DE102020126204A1

DE102020126204A1 - Steuerung einer vorrichtung zur selektiven katalytischen reduktion

Info

Publication number: DE102020126204A1
Application number: DE102020126204.3A
Authority: DE
Inventors: Giulio Binetti; Giuseppe Mazzara BOLOGNA; Daniela Meola
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2021-05-06
Also published as: US11008921B1; US20210131332A1

Abstract

Zu den hier beschriebenen technischen Lösungen gehört ein Emissionssteuerungssystem zur Behandlung von Abgasen in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor. Das Emissionssteuerungssystem umfasst eine modellbasierte Steuerung zum Steuern von Reduktionsmitteleinspritzungen in das Abgas. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzungen umfasst die Bestimmung einer NOx- und einer NH3-Menge an einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und an einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung. Das Steuern umfasst ferner die Berechnung einer Menge von Reduktionsmitteln, die einzuspritzen ist, um ein erstes vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten und um ein zweites vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten. Ferner umfasst das Steuern das Senden eines Befehls zum Empfang durch die Reduktionsmitteleinspritzer, um die berechnete Menge an Reduktionsmitteln einzuspritzen.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Abgassysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere auf Abgassysteme, die SCR (selektive katalytische Reduktion)-Einheiten zur Emissionskontrolle verwenden.
Das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, ausgestoßene Abgas ist ein heterogenes Gemisch, das gasförmige Emissionen wie Kohlenmonoxid („CO“), unverbrannte Kohlenwasserstoffe („HC“) und Stickoxide („NOx“) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Feinstaub („PM“) darstellen. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise auf Katalysatorträgern oder -substraten angeordnet sind, werden in einer Motorabgasanlage als Teil eines Nachbehandlungssystems bereitgestellt, um bestimmte oder alle diese Abgasbestandteile in nicht regulierte Abgaskomponenten umzuwandeln.
Abgasbehandlungssysteme umfassen in der Regel Vorrichtungen zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Eine SCR-Vorrichtung umfasst ein Substrat mit einem darauf angeordneten SCR-Katalysator, um die NOx-Menge im Abgas zu reduzieren. Das typische Abgasbehandlungssystem umfasst auch ein Reduktionsmittelzufuhrsystem, das ein Reduktionsmittel wie z.B. Ammoniak (NH3), Harnstoff ((NH2)2 CO, usw.) einspritzt. Die SCR-Vorrichtung nutzt NH3 zur Reduzierung des NOx. Wenn z.B. die richtige Menge NH3 unter den richtigen thermischen Bedingungen in die SCR-Vorrichtung eingespritzt wird, reagiert das NH3 in Gegenwart des SCR-Katalysators mit dem NOx, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Wenn die NH3-Einspritzrate zu hoch ist, befindet sich ein Überschuss an Ammoniak im Abgas, und Ammoniak (NH3) kann aus dem SCR-System entweichen. Wenn andererseits zu wenig Ammoniak im Abgas vorhanden ist, verringert sich die NOx-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators.
BESCHREIBUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst ein Emissionssteuerungssystem zur Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug einen ersten Reduktionsmitteleinspritzer und einen zweiten Reduktionsmitteleinspritzer. Das Emissionssteuerungssystem umfasst auch eine erste Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Das Emissionssteuerungssystem umfasst auch eine zweite SCR-Vorrichtung. Das Emissionssteuerungssystem umfasst ferner eine Steuerung zum Steuern der ersten und zweiten Reduktionsmitteleinspritzung in das Abgas. Die Steuerung der Reduktionsmitteleinspritzungen umfasst die Bestimmung einer NOx- und einer NH3-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung. Die Steuerung der Reduktionsmitteleinspritzung umfasst ferner die Bestimmung einer NOx- und einer NH3-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung. Die Steuerung der Reduktionsmitteleinspritzungen umfasst ferner die Berechnung einer Reduktionsmittelmenge, die einzuspritzen ist, um ein erstes vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten und um ein zweites vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge 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, sicherzustellen. Die Steuerung der Reduktionsmitteleinspritzungen umfasst ferner das Senden eines Befehls zum Empfang durch die Reduktionsmitteleinspritzer, um die berechnete Menge des Reduktionsmittels einzuspritzen.
