während der wasserendothermen Phase kann das Messen und Bestimmen einer einzelnen Temperatur oder einer Vielzahl von Temperaturen für die gleichen Zeiträume oder Zeitabschnitte umfassen.
Eine modellierte endotherme Temperatur des SCR kann eine Temperatur umfassen, die durch ein inertes Modell ohne Wasserkorrektur bestimmt wird. In einer Ausführungsform kann das inerte Modell ohne Wasserkorrektur durch das unkorrigierte Modell der Gleichung (7) beschrieben werden. Die dT kann eine Temperaturdifferenz zwischen einer modellierten endothermen Temperatur (unter Verwendung eines nicht korrigierten Modells) und einer gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur zu einem Zeitpunkt während der wasserendothermen Phase 122 umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann die dT eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen der modellierten endothermen Temperatur (unter Verwendung eines unkorrigierten Modells) und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts, im Wesentlichen aller oder der gesamten wasserendothermen Phase 122 aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann die dT ein integrale Differenz zwischen der modellierten endothermen Temperatur (unter Verwendung eines unkorrigierten Modells) und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts, im Wesentlichen aller oder der gesamten wasserendothermen Phase 122 aufweisen. In den drei beschriebenen Ausführungsformen ist der dT-Schwellenwert ein Temperaturwert, jedoch kann das Verfahren auch mit Energiewerten anstelle des dT-Schwellenwerts und den gemessenen und modellierten SCR-Temperaturen implementiert werden.
Das Verfahren 202 ist geeignet, wenn der SCR 12 unter der Temperatur liegt, bei welcher das darauf kondensierte Wasser zu verdampfen beginnen würde (z. B. nahe dem Kaltstart eines Fahrzeug-ICE 1). Die Temperatur des SCR kann mit einem nicht korrigierten Modell (z.B, Gleichung (7)) und einem korrigierten Modell (z. B. Gleichung (8) und die endotherme Phase 122 kann durch den Punkt definiert werden, an dem das unkorrigierte Modell das korrigierte Modell kreuzt (d. h. übersteigt) (wie in 2 bei 120 dargestellt). Die endotherme Phase 122 kann alternativ durch den Punkt definiert werden, an dem die Änderungsrate der Abgastemperatur 8 vor dem SCR 12 größer ist als die Änderungsrate der Abgastemperatur 8 nach dem SCR 12. Ebenso kann die endotherme Phase 122 alternativ durch den Punkt definiert werden, an dem die Änderungsrate der Abgastemperatur 8 stromabwärts des SCR 12 unter einen Schwellenwert fällt. Der Schwellenwert kann beispielsweise ein kalibrierter Schwellenwert sein. Die endotherme Phase endet im Allgemeinen, wenn das gesamte oder im Wesentlichen das gesamte auf oder in der Nähe des SCR 12 kondensierte Wasser verdunstet ist. Für einen bestimmten SCR 12 kann das Ende der endothermen Phase beispielsweise durch einen kalibrierten Temperaturwert definiert werden.
4 veranschaulicht ein Verfahren 201 zum Überwachen oder anderweitigen Bestimmen der Leistung eines SCR. Das Verfahren 201 umfasst das Übermitteln 211 von Abgas an einen SCR während einer wasserexothermen Phase, das Bestimmen 212 einer modellierten exothermen Phasentemperatur des SCR während der wasserexothermen Phase, das Messen 213 einer SCR-Auslassabgastemperatur der exothermen Phase 121, das Bestimmen 214 einer ersten Temperaturdifferenz (dT) zwischen der modellierten exothermen Phasentemperatur und einer gemessenen exothermen SCR-Auslassabgastemperatur, Vergleichen 215 der ersten dT mit einem ersten Schwellenwert und Einleiten 216 einer Steuerungsmaßnahme für das System 100 oder ein Fahrzeug, welches das System 100 verwendet. Das Bestimmen 212 einer modellierten exothermen Temperatur des SCR während der wasserendothermen Phase und das Messen 213 einer SCR-Auslassabgastemperatur während der wasserexothermen Phase kann das Messen und Bestimmen einer einzelnen Temperatur oder einer Vielzahl von Temperaturen für die gleichen Zeiträume oder Zeitabschnitte umfassen. Eine modellierte exotherme Temperatur des SCR kann eine Temperatur umfassen, die durch ein inertes Modell mit einer Wasserkorrektur bestimmt wird. In einer Ausführungsform kann das inerte Modell mit der Wasserkorrektur durch das korrigierte Modell der Gleichung (8) beschrieben werden. Die erste dT kann eine Temperaturdifferenz zwischen einer modellierten exothermen Temperatur (unter Verwendung des korrigierten Modells) und einer gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur zu einem Zeitpunkt während der wasserexothermen Phase 121 umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann die erste dT eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen der modellierten exothermen Temperatur (unter Verwendung des korrigierten Modells) und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts, im Wesentlichen der gesamten oder der gesamten wasserexothermen Phase 121 aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann die erste dT ein Integral der Differenz zwischen der modellierten exothermen Temperatur (unter Verwendung des korrigierten Modells) und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts, im Wesentlichen der gesamten oder der gesamten wasserexothermen Phase 121 aufweisen. In den drei beschriebenen Ausführungsformen ist der erste dT-Schwellenwert ein Temperaturwert, jedoch kann das Verfahren auch mit Energiewerten anstelle des ersten dT-Schwellenwerts und den gemessenen und modellierten SCR-Temperaturen implementiert werden.
