DE102019111386A1

DE102019111386A1 - Selektive katalytische reduktionsvorrichtungssteuerung

Info

Publication number: DE102019111386A1
Application number: DE102019111386.5A
Authority: DE
Inventors: Maria Camuglia; Giulio Binetti; Carlos Ildefonso Hoyos Velasco; Giuseppe MAZZARA BOLOGNA; Alberto Bemporad; Daniele Bernardini
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2019-11-21
Also published as: US20190353071A1; CN110500161A

Abstract

Die hierin beschriebenen technischen Lösungen beinhalten ein Emissionssteuerungssystem zum Behandeln von Abgasen in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor. Das Emissionssteuerungssystem beinhaltet eine modellbasierte Steuerung zum Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung in das Abgas. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung beinhaltet das Bestimmen einer Menge an NOx und einer Menge an NH3 an einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und an einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung. Das Steuern beinhaltet ferner das Berechnen einer Menge an einzuspritzendem Reduktionsmittel, um ein erstes vorgegebenes Verhältnis zwischen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten und um ein zweites vorgegebenes Verhältnis zwischen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten. Die Steuerung beinhaltet ferner das Senden eines Befehls zum Empfangen durch den Reduktionsmittelinjektor, um die berechnete Menge an Reduktionsmittel einzuspritzen.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Abgassysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere Abgasanlagen mit selektiver katalytischer Reduktionsvorrichtung (SCR) zur Emi ssi onssteuerung.
Das Abgas, das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen wie Kohlenmonoxid („CO“), unverbrannte Kohlenwasserstoffe („HC“) und Stickstoffoxide („NO_x“) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe), enthält, die Partikel („PM“) darstellen. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise auf Katalysatorträgern oder Substraten angeordnet sind, sind in einem Motorabgassystem als Teil eines Nachbehandlungssystems vorgesehen, um bestimmte oder sämtliche dieser Abgasbestandteile in nicht geregelte Abgaskomponenten umzuwandeln.
Abgasbehandlungssysteme beinhalten normalerweise selektive katalytische Reduktions (SCR)-Vorrichtungen. Eine SCR-Vorrichtung beinhaltet ein Substrat, mit einem darauf angeordneten SCR-Katalysator, um die Menge an NOx in dem Abgas zu reduzieren. Das typische Abgasbehandlungssystem beinhaltet auch ein Reduktionsmittelzufuhrsystem, das ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise Ammoniak (NH3), Harnstoff (NH₂)₂ CO usw.) einspritzt. Die SCR-Vorrichtung nutzt NH3 zur Reduktion von NO_x. Wenn beispielsweise die geeignete Menge an NH3 unter den geeigneten thermischen Bedingungen in die SCR-Vorrichtung eingespritzt wird, reagiert das NH3 mit dem NOx in Gegenwart des SCR-Katalysators, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Wenn die NH3-Einspritzmenge zu hoch ist, entsteht ein Überschuss an Ammoniak im Abgas und Ammoniak (NH3) kann aus dem SCR austreten. Wenn andererseits zu wenig Ammoniak im Abgas vorhanden ist, wird die SCR-NOx-Umwandlungseffizienz verringert.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Emissionssteuerungssystem zur Behandlung von Abgas aus einem Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug einen Reduktionsmittelinjektor. Das Emissionssteuerungssystem beinhaltet auch eine erste selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtung. Das Emissionssteuerungssystem beinhaltet auch eine zweite SCR-Vorrichtung. Das Emissionssteuerungssystem beinhaltet ferner eine Steuerung zum Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung in das Abgas. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung beinhaltet das Bestimmen einer Menge an NOx und einer Menge an NH3 an einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung beinhaltet ferner das Bestimmen einer Menge an NOx und einer Menge an NH3 an einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung beinhaltet ferner das Berechnen einer Menge an Reduktionsmittel, die eingespritzt werden muss, um ein erstes vorgegebenes Verhältnis zwischen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten und ein zweites vorgegebenes Verhältnis zwischen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten, um den optimalen Betrieb der beiden selektiven katalytischen Reduktionssysteme, der ersten SCR-Vorrichtung und der zweiten SCR-Vorrichtung zu gewährleisten. Die Steuerung der Reduktionsmitteleinspritzung beinhaltet ferner das Senden eines Befehls zum Empfangen durch den Reduktionsmittelinjektor, um die berechnete Menge an Reduktionsmittel einzuspritzen.
In einem oder mehreren Beispielen beruht das Bestimmen der NH3-Menge am Auslass der ersten CR-Vorrichtung auf dem Berechnen eines ersten geschätzten NH3-Speicherniveaus für die erste SCR-Vorrichtung und ferner auf dem Empfangen einer NOx-Messung an einem Einlass der ersten SCR-Vorrichtung. n einem oder mehreren Beispielen beruht das Bestimmen der Menge an NH3 am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung auf dem Berechnen eines zweiten geschätzten NH3-Speicherniveaus für die zweite SCR-Vorrichtung und der Menge an NH3 am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung. Das Bestimmen der NH3-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung beruht ferner auf dem Empfangen einer NOx-Messung am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung. In einem oder mehreren Beispielen ist die erste SCR-Vorrichtung ein SCR-Filter. In einem oder mehreren Beispielen ist die zweite SCR-Vorrichtung eine Unterflur-SCR-Vorrichtung. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Berechnen der Menge an Reduktionsmittel das Schätzen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung basierend auf einem Betriebsmodell, das eine Kombination aus der ersten SCR-Vorrichtung und der zweiten SCR-Vorrichtung beinhaltet.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen führt ein Abgassystem zur Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor eine selektive katalytische Reduktion (SCR) von Abgasen aus. Das Abgassystem beinhaltet eine erste SCR-Vorrichtung und eine Steuerung zum Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung in das Abgas. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung beinhaltet das Bestimmen, ob das Abgassystem eine zweite SCR-Vorrichtung beinhaltet. Als Reaktion auf das Abgassystem, das nur die erste SCR-Vorrichtung beinhaltet, beinhaltet das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung das Berechnen einer Menge des einzuspritzenden Reduktionsmittels basierend auf einem ersten Modell der ersten SCR-Vorrichtung, wobei das erste Modell ein erstes NH3-Speicherniveau an der ersten SCR-Vorrichtung schätzt. Als Reaktion auf das Abgassystem, das die zweite SCR-Vorrichtung beinhaltet, beinhaltet das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung das Berechnen der optimalen Menge des einzuspritzenden Reduktionsmittels basierend auf einer Kombination aus dem ersten Modell der ersten SCR-Vorrichtung und einem zweiten Modell der zweiten SCR-Vorrichtung, wobei die Kombination das erste NH3-Speicherniveau an der ersten SCR-Vorrichtung und ein zweites NH3-Speicherniveau an der zweiten SCR-Vorrichtung bestimmt. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung beinhaltet ferner das Senden eines Befehls an einen Reduktionsmittelinjektor, um die Menge des Reduktionsmittels einzuspritzen.