In einem oder mehreren Beispielen basiert die Bestimmung der NH3-Menge am Ausgang der ersten SCR-Vorrichtung auf der Berechnung eines ersten geschätzten NH3-Speicherniveaus für die erste SCR-Vorrichtung und ferner auf dem Empfang einer NOx-Messung am Einlass der ersten SCR-Vorrichtung. In einem oder mehreren Beispielen basiert die Bestimmung der NH3-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung auf der Berechnung eines zweiten geschätzten NH3-Speicherniveaus für die zweite SCR-Vorrichtung und der NH3-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung sowie der am Einlass der zweiten SCR-Vorrichtung eingespritzten NH3-Menge. Die Bestimmung der NH3-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung basiert ferner auf dem Empfang 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 Unterboden-SCR-Vorrichtung. Der erste Reduktionsmitteleinspritzer kann eine Vielzahl von ersten Reduktionsmitteleinspritzern und der zweite Reduktionsmitteleinspritzer kann eine Vielzahl von zweiten Reduktionsmitteleinspritzern sein. In einem oder mehreren Beispielen umfasst die Berechnung der Reduktionsmittelmenge die Schätzung der NH3-Menge und der NOx-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung auf der Grundlage eines Betriebsmodells, das eine Kombination der ersten SCR-Vorrichtung und der zweiten SCR-Vorrichtung umfasst.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen führt ein Abgassystem zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor emittierten Abgases eine selektive katalytische Reduktion (SCR) des Abgases durch. Das Abgassystem umfasst eine erste SCR-Vorrichtung und eine Steuerung zum Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung in das Abgas. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung umfasst die Bestimmung, ob das Abgassystem eine zweite SCR-Vorrichtung und einen zweiten Reduktionsmitteleinspritzer enthält. In Reaktion auf das Abgassystem, das nur die erste SCR-Vorrichtung enthält, umfasst das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung die Berechnung einer einzuspritzenden Reduktionsmittelmenge auf der Grundlage eines ersten Modells der ersten SCR-Vorrichtung, wobei das erste Modell ein erstes NH3-Speicherniveau in der ersten SCR-Vorrichtung schätzt. Als Reaktion auf das Abgassystem, das eine zweite SCR-Vorrichtung und einen zweiten Reduktionsmitteleinspritzer enthält, umfasst das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzungen das Berechnen einer einzuspritzenden ersten Reduktionsmittelmenge für den ersten Reduktionsmitteleinspritzer, und einer einzuspritzenden zweiten Reduktionsmittelmenge für den zweiten Reduktionsmitteleinspritzer, um ein erstes vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und ein zweites vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge 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 sicherzustellen. Das Steuern umfasst ferner das Senden eines Befehls zum Empfang durch den ersten und zweiten Reduktionsmitteleinspritzer, um die berechnete erste und zweite Reduktionsmittelmenge 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. Ferner 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. Darüber hinaus verwendet das erste Modell in einem oder mehreren Beispielen eine erste NH3-Schätzung aus dem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und die Menge des durch den ersten Einspritzer eingespritzten Reduktionsmittels. In einem oder mehreren Beispielen verwendet das zweite Modell die erste NH3-Schätzung aus einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung, eine zweite NH3-Schätzung aus einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung und die Menge des durch den zweiten Reduktionsmitteleinspritzer eingespritzten Reduktionsmittels. In Reaktion auf das Abgassystem mit der zweiten SCR-Vorrichtung umfasst die Berechnung der optimalen Reduktionsmittelmenge die Aufrechterhaltung einer ersten vorbestimmten Abstimmung zwischen einer NH3-Menge und einer NOx-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und die Aufrechterhaltung einer zweiten vorbestimmten Abstimmung zwischen einer NH3-Menge und einer NOx-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst ein computerimplementiertes Verfahren zum Steuern einer ersten Reduktionsmitteleinspritzung in ein Emissionssteuerungssystem, das eine erste Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) umfasst, das Bestimmen, ob das Emissionssteuerungssystem eine zweite SCR-Vorrichtung und einen zweiten Reduktionsmitteleinspritzer umfasst. In Reaktion auf das Abgassystem, das nur die erste SCR-Vorrichtung enthält, umfasst das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzung das Berechnen einer einzuspritzenden Reduktionsmittelmenge auf der Grundlage eines ersten Modells der ersten SCR-Vorrichtung, wobei das erste Modell ein erstes NH3-Speicherniveau an der ersten SCR-Vorrichtung schätzt. In Reaktion auf das Abgassystem, das die zweite SCR-Vorrichtung und einen zweiten Reduktionsmitteleinspritzer enthält, umfasst das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzungen das Berechnen der optimalen Menge des einzuspritzenden Reduktionsmittels auf der Grundlage einer Kombination des ersten Modells der ersten SCR-Vorrichtung und eines zweiten Modells der zweiten SCR-Vorrichtung, wobei die Kombination das erste NH3-Speicherniveau in der ersten SCR-Vorrichtung und ein zweites NH3-Speicherniveau in der zweiten SCR-Vorrichtung schätzt. Das Steuern der Reduktionsmitteleinspritzungen umfasst ferner das Senden eines Befehls an die Reduktionsmitteleinspritzer, um die Menge an Reduktionsmitteln 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. Ferner 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. Darüber hinaus verwendet das erste Modell in einem oder mehreren Beispielen eine erste NH3-Schätzung vom Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und die Menge des eingespritzten Reduktionsmittels. In einem oder mehreren Beispielen verwendet das zweite Modell die erste NH3-Abschätzung aus einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung, eine zweite NH3-Abschätzung aus einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung und die Menge des durch den zweiten Reduktionsmitteleinspritzer eingespritzten Reduktionsmittels. In Reaktion auf das Abgassystem, das die zweite SCR-Vorrichtung enthält, beinhaltet das Berechnen der optimalen Reduktionsmittelmenge die Aufrechterhaltung einer ersten vorbestimmten Abstimmung zwischen einer NH3-Menge und einer NOx-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung und die Aufrechterhaltung einer zweiten vorbestimmten Abstimmung zwischen einer NH3-Menge und einer NOx-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung.
Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:

1 eine verallgemeinerte Darstellung eines Motors und eines zugehörigen Abgasnachbehandlungssystems ist, das so konfiguriert ist, dass es den vom Motor erzeugten Abgasstrom behandelt;
2 ein Blockdiagramm des Reduktionsmitteleinspritzsteuerungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt; und
3 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Bestimmung einer Reduktionsmittelmenge zeigt, die in das Abgassystem eingespritzt werden soll, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es ist zu verstehen, dass in den Zeichnungen durchgehend entsprechende Referenzziffern auf gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale hinweisen. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf Verarbeitungsschaltungen, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) und ein Speichermodul, das ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinierte Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen, umfassen können.