Das Einleiten 216 einer Steuerungsmaßnahme kann in einigen Ausführungsformen das Bestimmen der SCR-Leistung umfassen. So kann beispielsweise das Einleiten 226 einer Steuerungsmaßnahme das Bestimmen umfassen, ob die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die erste dT unter dem ersten Schwellenwert liegt, oder das Implementieren des Verfahrens 202, wenn die erste dT über dem ersten Schwellenwert liegt. Wenn die erste dT unter dem ersten Schwellenwert liegt, kann bestimmt werden, dass der poröse CC13 und/oder Substratträger (z. B. Zeolith) in der Lage ist, Wasser zu adsorbieren und/oder absorbieren. Da sowohl Wasser als auch Reduktionsmittel (z. B. NH₃), Adsorption und/oder Absorption, ähnlich der verfügbaren Oberfläche von CC13 und/oder Substratträger und der Speicherkapazität eines SCR korrelieren, kann die Fähigkeit des SCR, Wasser zu kondensieren und zu „speichern“, vorteilhaft genutzt werden, um die Fähigkeit des SCR zum Umwandeln von dort übermittelten NOx-Arten zu bestimmen. Das Verfahren 201 kann einen ungeeigneten SCR 12 nicht zuverlässig vorhersagen, da in einigen Fällen ein SCR bereits vor einem ICE 1-Start Kondenswasser enthalten kann und in diesen Fällen die SCR-Speicherkapazität unterbewertet wäre. Wenn die erste dT über dem ersten Schwellenwert liegt, sollte daher das Verfahren 202 implementiert werden, um das aus dem SCR verdampfende Wasser zu messen.
Das Verfahren 202 umfasst das Übermitteln 221 des Abgases 8 an den SCR 12 während einer wasserendothermen Phase 122, das Bestimmen 222 einer modellierten endothermen Temperatur des SCR während der wasserendothermen Phase, das Messen 223 einer SCR-Auslassabgastemperatur während der wasserendothermen Phase, das Bestimmen 224 einer zweiten dT zwischen der modellierten endothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur, das Vergleichen 225 der zweiten dT mit einem Schwellenwert und das Einleiten 226 einer Steuerungsmaßnahme für das System 100 oder ein Fahrzeug unter Verwendung des Systems 100. Eine Steuerungsmaßnahme kann in einigen Ausführungsformen das Bestimmen der SCR-Leistung umfassen. So kann beispielsweise das Einleiten 226 einer Steuerungsmaßnahme das Bestimmen umfassen, dass die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die zweite dT über dem zweiten Schwellenwert liegt, oder das Bestimmen, dass die SCR-Leistung ungeeignet ist, wenn die zweite dT unter dem zweiten Schwellenwert liegt. Eine geeignete Leistung kann beispielsweise die geeignete Umwandlung von Abgas-8-Spezies durch den SCR 12 oder die Reduktionsmittel 36-Speicherkapazität des SCR 12 umfassen. Eine modellierte endotherme Temperatur des SCR kann eine Temperatur umfassen, die durch ein inertes Modell ohne H2O-Korrektur bestimmt wird. In einer Ausführungsform kann das inerte Modell ohne H2O-Korrektur durch das unkorrigierte Modell der Gleichung (7) beschrieben werden.
Der erste Schwellenwert und/oder der zweite Schwellenwert werden bestimmt, um zu gewährleisten, dass NOx-Spezies innerhalb des Abgases innerhalb des SCR entsprechend umgewandelt werden. So kann beispielsweise der erste Schwellenwert und/oder der zweite Schwellenwert basierend auf Daten bestimmt werden, die von einem repräsentativen SCR gesammelt oder modelliert wurden, der die höchste Menge an geeigneten Emissionen emittiert (z. B. ein BPU SCR). Die wasserexotherme Phase 121 kann bei einem ICE 1 Kaltstart beginnen, oder wenn der SCR 12 eine Temperatur aufweist, bei der Wasser innerhalb des SCR 12 kondensieren kann. In einer Ausführungsform kann die wasserexotherme Phase 121 bei etwa 50 °C beginnen. Dadurch, dass die mikroporösen SCR 12-Bestandteile ein Vakuum erzeugen können, da das Abgas 8 durch sie hindurch übertragen wird, kann in einigen Ausführungsformen die exotherme Phase 121 oben beginnen oder nach 100 °C auftreten, beispielsweise bis zu etwa 130 °C. Die wasserexotherme Phase 121 kann enden, wenn oder in der Nähe von wenn, wie vorstehend beschrieben, die wasserendotherme Phase 122 beginnt.