In einem oder mehreren Beispielen verwendet das erste Modell eine erste NOx-Messung von einem Einlass der ersten SCR-Vorrichtung und eine zweite NOx-Messung von einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung. Weiterhin verwendet das zweite Modell die zweite NOx-Messung vom Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und eine dritte NOx-Messung von einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung. Des Weiteren verwendet das erste Modell in einem oder mehreren Beispielen eine erste NH3-Schätzung vom Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und der Menge des eingespritzten Reduktionsmittels. In einem oder mehreren Beispielen verwendet das zweite Modell die erste NH3-Schätzung von einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und eine zweite NH3-Schätzung von einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung. Als Reaktion darauf, dass das Abgassystem die zweite SCR-Vorrichtung beinhaltet, beinhaltet das Berechnen der optimalen Menge an Reduktionsmittel das Aufrechterhalten eines ersten vorbestimmten Ausgleichs zwischen einer Menge an NH3 und einer Menge an NOx am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und das Aufrechterhalten eines zweiten vorbestimmten Ausgleichs zwischen einer Menge an NH3 und einer Menge an NOx am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein computerimplementiertes Verfahren zum Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung in ein Emissionssteuerungssystem, das eine erste selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR) beinhaltet, das Bestimmen, ob das Emissionssteuerungssystem eine zweite SCR-Vorrichtung beinhaltet. Als Reaktion auf das Abgassystem, das nur die erste SCR-Vorrichtung beinhaltet, beinhaltet das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung das Berechnen einer Menge des einzuspritzenden Reduktionsmittels basierend auf einem ersten Modell der ersten SCR-Vorrichtung, wobei das erste Modell ein erstes NH3-Speicherniveau an der ersten SCR-Vorrichtung schätzt. Als Reaktion auf das Abgassystem, das die zweite SCR-Vorrichtung beinhaltet, beinhaltet das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung das Berechnen der optimalen Menge des einzuspritzenden Reduktionsmittels basierend auf einer Kombination aus dem ersten Modell der ersten SCR-Vorrichtung und einem zweiten Modell der zweiten SCR-Vorrichtung, wobei die Kombination das erste NH3-Speicherniveau an der ersten SCR-Vorrichtung und ein zweites NH3-Speicherniveau an der zweiten SCR-Vorrichtung bestimmt. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung beinhaltet ferner das Senden eines Befehls an einen Reduktionsmittelinjektor, um die Menge des Reduktionsmittels einzuspritzen.
In einem oder mehreren Beispielen verwendet das erste Modell eine erste NOx-Messung von einem Einlass der ersten SCR-Vorrichtung und eine zweite NOx-Messung von einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung. Weiterhin verwendet das zweite Modell die zweite NOx-Messung vom Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und eine dritte NOx-Messung von einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung. Des Weiteren verwendet das erste Modell in einem oder mehreren Beispielen eine erste NH3-Schätzung vom Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und der Menge des eingespritzten Reduktionsmittels. In einem oder mehreren Beispielen verwendet das zweite Modell die erste NH3-Schätzung von einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und eine zweite NH3-Schätzung von einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung. Als Reaktion darauf, dass das Abgassystem die zweite SCR-Vorrichtung beinhaltet, beinhaltet das Berechnen der optimalen Menge an Reduktionsmittel das Aufrechterhalten eines ersten vorbestimmten Ausgleichs zwischen einer Menge an NH3 und einer Menge an NOx am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und das Aufrechterhalten eines zweiten vorbestimmten Ausgleichs zwischen einer Menge an NH3 und einer Menge an NOx am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne Weiteres hervor.
Figurenliste
Andere Eigenschaften, Vorteile und Details erscheinen, nur exemplarisch, in der folgenden ausführlichen Beschreibung der ausführlichen Beschreibung, welche sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht:

1 ist eine verallgemeinerte Darstellung eines Motors und eines zugehörigen Abgasnachbehandlungssystems, das zur Behandlung des durch den Motor erzeugten Abgasstroms konfiguriert ist;
2 verdeutlicht ein Blockdiagramm des Reduktionsmittel-Einspritzsteuerungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
3 verdeutlicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Bestimmen einer Menge an Reduktionsmittel, das in das Abgassystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen eingespritzt wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung in ihren An- oder Verwendungen zu beschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine Verarbeitungsschaltung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten, umfassen kann.
Im Allgemeinen wird in einem schematischen Diagramm unter Bezugnahme auf die in 1 dargestellte Konfiguration eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotors 12, eines Steuerungssystems 84 und eines Abgasbehandlungssystems 10 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt. In der vorliegenden Beschreibung wird der Motor 12 als Dieselmotor beschrieben, jedoch kann der Motor 12 in einem oder mehreren Beispielen ein Benzinmotor sein. Der exemplarische Dieselmotor 12 und das Steuersystem 84 umfassen einen Viertakt-Verbrennungsdieselmotor 12 und ein elektronisches Motorsteuergerät (ECM) 238, das konfiguriert werden kann, um die Emissionsregelung des Abgasstroms 16 am Auspuffendrohr 19 gemäß den hierin beschriebenen Steuerungsverfahren und Strategien durchzuführen. Der Motor kann einen bekannten Selbstzündungsmotor beinhalten, der einen Betriebszustand aufweist, der im Wesentlichen magerstöchiometrisch ist. Alternativ kann der Dieselmotor 12 auch einen Motor beinhalten, der so konfiguriert ist, dass er eine von einer Anzahl von Motorkonfigurationen und zugehörigen Motorsteuerstrategien einsetzt, und der auch diejenigen beinhaltet, die ein stöchiometrisch mageres Betriebsverhalten (oder Regime) aufweisen, z. B. homogen geladene S elb stzündungsmotoren.
Der Dieselmotor 12 kann jede Dieselmotorkonfiguration oder -anwendung umfassen, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. in Automobilen, Wasserfahrzeugen und dergleichen) sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Während des Betriebs erzeugt der Dieselmotor 12 einen Abgaszulauf oder -strom, dargestellt durch die Pfeile 16, die geregelte und ungeregelte Emissionsbestandteile enthalten, im Allgemeinen einschließlich der Gasbestandteile und Partikel. Das Abgasbehandlungssystem 10 dient dazu, regulierte Bestandteile, wie beispielsweise verschiedene Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Sauerstoffnitride (NOx) und Partikel (PM), in ungeregelte Bestandteile, wie beispielsweise Stickstoff (N2) und Wasser (H2O), umzuwandeln.
Das Abgasbehandlungssystem 10 enthält Rohrleitungen, Verbindungen und andere geeignete Durchfluss- und Anschlussmerkmale, die zusammen einen geschlossenen Durchgang definieren, der konfiguriert ist, um den Abgasstrom 16 vom Motor 12 aufzunehmen und einen behandelten Abgasstrom 16 aus einem Auspuffendrohr 19 abzugeben. Das Abgasbehandlungssystem 10 beinhaltet, wie dargestellt, eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR) 24 und eine Unterflur-Ammoniak-SCR-Vorrichtung (uSCR) 25. Das Abgasbehandlungssystem 10 kann ferner eine Dieseloxidationskatalysatorvorrichtung (DOC) 22 beinhalten. Stromabwärts des DOC 22 sind die zwei SCR-Vorrichtungen in Reihe geschaltet (serielle Positionierung) - das SCR 24 bzw. das uSCR 25.