Im Allgemeinen zeigt ein schematisches Diagramm, bezogen auf die in 1 gezeigte Konfiguration, eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotors 12, ein Steuersystem 84 und ein Abgasnachbehandlungssystem 10 gemäß der einen oder mehreren Ausführungsformen. In der vorliegenden Beschreibung wird der Motor 12 als Dieselmotor beschrieben, in einem oder mehreren Beispielen kann der Motor 12 jedoch auch ein Benzinmotor sein. Der beispielhafte Dieselmotor 12 und das Steuersystem 84 umfasst einen Viertakt-Verbrennungsdieselmotor 12 und ein elektronisches Motorsteuermodul (ECM) 238, das so konfiguriert werden kann, dass es die Emissionskontrolle eines Abgasstroms 16 am Auspuffrohr 19 gemäß den hier beschriebenen Steuerungsverfahren und -strategien durchführt. Der Motor kann einen bekannten Kompressionszündungsmotor mit einem Betriebsregime umfassen, das in erster Linie stöchiometrisch mager ist. Alternativ kann der Dieselmotor 12 einen Motor enthalten, der so konfiguriert ist, dass er eine beliebige aus einer Reihe von Motorkonfigurationen und zugehörigen Motorsteuerungsstrategien verwendet, und der auch solche mit einem stöchiometrisch mageren Betriebsregime (oder Betriebsregimen) umfasst, z.B. homogene Ladekompressionszündungsmotoren.
Beim Dieselmotor 12 kann es sich um jede beliebige Dieselmotor-Konfiguration oder Anwendung handeln, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. Automobil, Schifffahrt und dergleichen) sowie verschiedener nicht fahrzeugbezogener Anwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Während des Betriebs erzeugt der Dieselmotor 12 einen Abgasspeisestrom oder -strom, der durch die Pfeile 16 dargestellt wird und geregelte und ungeregelte Emissionsbestandteile enthält, im Allgemeinen mit Gasen und Feinstaubbestandteilen. Das Abgasbehandlungssystem 10 wandelt geregelte Bestandteile, wie z.B. verschiedene Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Feinstaub (PM), in ungeregelte Bestandteile, wie z.B. Stickstoff (N2) und Wasser (H2O), um.
Das Abgasbehandlungssystem 10 enthält Rohrleitungen, Verbindungen und andere geeignete Strömungskanäle und Anschlussmerkmale, die zusammen einen geschlossenen Kanal definieren, der so konfiguriert ist, dass er den Abgasstrom 16 vom Motor 12 empfängt und einen behandelten Abgasstrom 16 aus einem Auspuffrohr 19 abgibt. Das Abgasbehandlungssystem 10 umfasst, wie dargestellt, eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) 24 und eine Unterboden-Ammoniak-SCR-Vorrichtung (uSCR) 25. Das Abgasbehandlungssystem 10 kann ferner eine Diesel-Oxidationskatalysator-Vorrichtung (DOC) 22 enthalten. Stromabwärts der DOC 22 sind die beiden SCR-Vorrichtungen in Reihe geschaltet (serielle Anordnung) - die SCR 24 und die uSCR 25.
Der SCR 24 und die USCR 25 arbeiten kooperativ zusammen, um die NOx-Emissionen, die im Abgas 16 am Motorausgang vorhanden sind, auf ein akzeptables Konzentrationsniveau zu senken. Im Allgemeinen werden die ursprünglich im Abgas 16 enthaltenen gasförmigen Emissionen behandelt, um die Menge der regulierten Bestandteile, die in die Atmosphäre abgegeben werden, zu begrenzen. Ein erster Harnstoffinjektor 236 ist vor der SCR 24 angeordnet, um eine erste Menge Harnstofflösung (z.B. AdBlue, DEF) in den Abgasstrom 16 einzuspritzen. Außerdem ist ein zweiter Harnstoffeinspritzer 237 vor der uSCR 25 angeordnet, um eine zweite Menge Harnstofflösung (z.B. AdBlue, DEF) in den Abgasstrom 16 einzuspritzen.
Der Dieselmotor 12 ist mit einem Auslasskrümmer 15 fluidisch gekoppelt, der die Verbrennungsabgasprodukte sammelt, die von jedem Zylinder im Motor 12 ausgestoßen werden, und sie in den Abgasstrom 16 konsolidiert, der dem Abgasbehandlungssystem 10 zugeführt wird.
Die DOC 22 wird am Auspuffkrümmer mit einem Einlass montiert, der in direkter Fluidverbindung mit dem Auspuffkrümmer steht, um den Abgasstrom 16 aufzunehmen. Der Abgasstrom 16 tritt aus der DOC 22 aus und strömt stromabwärts zum SCR 24 für eine erste selektive katalytische Reduktion und anschließend zur uSCR 25 für eine zweite selektive katalytische Reduktion.
Der DOC 22 kann eine Kombination aus Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) enthalten, die als feine Partikel auf einem Basismetalloxid mit großer Oberfläche wie y-Aluminiumoxid (y-Al₂O₃) oder einem Cer/Zirkoniumoxid (CeO₂-ZrO₂) dispergiert sind. In einem oder mehreren Beispielen ist das unedle Metalloxid auch in der SCR 24 vorhanden, und zwar in einem Bereich von etwa 70 g/L bis etwa 150 g/L des verfügbaren Durchflussvolumens über der SCR 24. In weiteren Beispielen liegt die Pt/Pd/Rh-Beladung des Basismetalloxids im Bereich von etwa 1 bis etwa 7 g/L des verfügbaren Durchflussvolumens über der SCR 24.