Während oben exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die nach dem Stand der Technik, in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Verfahren zum Bewerten des Zustands einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung (SCR), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Übermitteln von Abgas an den SCR während einer wasserendothermen Phase; Bestimmen einer modellierten endothermen Temperatur des SCR während der wasserendothermen Phase unter Verwendung eines SCR-Thermomodells ohne Korrektur, um die Auswirkungen der Wasserverdampfung und/oder Kondensation zu berücksichtigen (nicht korrigiertes Modell); Messen einer SCR-Auslassabgastemperatur während der wasserendothermen Phase; Bestimmen einer Temperaturdifferenz (dT) zwischen der modellierten endothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur; Vergleichen der dT mit einem Schwellenwert; und: Bestimmen, ob die Leistung des SCR geeignet ist, wenn die dT über dem Schwellenwert liegt, oder Bestimmen, ob die Leistung des SCR ungeeignet ist, wenn die dT unter dem Schwellenwert liegt.
Verfahren zum Bewerten des Zustands einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung (SCR), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Übermitteln von Abgas an den SCR während einer wasserexothermen Phase; Bestimmen einer modellierten wasserexothermen Phasentemperatur des SCR während der wasserexothermen Phase unter Verwendung eines SCR-Thermomodells mit einer Korrektur, um die Auswirkungen der Wasserverdampfung und/oder Kondensation zu berücksichtigen; Messen einer SCR-Auslasstemperatur der wasserexothermen Phase während der wasserexothermen Phase; Bestimmen einer ersten Temperaturdifferenz (dT) zwischen der modellierten wasserexothermen Phasentemperatur und der gemessenen SCR exothermen Auslassabgastemperatur; Vergleichen der ersten dT mit einem ersten Schwellenwert und: Bestimmen, ob die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die erste dT unter dem ersten Schwellenwert liegt, oder ob die erste dT über dem ersten Schwellenwert liegt: Übermitteln von Abgas an den SCR während einer wasserendothermen Phase; Bestimmen einer modellierten wasserendothermen Phasentemperatur des SCR während der wasserendothermen Phase unter Verwendung eines SCR-Thermomodells ohne Korrektur, um die Auswirkungen der Wasserverdampfung und/oder Kondensation zu berücksichtigen; Messen einer SCR-Auslassabgastemperatur der wasserendothermen Phase während der wasserendothermen Phase; Bestimmen einer zweiten dT zwischen der modellierten wasserendothermen Phasentemperatur und einer gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur der wasserendothermen Phase; Vergleichen der zweiten dT mit einem zweiten Schwellenwert; und Bestimmen, ob die SCR-Leistung geeignet ist, wenn die zweite dT über dem zweiten Schwellenwert liegt, oder Bestimmen, ob die SCR-Leistung ungeeignet ist, wenn die zweite dT unter dem zweiten Schwellenwert liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die erste dT eine Temperaturdifferenz zwischen einer modellierten exothermen Temperatur und einer gemessenen SCR-Abgastemperatur zu einem Zeitpunkt während der wasserexothermen Phase umfasst, und/oder die zweite dT eine Temperaturdifferenz zwischen einer modellierten endothermen Temperatur und einer gemessenen SCR-Abgastemperatur zu einem Zeitpunkt während der wasserendothermen Phase umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die erste dT kann eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen der modellierten Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserexothermen Phase umfasst, und/oder die zweite dT umfasst eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen der modellierten Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserendothermen Phase.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die erste dT ein Integral der Differenz zwischen der modellierten exothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserexothermen Phase umfasst, und/oder die zweite dT ein Integral der Differenz zwischen der modellierten endothermen Temperatur und der gemessenen SCR-Auslassabgastemperatur während mindestens eines Abschnitts der wasserendothermen Phase umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die wasserexotherme Phase endet und/oder die wasserendotherme Phase beginnt, wenn eine durch das unkorrigierte Modell bestimmte SCR-Temperatur eine durch ein durch die Auswirkungen der Wasserverdampfung und/oder Kondensation korrigiertes thermisches SCR-Modell bestimmte SCR-Temperatur überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die wasserendotherme Phase beginnt, wenn die Änderungsrate der Abgastemperatur stromaufwärts des SCR größer ist als die Änderungsrate der Abgastemperatur stromabwärts des SCR, oder wenn die Änderungsrate der Abgastemperatur stromabwärts des SCR unter einen Schwellenwert fällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das unkorrigierte Modell die SCR-Temperatur unter Verwendung der Energie bestimmt, die durch das an das SCR übermittelte Abgas und die aus der Umgebung an das SCR übertragene Energie übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das dem SCR zugeführte Abgas durch einen Verbrennungsmotor erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die geeignete SCR-Leistung eine geeignete Speicherkapazität für SCR-Reduktionsmittel umfasst.