Der SCR 24 und der uSCR 25 wirken zusammen, um die NOx-Emissionen, die im Abgas 16 am Motorauslass vorhanden sind, auf akzeptable Konzentrationsniveaus zu reduzieren. Im Allgemeinen werden die ursprünglich im Abgas 16 enthaltenen gasförmigen Emissionen behandelt, um die Menge der an die Atmosphäre abgegebenen geregelten Bestandteile zu begrenzen. Stromaufwärts des SCR 24 ist ein Harnstoffinjektor 236 angeordnet, um eine Menge einer Harnstofflösung (z. B. AdBlue, DEF) in den Abgasstrom 16 einzuspritzen.
Der Dieselmotor 12 ist fluidisch mit einem Auslasskrümmer 15 gekoppelt, der die aus jedem Zylinder im Motor 12 ausgetretenen Verbrennungsabgase sammelt und in dem Abgasstrom 16 zusammenführt, der an das Abgasbehandlungssystem 10 abgegeben wird.
Der DOC 22 ist am Abgaskrümmer mit einem Einlass montiert, der direkt mit dem Abgaskrümmer in Fluidverbindung steht, um den Abgasstrom 16 aufzunehmen. Der Abgasstrom 16 verlässt den DOC 22 und strömt stromabwärts zum SCR 24, für eine erste selektive katalytische Reduktion und anschließend zum uSCR 25 für eine zweite selektive katalytische Reduktion.
Der DOC 22 kann eine Kombination aus Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) beinhalten, die als feine Partikel auf einem hochflächigen Basismetalloxid wie γ-Aluminiumoxid (γ-Al₂O₃) oder einem Cer/Zirkonoxid (CeO₂-ZrO₂) verteilt sind. In einem oder mehreren Beispielen ist das Basismetalloxid auch im SCR 24 vorhanden, zwischen etwa 70 g/L und etwa 150 g/L des verfügbaren Durchflussvolumens über dem SCR 24. In weiteren Beispielen reicht die Pt/Pd/Rh-Beladung des Basismetalloxids von etwa 1 bis etwa 7 g/L des verfügbaren Durchflussvolumens über dem SCR 24.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet der SCR 24 eine oder mehrere Komponenten, die das Reduktionsmittel 246 und einen Katalysator verwenden, um NO und NO₂ aus dem Abgas 16 zu transformieren.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung für den SCR 24 und den uSCR 25 ist im Allgemeinen ein poröses Material mit großer Oberfläche, das effizient arbeiten kann, um NO_x-Bestandteile im Abgas 16 bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels 246, wie Ammoniak, umzuwandeln. So kann beispielsweise die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith und eine oder mehrere Basismetallkomponenten, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (W) und Kombinationen davon, enthalten. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith enthalten, der mit einem oder mehreren von Kupfer, Eisen oder Vanadium imprägniert ist. In einigen Ausführungsformen kann der Zeolith ein β-Zeolith, ein Y-Zeolith, ein ZM5-Zeolith oder eine beliebige andere kristalline Zeolithstruktur, wie ein Chabazit oder ein USY (ultrastabiler Y-Typ)-Zeolith, sein. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ. Geeignete SCR-Katalysatorzusammensetzungen können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit Partikelfilter (PF)-Vorrichtungen verwendet werden oder wenn sie in die nachstehend beschriebenen SCRF-Vorrichtungen integriert werden, die mithilfe von Hochtemperatur-Rußverbrennungsverfahren regeneriert werden.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung für den SCR 24 und den uSCR 25 kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren beinhalten, um die SO₃-Bildung weiter zu verringern und die Standzeit des Katalysators zu verlängern. Die einen oder mehreren basischen Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ beinhalten. In einer Ausführungsform kann WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ in Kombination mit V₂O₅ verwendet werden.
Der uSCR 25 ist stromabwärts vom SCR 24 in der Unterflurposition angeordnet. In einem oder mehreren Beispielen reicht der Abstand zwischen dem SCR 24 und dem uSCR 25 von etwa 3 Fuß bis etwa 10 Fuß. Der Einlass des uSCR 25 steht in Fluidverbindung mit dem Auslass des SCR 24, um den Abgasstrom 16 aufzunehmen. Der Auslass des uSCR 25 kommuniziert den Abgasstrom 16 stromabwärts zur Endrohröffnung 19, die den Abgasstrom in die Atmosphäre abgibt.
Der uSCR 25 kann feine Partikel aus (1) einem Grundmetall, Ionen-substituiertem Zeolith und/oder einem Grundmetall, Ionen-substituiertem Silikoaluminophosphat und (2) einem Sauerstoffspeichermaterial beinhalten. Zeolithe und Silicoaluminophosphate sind gerüstoffene, mikroporöse und ammoniakabsorbierende polymorphe Molekularsiebmaterialien, die vorzugsweise mit Cu oder Fe ionensubstituiert sind. Die Basismetall-Ionen-substituierten Partikel sind im uSCR 25 insgesamt in einem oder mehreren Beispielen von etwa 120 g/L bis etwa 180 g/L des verfügbaren Durchflussvolumens über dem uSCR 25 vorhanden. Das Sauerstoffspeichermaterial ist ein Metalloxid oder ein Mischmetalloxid, das eine Sauerstoffspeicher- und Freigabekapazität aufweist. In einem oder mehreren Beispielen ist das Sauerstoffspeichermaterial im uSCR-Katalysator 25 in einem Bereich von etwa 5 g/L bis etwa 50 g/L des verfügbaren Durchflussvolumens über dem uSCR 25 vorhanden. Es kann jede geeignete Verteilung der Partikelmaterialien verwendet werden. Die feinen Partikel des durch das Basismetall Ionen-substituierten Zeolith/Silicoaluminophosphat und des Sauerstoffspeichermaterials können beispielsweise gleichmäßig innerhalb einer einzelnen Washcoat-Schicht gemischt oder alternativ in getrennte und diskrete, kontaktierende Washcoat-Schichten oder -Zonen überführt werden. Das Sauerstoffspeichermaterial kann auch nahe des Einlasses oder des Auslasses des uSCR 25 oder in einer anderen ungleichmäßigen Verteilung konzentriert sein.
Die mit Basismetallen Ionen-substituierten Zeolithe, die zur Herstellung des uSCR 25 verwendet werden können, beinhalten einen Cu- oder Fe-substituierten β-Zeolithen, Y-Zeolithen, ZSM-5 Zeolithen, Chabazit-Zeolithen oder USY-Zeolithen (extrem stabiler Y-Typ). Weiterhin beinhalten die mit Basismetallen Ionen-substituierten Silicoaluminophosphate (SAPO), die zur Herstellung des uSCR 25 verwendet werden können, ein Cu- oder Fe-substituiertes SAPO-5, SAPO-34 oder SAPO-44. Einige spezifische Metalloxide oder Metallmischoxide, die im uSCR 25 als Sauerstoffspeichermaterial eingeschlossen sein können, sind cerhaltige und praseodymiumhaltige Metalloxide oder Mischmetalloxide wie CeO₂, Pr₆O₁₁, CeO₂-ZrO₂, CuO-CeO₂, FeOx-CeO₂ (1.0≦X≦1.5), MnO_x-CeO₂ (1.0≦X≦3.5), and Pr₆O₁₁-CeO₂. Jedes dieser Materialien, ohne an die Theorie gebunden zu sein, weist möglicherweise Kristallgitterstrukturen auf, die nichtstöchiometrische Einheitenzellmengen an Sauerstoff (sowohl höher als auch niedriger) aufnehmen können, ohne sich zu zersetzen. Diese Eigenschaft entspricht der Fähigkeit, Sauerstoff als Reaktion auf den Sauerstoffpartialdruck im Abgasstrom 16 und/oder Gleichgewichtsverschiebungen, die mit dem lokalen Sauerstoffverbrauch während der NOx Reduktion einhergehen, reversibel zu speichern und freizusetzen.