In einem oder mehreren Beispielen enthält das SCR 24 eine oder mehrere Komponenten, die ein Reduktionsmittel 246 und einen Katalysator zur Umwandlung von NO und NO₂ im Abgas 16 verwenden. Darüber hinaus enthält die uSCR 25 in einem oder mehreren Beispielen eine oder mehrere Komponenten, die ein Reduktionsmittel 247 und einen Katalysator zur Umwandlung von NO und NO₂ im Abgas 16 verwenden.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung für die SCR 24 und die uSCR 25 ist im Allgemeinen ein poröses Material mit großer Oberfläche, das effizient arbeiten kann, um NOx-Bestandteile im Abgas 16 in Gegenwart eines Reduktionsmittels 246, wie z.B. Ammoniak, umzuwandeln. Zum Beispiel kann die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith enthalten, der mit einer oder mehreren unedlen Metallkomponenten wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu), Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (W) und Kombinationen davon imprägniert ist. 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 einen Zeolith vom Typ B, einen Zeolith vom Typ Y, einen Zeolith vom Typ ZM5 oder eine andere kristalline Zeolithstruktur wie z.B. ein Chabazit oder ein USY-Zeolith (ultrastabiler Zeolith vom Typ Y) sein. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabasit. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ. Geeignete SCR-Katalysatorzusammensetzungen können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie in Verbindung mit bekannten Partikelfilter (PF)-Vorrichtungen verwendet werden oder wenn sie in SCR-Vorrichtungen eingebaut sind, die durch Hochtemperatur-Abgasrußverbrennungstechniken regeneriert werden.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung für die SCR 24 und die uSCR 25 kann optional ein oder mehrere unedle Metalloxide als Promotoren enthalten, um die SO₃-Bildung weiter zu verringern und die Lebensdauer des Katalysators zu verlängern. Das eine oder die mehreren unedlen Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO₃, Al₂O₃ und MoO₃ enthalten. In einer Ausführungsform können WO₃, Al₂O₃ und MoO₃ in Kombination mit V₂O₅ verwendet werden.
Die uSCR 25 ist stromabwärts von der SCR 24 in Unterbodenposition positioniert. In einem oder mehreren Beispielen reicht der Abstand zwischen der SCR 24 und der uSCR 25 von ca. 3 Fuß bis ca. 10 Fuß. Der Einlass der uSCR 25 steht in fludischer Verbindung mit dem Auslass der SCR 24, um den Abgasstrom 16 aufzunehmen. Der Auslass der uSCR 25 leitet den Abgasstrom 16 stromabwärts zur Auspuffrohröffnung 19, die den Abgasstrom an die Atmosphäre abgibt.
Die uSCR 25 kann feine Partikel aus (1) einem mit Basismetallionen substituierten Zeolithen und/oder einem mit Basismetallionen substituierten Silikoaluminophosphat und (2) einem Sauerstoffspeichermaterial enthalten. Zeolithe und Silikoaluminophosphate sind offene, mikroporöse und ammoniakabsorbierende polymorphe Molekularsiebmaterialien mit offenem Gerüst, die vorzugsweise mit Cu oder Fe ionensubstituiert sind. Die mit unedlen Metallionen substituierten Partikel sind in der uSCR 25 vollständig vorhanden, in einem oder mehreren Beispielen von etwa 120 g/L bis etwa 180 g/L des verfügbaren Durchflussvolumens über die uSCR 25. Das Sauerstoffspeichermaterial ist ein Metalloxid oder ein Metallmischoxid, das eine Kapazität zur Sauerstoffspeicherung und -freisetzung 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 die uSCR 25 vorhanden. Jede geeignete Verteilung der partikulären Materialien kann verwendet werden. Die Feinpartikel des mit Basismetallionen substituierten Zeoliths/Silikoaluminophosphats und des Sauerstoffspeichermaterials können z.B. innerhalb einer einzigen Grundierungsschicht gleichmäßig gemischt werden oder alternativ in getrennte und diskrete sich berührende Grundierungsschichten oder -zonen versetzt werden. Das Sauerstoffspeichermaterial kann auch in der Nähe des Einlasses oder des Auslasses der uSCR 25 oder in einer anderen ungleichmäßigen Verteilung konzentriert sein.
Zu den mit Basismetallionen substituierten Zeolithen, die zur Herstellung der uSCR 25 verwendet werden können, gehören ein Cu- oder Fe-substituierter Zeolith vom Typ B, ein Zeolith vom Typ Y, ein Zeolith vom Typ ZSM-5, ein Zeolith vom Typ Chabasit oder ein USY-Zeolith (ultrastabiler Zeolith vom Typ Y). Ferner umfassen die unedlen Metallionen-substituierten Silikoaluminophosphate (SAPO), die zur Herstellung der uSCR 25 verwendet werden können, einen Cu- oder Fe-substituierten SAPO-5, SAPO-34 oder SAPO-44. Einige spezifische Metalloxide oder gemischte Metalloxide, die in der uSCR 25 als Sauerstoffspeichermaterial enthalten sein können, sind ceriumhaltige und praseodymhaltige Metalloxide oder gemischte Metalloxide wie CeO₂, Pr₆O₁₁, CeO₂-ZrO₂, CuO-CeO₂, FeO_x-CeO₂ (1.0≤X≤1.5), MnO_x-CeO₂ (1.0≤X≤3.5) und Pr₆O₁₁-CeO₂. Man geht davon aus, dass jedes dieser Materialien, ohne durch die Theorie gebunden zu sein, Kristallgitterstrukturen aufweist, die nicht-stöchiometrische Einheitszellmengen von Sauerstoff (sowohl höhere als auch niedrigere) aufnehmen können, ohne sich zu zersetzen. Diese Eigenschaft entspricht einer Fähigkeit zur reversiblen Speicherung und Freisetzung von Sauerstoff als Reaktion auf den Sauerstoffpartialdruck im Abgasstrom 16 und/oder auf Gleichgewichtsverschiebungen, die mit dem lokalisierten Sauerstoffverbrauch während der NOx-Reduktion einhergehen.