Bei laufendem Dieselmotor 12 entfernt das Abgasbehandlungssystem 10 die verschiedenen geregelten Emissionen aus dem Abgasstrom 16 und begrenzt gleichzeitig die Menge an Ammoniak, die in den Abgasstrom 16 eindringt. Der Abgasstrom 16 durchströmt zum einen den eng gekoppelten SCR 24 und zum anderen den Unterflur-uSCR 25. Die kombinierte katalytische Aktivität des SCR 24 und des uSCR 25 ermöglicht die kontinuierliche Behandlung des Abgasstroms 16 über eine robuste Vielzahl von Motorbetriebsbedingungen. Der anfängliche NOx-Reduktionsprozess findet am SCR 24 statt, wobei das NOx, das aus dem DOC 22 austritt, mit dem im SCR 24 gespeicherten NH3 reagiert. Jedes NOx, das nach dem SCR 24 austritt, wird am uSCR 25 reduziert, wobei das im uSCR 25 gespeicherte NH3 das Niveau der NOx -Konzentration im behandelten Abgasstrom 16 weiter reduziert. Das im SCR 24 und uSCR 25 gespeicherte NH3 stammt aus dem Harnstoffinjektor 236, während das im uSCR 25 gespeicherte NH3 aus dem SCRF 24 stammt, wenn das NH3 durch den uSCR 25 erfasst wird. Das Abgasbehandlungssystem 10 beinhaltet ferner ein Reduktionsmittel-Injektorsystem 84, das eine Menge an Reduktionsmittel steuert, die direkt in den SCR 24 und indirekt in den uSCR 25 eingespritzt wird.
Das dem Motor 12 zugeführte Luft-/Kraftstoffgemisch wird durch ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem (nicht dargestellt) ständig angepasst, um ein vorgegebenes Luft-/Kraftstoffmasseverhältnis zu erreichen, beispielsweise kann das Luft-/Kraftstoffverhältnis zwischen 15 und 50 oder zwischen 15 und 80 bei anderen Dieselmotoranwendungen liegen. Die Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemischs in den Zylindern des Motors 12 versorgt den Abgasstrom 16 mit einer relativ großen Menge an Stickstoff (z .B. >70 Vol.-%.), einer kleinen Menge an Sauerstoff und unerwünschten gasförmigen Emissionen aus Kohlenmonoxid, HC's und NOx. Die Menge des vorhandenen Sauerstoffs ist im Allgemeinen geringer als etwa 2,0 Vol.- %. Die Menge an Kohlenmonoxid, HCs und NOx liegt typischerweise bei etwa 0,8 Vol.-% oder weniger, etwa 800 ppm oder weniger und etwa 1500 ppm oder weniger. Die NOx -Konstitution des Abgasstroms 16 beinhaltet im Allgemeinen einen großen molaren Anteil an NO (mehr als 90 Mol-%). Es sollte erwähnt werden, dass die oben genannten Werte Beispiele sind, und dass in einer oder mehreren Ausführungsformen andere Werte als die obenstehenden verwenden können. Es versteht sich, dass die vorstehenden Werte exemplarisch sind und dass in einem oder mehreren Beispielen der Motor 12 mit anderen Messungen als den hierin beschriebenen betrieben werden kann.
Das momentane Luft-/Kraftstoffmasseverhältnis des Luft-/Kraftstoffgemischs kann jedoch je nach Motorkalibrierung und Betriebsbedingungen zwischen 15 und 80 schwanken. Diese Schwankungen bewirken, dass die chemische Zusammensetzung des Abgasstroms 16 innerhalb bestimmter Grenzen variiert.
Der SCR 24 empfängt den Abgasstrom 16, der mit dem NH3 246 vermischt ist, der durch den Harnstoffinjektor 236 eingespritzt wird, und speichert den NH3. Das im Abgas 16 enthaltene Nox-Gas reagiert mit dem gespeicherten NH3. Dabei reduziert der SCR 24 das im Abgas 16 enthaltene NOx auf N₂ und H₂O. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann der SCR 24 den NH3-Schlupf verursachen. Dadurch wird das NH3 dem uSCR 25 zugeführt, um eine zusätzliche katalytische NOx Reduktionsreaktion zu steuern, wenn NOx aus dem ersten SCR 24 austritt. Das im SCR 24 und uSCR 25 gespeicherte NH3 stammt aus dem Harnstoffinjektor 236; das NH3, das durch uSCR 25 gespeichert wird, stammt aus dem SCRF-Auslass, wenn NH3-Schlupf auftritt oder aus dem SCR 24 entweicht.
Der uSCR 25 empfängt den Abgasstrom 16 vom SCR 24. Der uSCR 25 trägt zu einer weiteren Reduzierung des NOx im Abgasstrom 16 bei, indem er das aus dem SCR 24 herausgerutschte NH3-Ammoniak kontinuierlich speichert und mit dem NOx stromabwärts des SCR 24 reagieren lässt. Die Wechselwirkung der beiden Reduktionssysteme SCR 24 und uSCR 25 führt zu einer erheblichen Reduzierung der NOx-Emissionen, wenn eine geeignete Menge an Reduktionsmittel 246 (Harnstoff NH3) durch den Harnstoffinjektor 236 eingespritzt wurde. Eine beliebige Anzahl von Ereignissen kann die NOx Umwandlungseffizienz des SCR 24 geringfügig verringern und ermöglichen, dass NOx über den Abgasstrom 16 den uSCR 25 erreicht. Das durch den SCR 24 hindurchtretende (d. h. rutscht) NOx wird durch das am uSCR 25 gespeicherte Ammoniak reduziert. Die Fähigkeit des uSCR 25, Abweichungen in der chemischen Zusammensetzung des Abgasstroms 16 und phasenverschobene Konzentrationsspitzen im NOx und Ammoniak aufzunehmen, trägt dazu bei, das Entweichen dieser beiden Substanzen in die Atmosphäre zu begrenzen.
Das im uSCR 25 enthaltene Sauerstoffspeichermaterial stellt eine Sauerstoffreserve bereit, welche die katalytische Reduktion zwischen Ammoniak und NOx verbessert. Das Sauerstoffspeichermaterial absorbiert Sauerstoff aus dem sauerstoffarmen Abgasstrom 16, wenn kein NOx vorhanden ist. Der angesammelte Sauerstoff wird dann extrahiert, um den spärlich verfügbaren Sauerstoff im Abgasstrom 16 zu ergänzen. Dieser Zufluss von Reservesauerstoff erreicht auf verschiedene Weise eine Effizienzsteigerung bei der Reduktion von NOx Zunächst verbessert der zusätzliche Sauerstoff die gesamte Reaktionskinetik der NOx -Reduktionsreaktionen (sowohl NO als auch NO₂), da Sauerstoffmangel eine ratenbegrenzende Wirkung aufweisen kann. Zum anderen fördert der zusätzliche Sauerstoff die Oxidation von NO zu NO₂. Diese Oxidationsreaktion verringert das NO zu NO₂ -Molverhältnis des NOx im uSCR 25. Eine derartige Anpassung ist wünschenswert, da die Gesamtreduktion von NOx im Allgemeinen effizienter verläuft, wenn das NO/NO₂ -Molverhältnis von dem ursprünglich vom Motor 12 erzeugten auf vorzugsweise etwa 1,0 (äquimolar) verringert wird.
2 verdeutlicht ein Blockdiagramm des Reduktionsmittel-Einspritzsteuerungssystems 84 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Es ist anzumerken, dass 2 eine vereinfachte Ansicht des Abgassystems abbildet und keine oder mehrere Komponenten, wie beispielsweise die DOC 22, darstellt. Es ist ferner anzumerken, dass das Reduktionsmittel-Einspritzsteuerungssystem 84 in einer oder mehreren Ausführungsformen zusätzliche Komponenten als die dargestellten beinhalten kann und dass das dargestellte Blockdiagramm die technischen Lösungen hierin beschreiben soll. Der SCR 24 und der uSCR 25 nehmen ein Reduktionsmittel 246 auf, wie beispielsweise bei variablen Dosierraten. Das Reduktionsmittel 246 kann aus einer Reduktionsmittelquelle 234 zugeführt werden. In einem oder mehreren Beispielen wird das Reduktionsmittel 246 an einer Stelle stromaufwärts des SCR 24 mit einem Einspritzinjektor 236 in die Abgasleitung 14 eingespritzt. Das Reduktionsmittel 246 kann in Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung, wie einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen. In einem oder mehreren Beispielen kann das Reduktionsmittel 246 mit Luft in der Einspritzdüse 236 gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprühnebels zu unterstützen. Der SCR 24 und der uSCR 25 nutzen das Reduktionsmittel 246, um das NOx im Abgas 16 zu reduzieren.
Das Reduktionsmittel-Einspritzsteuerungssystem 84 beinhaltet ferner das Steuermodul 238, das über eine Anzahl von Sensoren funktionsfähig verbunden ist, um den Motor 12 von 1 und die SCR-Vorrichtungen 24 und 25 zu überwachen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppenprozessor) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten. So kann beispielsweise das Steuermodul 238 ein chemisches Modell wie nachstehend beschrieben ausführen. Das Steuermodul 238 kann betriebsmäßig mit dem Motor 12, dem SCR 24, dem Harnstoffinjektor 236, dem uSCR 25 und/oder einem oder mehreren Sensoren verbunden werden.
Die Sensoren können einen ersten NO_x -Sensor 242, einen zweiten NO_x -Sensor 243 und einen dritten NOx-Sensor 244 beinhalten, von denen jeder in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 14 steht. Die NO_x Sensoren 242, 243, 244 erfassen ein NO_x -Niveau nahe ihrer Position in der Abgasleitung und erzeugen ein NOx-Signal, das dem NOx-Niveau entspricht. Ein NOx-Gehalt kann in einigen Ausführungsformen eine Konzentration, einen Massendurchsatz, oder eine volumetrische Durchflussmenge beinhalten. Ein von einem NOx-Sensor erzeugtes NOx-Signal kann beispielsweise vom Steuermodul 238 interpretiert werden. Das Steuermodul 238 kann zusätzlich mit einem oder mehreren Temperatursensoren, wie beispielsweise dem Temperatursensor 32 von 1, verbunden sein. In einem oder mehreren Beispielen kann der erste NOx-Sensor 242 stromabwärts des Motors 12, am DOC-Einlass oder am DOC-Auslass angeordnet sein, um die NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR 24 zu messen und so das NOx-Niveau am Einlass des SCR 24 zu erfassen. Da ein NOx-Sensor gegenüber Ammoniak NH3 kreuzempfindlich ist, ist der NOx-Sensor 242 vor dem Harnstoffinjektor 236 angeordnet; der zweite NOx-Sensor 243 ist stromabwärts des SCR 24 und stromaufwärts des uSCR 25 angeordnet, um das NOx-Niveau am Einlass des uSCRF 25 (oder am Auslass des SCR 24) zu erfassen; und der dritte NOx-Sensor 244 ist stromabwärts des uSCR 25 angeordnet, um das NOx-Niveau am Auslass des uSCR 25 zu erfassen. In einem oder mehreren Beispielen befindet sich der erste NOx-Sensor 242 stromaufwärts des DOC 22, der zweite NOx-Sensor 243 am Auslass des SCR 24 und der dritte NOx-Sensor 244 am Auslass des uSCR 25. Es ist anzumerken, dass die Positionen der in 2 dargestellten Sensoren veranschaulichend sind und dass sich die Sensoren in einer oder mehreren Ausführungsformen an anderen Positionen als den dargestellten befinden können. Weiterhin kann in einer oder mehreren Ausführungsformen eine andere Anzahl von Sensoren verwendet werden als die hierin dargestellten.
Das Reduktionsmittel 246 kann jede Zusammensetzung haben, die in der Lage ist, sich bei Vorhandensein von Abgas 16 und/oder Wärme zu zersetzen oder zu reagieren, um Ammoniak zu bilden. Wenn der Harnstoff in das heiße Abgas 16 eingespritzt wird, verdampft das Wasser und der Harnstoff wird thermisch in NH₃ und CO₂ aufgespalten. Die NH₃-Moleküle werden dann in den SCR 24 oder uSCR 25 Komponenten gespeichert, um die NOx-Reduktion durchzuführen.
Die Gleichungen (1) - (5) liefern exemplarische chemische Reaktionen für die 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 24 und den uSCR 25 auf einen bestimmten NOx-Reduktionsmechanismus oder -mechanismen zu begrenzen, noch den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Der SCR 24 und der uSCR 25 können so konfiguriert sein, dass sie eine der oben genannten NOx-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der vorstehenden NOx-Reduktionsreaktionen und andere NOx-Reduktionsreaktionen ausführt.
Das Reduktionsmittel 246 kann in verschiedenen Implementierungen mit Wasser verdünnt werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 246 mit Wasser verdünnt wird, verdampft die Wärme (z. B. aus dem Abgas) das Wasser, und Ammoniak wird dem SCR 24 und dem uSCR 25 zugeführt. Nicht-Ammoniak-Reduktionsmittel können wie gewünscht als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Die nachfolgende Reaktion (6) stellt im Allgemeinen eine exemplarische chemische Reaktion der Ammoniakproduktion durch Verdampfung und Harnstoffzersetzung bereit. (NH₂)₂ CO +H₂O→2NH₃+CO₂ (6)
Es versteht sich, dass die Gleichung (6) lediglich veranschaulichend, und nicht dazu gedacht ist, die Zersetzung von Harnstoff oder eines anderen Reduktionsmittels 246 auf einen bestimmten einzigen Mechanismus zu beschränken und den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen.