Wenn der Dieselmotor 12 in Betrieb ist, entfernt das Abgasbehandlungssystem 10 die verschiedenen regulierten Emissionen aus dem Abgasstrom 16 und begrenzt gleichzeitig die Menge an Ammoniak, die in den Abgasstrom 16 gelangt. Der Abgasstrom 16 fließt erstens durch die eng gekoppelte SCR 24 und zweitens durch den Unterboden-USCR 25. Die kombinierte katalytische Aktivität der SCR 24 und der uSCR 25 ist in der Lage, den Abgasstrom 16 über eine Vielzahl robuster Motorbetriebsbedingungen hinweg kontinuierlich zu behandeln. Der anfängliche NOx-Reduktionsprozess findet in der SCR 24 statt, wo das aus der DOC 22 austretende NOx mit dem in der SCR 24 gespeicherten NH3 reagiert. Jegliches NOx, das nach der SCR 24 entweicht, wird an der uSCR 25 reduziert, wobei das in der uSCR 25 gespeicherte NH3 die NOx-Konzentration im behandelten Abgasstrom 16 weiter reduziert. Das in der SCR 24 und in der uSCR 25 gespeicherte NH3 stammt aus dem ersten Harnstoffeinspritzer 236, während das in der uSCR 25 gespeicherte NH3 aus der SCR 24 und dem zweiten Harnstoffeinspritzer 237 stammt, wenn das NH3 von der uSCR 25 aufgefangen wird. Das Abgasbehandlungssystem 10 umfasst ferner ein Reduktionsmitteleinspritzsystem 84, das die Menge des Reduktionsmittels steuert, die direkt in die SCR 24, direkt in die uSCR 25 und indirekt in die uSCR 25 eingespritzt wird.
Das Luft/Kraftstoff-Gemisch, das dem Motor 12 zugeführt wird, wird durch ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem (nicht dargestellt) ständig angepasst, um ein vorbestimmtes Luft/Kraftstoff-Massenverhältnis zu erreichen, z.B. kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zwischen 15 und 50 bzw. 15 und 80 bei anderen Dieselmotoranwendungen liegen. Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemischs in den Zylindern des Motors 12 versorgt den Abgasstrom 16 mit einer relativ großen Menge Stickstoff (z.B. >70 Vol. %), einer kleinen Menge Sauerstoff und unerwünschten gasförmigen Emissionen, die Kohlenmonoxid, HC's und NOx umfassen. Die Menge des vorhandenen Sauerstoffs beträgt im Allgemeinen weniger als etwa 2,0 Vol.-%. Die vorhandene Menge an Kohlenmonoxid, HC und NOx beträgt im Allgemeinen etwa 0,8 Vol. % oder weniger, etwa 800 ppm oder weniger bzw. etwa 1500 ppm oder weniger. Der NOx-Anteil des Abgasstroms 16 enthält im Allgemeinen einen großen molaren Anteil an NO (mehr als 90 Mol-%). Es ist zu beachten, dass die obigen Werte Beispiele sind und dass in einer oder mehreren Ausführungsformen die Werte von den oben aufgeführten abweichen können. Es wird davon ausgegangen, dass die obigen Werte beispielhaft sind und dass in einer oder mehreren Ausführungsformen der Motor 12 mit anderen als den hier beschriebenen Messungen betrieben werden kann.
Das momentane Luft/Kraftstoff-Massenverhältnis des Luft/Kraftstoff-Gemisches 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.
Die SCR 24 empfängt den Abgasstrom 16, der mit dem vom ersten Harnstoffeinspritzer 236 eingespritzten NH3 246 vermischt wird, und speichert das NH3. Das im Abgas 16 vorhandene NOx-Gas reagiert mit dem gespeicherten NH3. Auf diese Weise reduziert die SCR 24 das im Abgas 16 enthaltene NOx zu N2 und H2O. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann die SCR 24 NH3 entweichen lassen. Die SCR 24 und der zweite Harnstoffeinspritzer 237 führen das NH3 der uSCR 25 zu, um eine zusätzliche katalytische NOx-Reduktionsreaktion anzutreiben, wenn NOx aus der ersten SCR 24 entweicht. Das in der SCR 24 und in der uSCR 25 gespeicherte NH3 kommt aus dem ersten Harnstoffeinspritzer 236 und dem zweiten Harnstoffeinspritzer 237; das in der uSCR 25 gespeicherte NH3 kommt aus dem SCR-Auslass, wenn das NH3 aus der SCR 24 austritt oder entweicht.