Die Modellierung und Optimierung des Betriebs der beiden Komponenten des SCR 24 und uSCR 25 ist eine technische Herausforderung, der sich die hierin beschriebenen technischen Lösungen stellen. Darüber hinaus ermöglichen die hierin beschriebenen technischen Lösungen die Steuerung des Betriebs sowohl des SCR 24 und des uSCR 25 als auch des resultierenden NOx aus dem Abgasbehandlungssystem 10, wobei nur ein Reduktionsmittel-(Harnstoff)-Injektor 236 stromaufwärts des SCR 24 angeordnet ist. Die technischen Lösungen ermöglichen daher einen systematischen und modularen Steuerungsansatz, um sowohl den SCR 24 als auch den uSCR 25 mit einem einzigen Steuermodul 238 flexibel zu verwalten. Die hierin beschriebenen technischen Lösungen erleichtern diese Flexibilität durch die Verwendung eines modellprädiktiven Steuerungsansatzes (MPC), der den uSCR 25 berücksichtigt und die Gesamtleistung des Abgasbehandlungssystems 10 optimiert, während er nur auf den einzelnen einzigartigen Harnstoffinjektor 236 wirkt.
Das Steuermodul 238 erweitert den MPC über den SCR 24 hinaus, um die Harnstoffeinspritzung optimal zu bestimmen (eingeschränkt durch das Vorhandensein nur eines einzelnen Harnstoffinjektors), während gleichzeitig der Ausgleich der chemischen Spezies NOx und NH3 sowohl am Auslass des SCR 24 als auch des uSCR 25 optimiert wird.
3 verdeutlicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Bestimmen einer Menge an Reduktionsmittel 246, das in das Abgasbehandlungssystem 10 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen eingespritzt wird. Das Verfahren 300 wird durch das Steuermodul 238 implementiert. In einem oder mehreren Beispielen führt das Steuermodul 238 zur Implementierung des Verfahrens eine oder mehrere computerausführbare Anweisungen aus, die auf einer computerlesbaren Speichervorrichtung gespeichert sind. Alternativ oder zusätzlich beinhaltet die Implementierung das Steuermodul 238, das nach einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen oder feldprogrammierbaren Gate-Array-Konfigurationen arbeitet.
Das Verfahren 300 beinhaltet das Bestimmen, ob der uSCR 25 vorhanden ist und durch die Reduktionsmitteleinspritzung bei 305 mit Reduktionsmittel versorgt werden soll. Die Bestimmung kann basierend auf einem vorgegebenen Kennzeichen erfolgen, das indikativ ist, wenn der uSCR 25 in das Abgasbehandlungssystem 10 aufgenommen wird. Wenn der uSCR 25 nicht gesteuert werden soll, beinhaltet das Verfahren 300 das Auslesen eines ersten Satzes von Eingangssignalen bei 310. Der erste Satz von Eingangssignalen beinhaltet Messsignale vom ersten NOx-Sensor 242 und vom zweiten NOx-Sensor 243. Der erste Satz von Eingangssignalen kann ferner die Temperaturmessung des SCR 24 und einen Gasmassenstrom, bezeichnet durch F, im SCR 24 beinhalten.
Das Verfahren beinhaltet ferner das Schätzen eines NH3 und Nox-Auslasses des SCR 24 bei 320. Das Schätzen beinhaltet die Verwendung eines SCR-Zustandsbeobachtungsmodells für den Betrieb des SCR 24. Der SCR-Zustandsbeobachter kann eine modellbasierte Vorhersage- und Korrekturstufe beinhalten. Das Schätzen beinhaltet das Berechnen eines geschätzten NH3-Speicherniveaus des SCR 24 und das weitere Berechnen einer Schätzung von NOx und einer Schätzung von NH3 am Auslass des SCR 24. Die SCR-Zustandsschätzung verwendet ein SCR-Physikmodell, das wie folgt gegeben ist: ${\begin{matrix} x (k + 1) = x (k) + T_{s} (\frac{1}{M_{N H 3}} (u (k) - y_{2} (k)) - \frac{1}{M_{N O x}} (C_{N O x, i n} (k) - y_{1} (k)) - a_{1} (k) x (k)) \\ y_{1} (k) = \frac{F (k) C_{N O x, i n} (k)}{F (k) + a_{2} (k) x (k)} \\ y_{2} (k) = \frac{F (k) (u (k) + a_{4} (k) x (k))}{F (k) + a_{5} - a_{3} x (k)} \end{matrix}$
Hier ist x(k) ein geschätztes NH3-Speicherniveau am SCR 24 im Zeitintervall k, T_s ist die Abtast- oder Planungszeit, zu der das Nachbehandlungssteuermodul im Steuermodul 238 wiederholt wird, u(k) ist die Menge des eingespritzten Reduktionsmittels, y₁ ist die Konzentration von NOx am zweiten NOx-Sensor 243, und y₂ ist die Konzentration von NH₃ am Auslass des SCR 24. Weiterhin verwendet das Schätzen die Konzentration von NOx (C_NOx,in) am SCR-Einlass von den ersten NOx-Sensoren 242. F(k) repräsentiert die Abgasdurchflussmessung (es kann eine Schätzung sein) im SCR 24 zum k-ten Zeitpunkt. Weiterhin verwendet das Schätzen mehrere vorkalibrierte temperaturabhängige Reaktionsfunktionen a₁-a₅. In der obigen Gleichung stellen M_NOx und M_NH3 die Molmasse von NOx bzw. die Molmasse von NH3 dar.
Unter erneuter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 beinhaltet das Verfahren 300 die Optimierung der Menge an Reduktionsmittel (u(k)), die durch den Reduktionsmittelinjektor 236 in das Abgas 16 bei 330 eingespritzt wird. Die Steuerung berechnet die Menge des Reduktionsmittels u(k), das in das Abgas eingespritzt werden soll, um die Reduktionssysteme SCR 24 optimal zu betreiben, um die NOx- und NH3-Emissionen am Auslass des SCR 24 so gering wie möglich zu halten: $u (k) = f (N H 3_{i n - k}, Δ N H 3_{i n \underset{u}{- k}}, N H 3_{k}, N O x_{k}, w i)$
Hier repräsentieren wi Terme Gewichtskalibrierungen, mit w_u wobei eine Gewichtskalibrierung für die Menge an einzuspritzendem Harnstoff NH_3in ist, w_du ist eine Gewichtskalibrierung zum Sicherstellen einer geringen Variation des Einspritzmusters des Reduktionsmittels. Weiterhin sindw_NOx,SCRF und w_NH3,SCRF Gewichtskalibrierungen, die auf einem Ausgleich zwischen NOx und NH₃ am Auslass des SCR 24 basieren. Das Steuermodul 238 bestimmt die optimale Menge des einzuspritzenden Reduktionsmittels 246, um eine Kostenfunktion zu minimieren, welche die Systemleistung ausdrückt, beispielsweise eine Kombination von NOx- und NH3-Konzentrationen an SCR 24-Auslässen, NOx-Reduktionseffizienz, Harnstoffeinspritzleistungen unter anderem bei 340 und 350.
Unter erneuter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3, wenn bestimmt wird, dass der uSCR 25 gesteuert werden soll (d. h. der uSCR 25 ist Teil des Abgasbehandlungssystems 10; bei 305), beinhaltet das Verfahren 300 das Empfangen eines zweiten Eingabesatzes bei 360; ansonsten wird bei 340 nur der SCRF 24 verwendet. Der zweite Eingabesatz beinhaltet die NOx-Sensorwerte des ersten NOx-Sensors 242, des zweiten NOx-Sensors 243 und des dritten NOx-Sensors 244, wobei der dritte Messwert vom uSCR-Auslass stammt. Der zweite Eingabesatz beinhaltet weiterhin die Temperatur des SCR 24 und eine Temperatur des uSCR 25, die von einem oder mehreren Temperatursensoren an den jeweiligen Vorrichtungen gemessen wird. Weiterhin beinhaltet der zweite Eingabesatz die Gasmassenströme durch den SCR 24 und durch den uSCR 25.
Weiterhin beinhaltet das Verfahren einen modellbasierten Beobachter, um einen oder mehrere Werte für den SCR 24 und den uSCR 25 bei 370 zu schätzen. Die Schätzung beinhaltet das Berechnen eines NH3-Speicherniveaus am SCR 24 und am uSCR 25. Weiterhin beinhaltet die Schätzung das Berechnen von NOx und NH3 am SCR-Auslass und am uSCR-Auslass. Die Schätzungen können basierend auf der folgenden physikalisch basierten Gleichung für den uSCR erfolgen: $\begin{array}{l} x_{u S C R} (k + 1) = x_{u S C R} (k) + T_{s} (\frac{1}{M_{N H 3}} (C_{N H 3, i n, u S C R} (k) - y_{2, u S C R} (k)) - \\ \frac{1}{M_{N H x}} (C_{N H x, i n, u S C R} (k) - y_{1, u S C R} (k)) - a_{1, u S C R} (k) x_{u S C R} (k)) \end{array}$
$y_{1, u S C R} (k) = \frac{F_{u S C R} (k) C_{N O x, i n, u S C R} (k)}{F_{u S C R} (k) + a_{2, u S C R} (k) x_{u S C R} (k)}$
$y_{2, u S C R} (k) = \frac{F_{u S C R} (k) (C_{N O 3, i n, u S C R} (k) + a_{4, u S C R} (k) x_{u S C R} (k))}{F_{u S C R} (k) + a_{5, u S C R} - a_{3, u S C R} x_{u S C R} (k)}$
Hier ist C_NH3,in,uSCR(k) das y₂(k) von Gleichung (7) und C_NOx,in,uSCR(k) ist das y₁(k) von Gleichung (7). y_1,uSCR(k) und y_2,uSCR(k) stellen die Konzentration der NOx- und NH3-Konzentration am uSCR-Auslass dar.
Das Verfahren 300 beinhaltet weiterhin die Optimierung der Menge an Reduktionsmittel (u(k)), die durch den Reduktionsmittelinjektor 236 bei 380 eingespritzt wird. Die Optimierung beinhaltet das Linearisieren einer Kombination des SCR-Modells und des uSCR-Modells aus den Gleichungen (7) und (9). Das linearisierte Modell der Kombination des SCR 24 und des uSCR 25 kann wie folgt ausgedrückt werden: $\begin{matrix} x (k + 1) = A (p (k)) x (k) + B_{u} (p (k)) u (k) \\ y (k) = C (p (k)) x (k), \end{matrix}$
wobei: $x (k) = [\begin{matrix} Θ \cdot θ (k) \\ u (k - 1) \\ Θ_{U F} \cdot θ_{u S C R} (k) \end{matrix}]$
$u (k) = C_{N H 3, i n} (k)$
$A (p (k)) = [\begin{matrix} A_{11} (p (k)) & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ A_{21} (p (k)) & 0 & A_{22} (p (k)) \end{matrix}]$
$B_{u} (p (k)) = [\begin{matrix} B_{1} (p (k)) \\ 1 \\ B_{2} (p (k)) \end{matrix}];$
$C (p (k)) = [\begin{matrix} C_{1} (p (k)) & 0 & 0 \\ C_{2} (p (k)) & D_{2} (p (k)) & 0 \\ C_{3} (p (k)) & 0 & 0 \\ C_{m} (p (k)) & D_{m} (p (k)) & 0 \\ C_{12_1} (p (k)) & 0 & C_{12_2} (p (k)) \\ C_{22_1} (p (k)) & D_{22} (p (k)) & C_{22_2} (p (k)) \\ 0 & 0 & C_{32_2} (p (k)) \\ C_{m 2_}_{1} (p (k)) & C_{m 2} (p (k)) & C_{m 2_2} (p (k)) \end{matrix}];$
und $y (k) = [\begin{matrix} y_{1} (k) \\ y_{2} (k) \\ y_{3} (k) \\ y_{4} (k) \\ y_{1, u S C R} (k) \\ y_{2, u S C R} (k) \\ y_{3, u S C R} (k) \\ y_{4, u S C R} (k) \end{matrix}] .$
Hier ist 0 die NH3-Speicherkapazität des SCR 24, θ(k)ist das NH₃-Speicherniveau am SCR 24 zum Zeitpunkt k, Θ_UFist die NH₃-Speicherkapazität des uSCR 25, θ_uSCR(k)ist das NH₃-Speicherniveau am uSCR 25 zum Zeitpunkt k.
Das Verfahren 300 beinhaltet die Optimierung der Menge an Reduktionsmittel (u(k)), die durch den Reduktionsmittelinjektor 236 bei 390 in das Abgas 16 eingespritzt wird. Die Optimierung beinhaltet das Lösen eines numerischen Optimierungsproblems in Echtzeit, um die optimale Menge an einzuspritzendem Harnstoff zum Minimieren einer Kostenfunktion zu bestimmen, welche die Systemleistung ausdrückt. So kann beispielsweise die Kostenfunktion eine Kombination aus NOx- und NH3-Konzentrationen am SCR-Auslass und/oder uSCR-Auslass, NOx-Reduktionseffizienz, Harnstoffeinspritzleistung und anderen hierin beschriebenen Parametern beinhalten. $u (k) = a r g \underset{N H 3_{i n}}{m i n} f (N H 3_{i n}, N H 3_{k}, N H x_{k}, N H x_{U F, k}, N H 3_{U F, k}, w_{i}, ε, ρ_{ε})$
Hier beinhalten die Terme w zusätzlich zu den Termen aus Gleichung (8), w_NOx,uSCR und w_NH3,uSCR, die Gewichtskalibrierungen für die NOx-Messung am Auslass des uSCR 25 und eine Schätzung für NH₃ am Auslass des uSCR 25 sind. Das Steuermodul 238 ist dementsprechend zum Berechnen einer optimalen Menge an einzuspritzendem Reduktionsmittel verantwortlich, um ein erstes vorgegebenes Verhältnis zwischen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass des SCR 24 aufrechtzuerhalten und um ein zweites vorgegebenes Verhältnis zwischen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass des uSCR 25 aufrechtzuerhalten.