Die uSCR 25 erhält den Abgasstrom 16 aus der SCR 24 und dem ersten Harnstoffeinspritzer 236. Die uSCR 25 trägt zu einer weiteren Reduzierung der NOx im Abgasstrom 16 bei, indem sie das aus der SCR 24 entwichene und durch den zweite Reduktionsmitteleinspritzer 237 eingespritzte NH3-Ammoniak kontinuierlich speichert und mit dem NOx stromabwärts der SCR 24 reagieren lässt. Das Zusammenwirken der beiden Reduktionssysteme SCR 24 und uSCR 25 führt zu einer erheblichen Verringerung der NOx-Emissionen, wenn eine geeignete Menge des Reduktionsmittels 246 und des Reduktionsmittels 247 (Harnstoff, NH3) durch den ersten und zweiten Harnstoffeinspritzer 236, 237 eingespritzt wurde. Eine beliebige Anzahl von Ereignissen kann den NOx-Umwandlungswirkungsgrad der SCR 24 geringfügig vermindern und es NOx ermöglichen, über den Abgasstrom 16 die uSCR 25 zu erreichen. Das NOx, das die SCR 24 durchströmt (d.h. durchrutscht), wird durch das in der uSCR 25 gespeicherte Ammoniak reduziert. Die Fähigkeit der uSCR 25, Abweichungen in der chemischen Zusammensetzung des Abgasstroms 16 und phasenverschobene Konzentrationsspitzen von NOx und Ammoniak auszugleichen, trägt dazu bei, das Entweichen dieser beiden Substanzen in die Atmosphäre zu begrenzen.
Das in der uSCR 25 enthaltene Sauerstoffspeichermaterial bietet eine Reserve-Sauerstoffversorgung, die die katalytische Reduktionsreaktion zwischen Ammoniak und NOx verstärkt. Das Sauerstoffspeichermaterial absorbiert Sauerstoff aus dem Abgasstrom 16 mit niedrigem Sauerstoffgehalt, wenn kein NOx vorhanden ist. Der angesammelte Sauerstoff wird dann extrahiert, um den spärlich verfügbaren Sauerstoff im Abgasstrom 16 zu ergänzen. Durch diesen Zufluss von Reservesauerstoff werden auf verschiedene Weise Effizienzsteigerungen bei der NOx-Reduktion erzielt. Erstens verbessert der zusätzliche Sauerstoff die gesamte Reaktionskinetik der NOx-Reduktionsreaktionen (sowohl NO als auch NO₂), da die Sauerstoffknappheit eine ratenbegrenzende Wirkung haben kann. Zweitens fördert der zusätzliche Sauerstoff die Oxidation von NO zu NO₂. Diese Oxidationsreaktion verringert das NO-zu-NO₂-Molverhältnis des NOx in der uSCR 25. Eine solche Einstellung ist wünschenswert, da die Gesamtreduktion von NOx im allgemeinen effizienter abläuft, wenn das NO/NO₂-Molverhältnis von dem ursprünglich vom Motor 12 erzeugten auf vorzugsweise etwa 1,0 (äquimolar) verringert wird.
2 zeigt ein Blockdiagramm des Steuersystems 84 für die Reduktionsmitteleinspritzung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Es ist zu beachten, dass 2 eine vereinfachte Ansicht des Abgassystems darstellt und keine Darstellung einer oder mehrerer Komponenten, wie z.B. der DOC 22, enthält. Ferner ist zu beachten, dass bei einer oder mehreren Ausführungsformen das Reduktionsmitteleinspritzsteuersystem 84 zusätzliche Komponenten als die dargestellten enthalten kann und dass das dargestellte Blockschaltbild die hier dargestellten technischen Lösungen beschreiben soll. Die SCR 24 über den ersten Einspritzer 236 und die USCR 25 über den zweiten Einspritzer 237 erhalten ein Reduktionsmittel 246 und ein Reduktionsmittel 247, z.B. bei variablen Dosierraten. Das Reduktionsmittel 246 und das Reduktionsmittel 247 können von einer Reduktionsmittelversorgungsquelle 234 gespeist werden. In einem oder mehreren Beispielen werden das Reduktionsmittel 246 und das Reduktionsmittel 247 in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts der SCR 24 unter Verwendung des ersten Harnstoffeinspritzers 236 und an einer Stelle stromaufwärts der USCR 25 unter Verwendung des zweiten Harnstoffeinspritzers 237 eingespritzt. Das Reduktionsmittel 246 und das Reduktionsmittel 247 können in Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung, z.B. einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen. In einem oder mehreren Beispielen können das Reduktionsmittel 246 und das Reduktionsmittel 247 im ersten Einspritzer 236 und im zweiten Einspritzer 237 mit Luft gemischt werden, um die Dispersion eines eingespritzten Sprays zu unterstützen. Die SCR 24 und die uSCR 25 verwenden das Reduktionsmittel 246 und das Reduktionsmittel 247, um das NOx im Abgas 16 zu reduzieren.
Das Reduktionsmitteleinspritzsteuersystem 84 umfasst ferner das Steuermodul 238, das über eine Reihe von Sensoren funktionsfähig angeschlossen ist, um den Motor 12, 1, und die SCR-Vorrichtungen 24 und 25 zu überwachen. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinierte Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Zum Beispiel kann das Steuermodul 238 ein chemisches SCR-Modell ausführen, wie unten beschrieben. Das Steuermodul 238 kann betriebsfähig mit dem Motor 12, der SCR 24, dem ersten Harnstoffeinspritzer 236, dem zweiten Harnstoffeinspritzer 237, der uSCR 25 und/oder einem oder mehreren Sensoren verbunden sein.