Die Optimierung kann durch die Verwendung linearer und nicht-linearer Programmiertechniken gelöst werden, um die Menge an Reduktionsmittel 246 zu bestimmen, die durch das Berechnen des minimalen u(k) pro Gleichung (12) einzuspritzen ist. Das Verfahren 300 beinhaltet daher das Bestimmen des optimalen Niveaus des Reduktionsmittels 246, das in das Abgasbehandlungssystem 10 bei 350 eingespritzt werden soll. In einem oder mehreren Beispielen ist das optimale Niveau des Reduktionsmittels 246 das Minimum u(k), das durch das Optimieren der Ausdrücke in Gleichung (12) berechnet wird (oder im Falle ohne den uSCR der Gleichung (8)).
Das Steuermodul 238 weist den Injektor 236 an, die entsprechende Menge an Reduktionsmittel 246 gemäß dem berechneten u(k)-Wert einzuspritzen. Der Injektor 236 spritzt als Reaktion die vorgegebene Menge an Reduktionsmittel 246 in das Abgasbehandlungssystem 10 ein.
Die hier beschriebenen technischen Lösungen erleichtern Verbesserungen von Emissionssteuerungssystemen, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, wie diejenigen, die in Fahrzeugen verwendet werden. So bieten die technischen Lösungen beispielsweise eine Steuerstrategie, welche die Gesamtleistung des Abgasbehandlungssystems, bestehend aus einem SCR 24 und einem uSCR 25, optimiert, um die NOx-Emissionen im Auspuffendrohr in einem vorgegebenen Bereich zu halten, und zwar unter Verwendung nur eines einzelnen Reduktionsmittel-(Harnstoff)-Injektors 236 bei 340. Weiterhin erleichtern die technischen Lösungen den Betrieb des Steuermoduls 238 basierend auf einem Kalibrierwert, der angibt, ob das Steuermodul 238 eine Reduktionsmittelmenge nur für den SCR 24 oder eine Kombination aus sowohl dem SCR 24 als auch dem uSCR 25 berechnet. Das System verarbeitet automatisch die ausgewählte Konfiguration ohne manuellen Eingriff.
Die hierin beschriebenen technischen Lösungen optimieren dementsprechend die Leistung des gesamten Abgasbehandlungssystems 10 einschließlich der beiden SCR-Vorrichtungen, des SCR 24 und des uSCR 25, mit einem einzelnen Reduktionsmittelinjektor 236. Der einzelne Reduktionsmittelinjektor wird gesteuert, um eine berechnete Menge an Reduktionsmittel einzuspritzen, die direkt in eine erste SCR-Vorrichtung, wie den SCR 24, und indirekt in die zweite SCR-Vorrichtung, wie beispielsweise den uSCR 25, eingespritzt werden kann. Die Reduktionsmittelmenge wird unter Verwendung eines physikalisch basierten Modells berechnet und die Reduktionsmittelmenge wird in Echtzeit durch Lösen eines numerischen Programmierproblems im ECM-Prozessor berechnet. Dementsprechend bieten die hierin beschriebenen technischen Lösungen einen systematischen und modularen Steuerungsansatz zur flexiblen Verwaltung von SCR- und/oder SCR+uSCR-Architekturen mit einem einzelnen optimalen Steuerungs- und Injektorsystem.
Während die vorstehende Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen eingeschränkt sein soll, sondern dass sie auch alle Ausführungsformen beinhaltet, die innerhalb des Umfangs der Anmeldung fallen.

Claims

Emissionssteuerungssystem zum Behandeln von Abgas aus einem Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug, wobei das Emissionssteuerungssystem Folgendes umfasst: einen Reduktionsmittelinjektor; eine erste selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtung; eine zweite SCR-Vorrichtung; und eine modellbasierte Steuerung, die konfiguriert ist, um die Reduktionsmitteleinspritzung in das Abgas zu steuern, wobei das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung Folgendes umfasst: Bestimmen einer Menge an NOx und einer Menge an NH3 an einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung; Bestimmen einer Menge an NOx und einer Menge an NH3 an einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung; Berechnen einer Menge an Reduktionsmittel, die eingespritzt wird, um ein erstes vorgegebenes Verhältnis zwischen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten und ein zweites vorgegebenes Verhältnis zwischen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten, um den optimalen Betrieb der beiden selektiven katalytischen Reduktionssysteme, der ersten SCR-Vorrichtung und der zweiten SCR-Vorrichtung zu gewährleisten; und Senden eines Befehls zum Empfangen durch den Reduktionsmittelinjektor, um die berechnete Menge an Reduktionsmittel einzuspritzen.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin das Bestimmen der NH3-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung auf dem Berechnen eines ersten geschätzten NH3-Speicherniveaus für die erste SCR-Vorrichtung und ferner auf dem Empfangen einer NOx-Messung an einem Einlass der ersten SCR-Vorrichtung basiert.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 2, worin das Bestimmen der Menge an NH3 am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung auf dem Berechnen eines zweiten geschätzten NH3-Speicherniveaus für die zweite SCR-Vorrichtung und der Menge an NH3 am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 3, worin das Bestimmen der Menge an NH3 am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung ferner auf dem Empfangen einer NOx-Messung am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung der ersten SCR-Vorrichtung basiert.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die erste SCR-Vorrichtung ein SCR-Filter ist.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 5, worin die zweite SCR-Vorrichtung eine Unterflur-SCR-Vorrichtung ist.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin das Berechnen der Menge an Reduktionsmittel das Schätzen der Menge an NH3 und der Menge an NOx am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung basierend auf einem Zustandsbeobachter umfasst, der eine Kombination von physikalischen Modellen für die erste SCR-Vorrichtung und die zweite SCR-Vorrichtung beinhaltet.
Abgassystem zum Behandeln von Abgas, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, konfiguriert zum Durchführen einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Abgas, das Abgassystem umfassend: mindestens eine erste SCR-Vorrichtung; eine Steuerung, die konfiguriert ist, um das Einspritzen eines Reduktionsmittels in das Abgas zu steuern, wobei das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung Folgendes umfasst: Bestimmen, ob das Abgassystem eine zweite SCR-Vorrichtung beinhaltet; als Reaktion darauf, dass das Abgassystem nur die erste SCR-Vorrichtung beinhaltet, Berechnen einer Menge an einzuspritzendem Reduktionsmittel basierend auf einem ersten Modell der ersten SCR-Vorrichtung, wobei das erste Modell ein erstes NH3-Speicherniveau bei der ersten SCR-Vorrichtung schätzt; als Reaktion auf das Abgassystem, das die zweite SCR-Vorrichtung beinhaltet, Berechnen der optimalen Menge an einzuspritzendem Reduktionsmittel basierend auf einer Kombination aus dem ersten Modell der ersten Vorrichtung und einem zweiten Modell der zweiten SCR-Vorrichtung, wobei die Kombination das erste NH3-Speicherniveau bei der ersten SCR-Vorrichtung und ein zweites NH3-Speicherniveau bei der zweiten SCR-Vorrichtung schätzt; und Senden eines Befehls an einen Reduktionsmittelinjektor, um die Menge an Reduktionsmittel einzuspritzen.
Abgassystem nach Anspruch 8, worin das erste Modell eine erste NOx-Messung von einem Einlass der ersten SCR-Vorrichtung und eine zweite NOx-Messung von einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung verwendet.
Abgassystem nach Anspruch 9, worin das zweite Modell die zweite NOx-Messung vom Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und eine dritte NOx-Messung von einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung verwendet.