Die Sensoren können einen ersten NOx-Sensor 242, einen zweiten NOx-Sensor 243 und einen dritten NOx-Sensor 244 umfassen, die jeweils in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 14 stehen. Die NOx-Sensoren 242, 243, 244 erkennen einen NOx-Wert in der Nähe ihrer Position in der Abgasleitung und erzeugen ein NOx-Signal, das dem NOx-Wert entspricht. Ein NOx-Niveau kann in einigen Ausführungsformen eine Konzentration, einen Massendurchsatz oder einen Volumendurchsatz umfassen. Ein von einem NOx-Sensor erzeugtes NOx-Signal kann z.B. vom Steuermodul 238 interpretiert werden. Das Steuermodul 238 kann zusätzlich mit einem oder mehreren Temperatursensoren, wie z.B. Temperatursensor 32 in 1, in Kommunikation stehen. 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 der SCR 24 zu messen und so das NOx-Niveau am Einlass der SCR 24 zu erfassen. Da im letzten Fall ein NOx-Sensor querempfindlich auf Ammoniak NH3 reagiert, ist der NOx-Sensor 242 vor dem Harnstoffeinspritzer 236 angeordnet; der zweite NOx-Sensor 243 ist stromabwärts der SCR 24 und stromaufwärts sowohl der _USCR 25 als auch des zweiten Harnstoffeinspritzers 237 angeordnet, um das NOx-Niveau am Einlass der uSCR 25 (oder am Auslass der SCR 24) zu erfassen; und der dritte NOx-Sensor 244 ist stromabwärts der uSCR 25 angeordnet, um den NOx-Niveau am Auslass der uSCR 25 zu erfassen. In einem oder mehreren Beispielen befindet sich der erste NOX-Sensor 242 stromaufwärts der DOC 22, der zweite NOx-Sensor 243 am Ausgang der SCR 24 und der dritte NOx-Sensor 244 am Ausgang der uSCR 25. Es ist zu beachten, dass die Positionen der in 2 dargestellten Sensoren illustrativ sind und dass sich die Sensoren in einer oder mehreren Ausführungsformen in anderen als den dargestellten Positionen befinden können. Ferner kann in einer oder mehreren Ausführungsformen eine andere Anzahl von Sensoren verwendet werden als die hier abgebildeten.
Das Reduktionsmittel 246 und das Reduktionsmittel 247 kann jede Verbindung sein, die sich in Gegenwart von Abgas 16 und/oder Wärme unter Bildung von Ammoniak zersetzen oder reagieren kann. Wenn der Harnstoff über den ersten und zweiten Harnstoffeinspritzer 236, 237 in das heiße Abgas 16 eingespritzt wird, verdampft das Wasser und der Harnstoff zersetzt sich thermisch in NH₃ und CO₂. Die NH₃-Moleküle werden dann in den SCR 24- oder uSCR 25-Komponenten gespeichert, um die NOx-Reduktion durchzuführen.
Die Gleichungen (1)-(5) liefern beispielhafte chemische Reaktionen zur NOx-Reduktion mit Ammoniak. 6NO+4NH₃→5N₂+6H₂O (1) 4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O (2) 6NO₂+8NH_3→7N₂+12H₂O (3) 2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O (4) NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O (5)
Die Gleichungen (1) - (5) dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen die SCR 24 und die uSCR 25 nicht auf einen oder mehrere bestimmte Mechanismen zur NOx-Reduktion beschränken oder das Funktionieren anderer Mechanismen ausschließen. Die SCR 24 und die uSCR 25 können so konfiguriert werden, dass sie jede der oben genannten NOx-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der oben genannten NOx-Reduktionsreaktionen und andere NOx-Reduktionsreaktionen durchführen können.
Das Reduktionsmittel 246 und das Reduktionsmittel 247 können in verschiedenen Ausführungsformen mit Wasser verdünnt werden. In Implementierungen, in denen die Reduktionsmittel 246 und 247 mit Wasser verdünnt werden, verdampft das Wasser durch Wärme (z.B. aus dem Auspuff), und Ammoniak wird der SCR 24 und der uSCR 25 zugeführt. Nicht-Ammoniak-Reduktionsmittel können je nach Wunsch als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Die nachstehende Reaktion (6) zeigt beispielhaft eine allgemeine chemische Reaktion der Ammoniakproduktion durch Verdampfung und Harnstoffzersetzung. (NH₂)₂ CO+H₂O→2NH₃+CO₂ (6)
Es ist zu verstehen, dass Gleichung (6) lediglich illustrativ ist und nicht dazu dient, die Zersetzung von Harnstoff oder anderen Reduktionsmitteln 246, 247 auf einen bestimmten einzelnen Mechanismus zu beschränken oder die Wirkung anderer Mechanismen auszuschließen.
Die Modellierung und Optimierung des Betriebs der beiden Komponenten, SCR 24 und uSCR 25, ist eine technische Herausforderung, die mit den hier beschriebenen technischen Lösungen angegangen wird. Darüber hinaus erleichtern die hier beschriebenen technischen Lösungen die Steuerung des Betriebs sowohl der SCR 24 als auch der uSCR 25 und des resultierenden NOx aus dem Abgasbehandlungssystem 10, wobei der erste und der zweite Reduktionsmittel-(Harnstoff)-Einspritzer 236, 237 stromaufwärts der SCR 24 bzw. der uSCR 25 angeordnet sind. Die technischen Lösungen ermöglichen daher einen systematischen und modularen Steuerungsansatz, um sowohl die SCR 24 als auch die uSCR 25 mit einem einzigen Steuermodul 238 flexibel zu steuern. Die hier beschriebenen technischen Lösungen erleichtern eine solche Flexibilität durch die Verwendung eines Modellvorhersage-Steuerungsansatzes (Model Predictive Control, MPC), der die Gesamtleistung des Abgasbehandlungssystems 10 optimiert, während er sowohl auf den ersten als auch auf den zweiten Harnstoffeinspritzer 236, 237 wirkt.
Das Steuermodul 238 erweitert die MPC über die SCR 24 hinaus, um die Harnstoffeinspritzung optimal zu bestimmen und gleichzeitig die Abstimmung zwischen NOx- und NH₃-Chemikalienspezies sowohl am SCR 24 als auch am uSCR 25-Auslass zu optimieren.
3 zeigt ein Fließschema eines beispielhaften Verfahrens zur Bestimmung einer Menge an Reduktionsmittel 246 und des Reduktionsmittel 247, das in das Abgasbehandlungssystem 10 einzuspritzen ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist. Das Verfahren 300 wird durch das Steuermodul 238 implementiert. In einem oder mehreren Beispielen führt das Steuermodul 238 einen oder mehrere computerausführbare Befehle aus, die auf einem computerlesbaren Speichergerät gespeichert sind, um das Verfahren zu implementieren. Alternativ oder zusätzlich beinhaltet die Implementierung das Steuermodul 238, das gemäß einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen oder feldprogrammierbaren Gate-Array-Konfigurationen arbeitet.
Das Verfahren 300 beinhaltet das Lesen eines Satzes von Eingangssignalen bei 360. Der Eingangssatz umfasst die NOx-Sensor-Messwerte des ersten NOx-Sensors 242, des zweiten NOx-Sensors 243 und des dritten NOx-Sensors 244. Der Satz von Eingangssignalen kann ferner eine Temperaturmessung der SCR 24 und der uSCR 25 umfassen, die von einem oder mehreren Temperatursensoren an den jeweiligen Vorrichtungen gemessen werden. Ferner umfasst der Eingangssatz die Gasmassendurchflussraten durch die SCR 24 und durch die uSCR 25.
Das Verfahren umfasst ferner die Schätzung des NH3- und NOx-Ausstoßes der SCR 24 bei 370. Die Schätzung beinhaltet die Verwendung eines SCR-Zustandsbeobachtermodells für den Betrieb der SCR 24. Der SCR-Zustandsbeobachter kann eine modellbasierte Vorhersage- und Korrekturphase umfassen. Die Schätzung umfasst die Berechnung eines geschätzten NH3-Speicherniveaus der SCR 24 sowie die weitere Berechnung einer Schätzung von NOx und einer Schätzung von NH3 am Ausgang der SCR 24. Die Schätzung des SCR-Zustands verwendet ein physikalisches SCR-Modell, das wie folgt angegeben ist: ${\begin{matrix} x_{SCR} (k + 1) = x_{SCR} (k) + T_{s} (\frac{1}{M_{NH 3}} (u_{1} (k) - y_{2} (k)) - \frac{1}{M_{NOx}} (F_{NOx, in} (k) - y_{1} (k)) - a_{1} (k) x_{SCR} (k)) \\ y_{1, SCR} (k) = \frac{F (k) F_{NOx, in} (k)}{F (k) + a_{2} (k) x_{SCR} (k)} \\ y_{2, SCR} (k) = \frac{F (k) (u_{1} (k) + a_{4} (k) x_{SCR} (k))}{F (k) + a_{5} - a_{3} x_{SCR} (k)} \end{matrix}$
Hier ist x_SCR(k) ein geschätztes NH3-Speicherniveau an der SCR 24 im Zeitintervall k, T_s ist die Abtast- oder Planungszeit, zu der das Nachbehandlungssteuermodul in Steuermodul 238 iteriert wird, u₁(k) ist die Menge des Reduktionsmittels, die an der SCR 24 eingespritzt wird, y_1,SCR ist der NOx-Massenstrom am zweiten NOx-Sensor 243 ist, und y_2,SCR ist der Massenstrom von NH3 am Ausgang der SCR 24. Des Weiteren verwendet die Schätzung den Massenstrom von NOx (F_Nox,in(k)) am SCR-Einlass von den ersten NOx-Sensoren 242. F(k) stellt die Messung des Abgasdurchflusses (es kann ein Schätzwert sein) in der SCR 24 zum k-ten Zeitpunkt dar. Außerdem verwendet die Schätzung mehrere vorkalibrierte temperaturabhängige Reaktionsfunktionen a₁-a₅. In der obigen Gleichung stellen M_NOx und M_NH3 die molare Masse von NOx bzw. die molare Masse von NH3 dar.
Darüber hinaus beinhaltet das Verfahren einen modellgestützten Beobachter, um einen oder mehrere Werte für die uSCR 25 bei 370 zu schätzen. Die Schätzung umfasst die Berechnung eines NH3-Speicherniveaus für die uSCR 25. Ferner umfasst die Schätzung die Berechnung von NOx und NH3 am Ausgang der uSCR 25. Die Schätzungen können auf der folgenden physik-basierten Gleichung für die uSCR basieren: ${\begin{matrix} x_{USCR} (k + 1) = x_{USCR} (k) + T_{s} (\frac{1}{M_{NH 3}} (F_{NH 3, in, USCR} (k) - y_{2, USCR} (k)) - \frac{1}{M_{NOx}} (F_{NOx, in, USCR} (k) - y_{1, USCR} (k)) - a_{1, USCR} (k) x_{USCR} (k)) \\ y_{1, USCR} (k) = \frac{F (k) F_{NOx, in, USCR} (k)}{F (k) + a_{2, USCR} (k) x_{USCR} (k)} \\ y_{2, USCR} (k) = \frac{F (k) (F_{NH 3, in, USCR} (k) + a_{4, USCR} (k) x_{USCR} (k))}{F (k) + a_{5, USCR} - a_{3, USCR} x_{USCR} (k)} \end{matrix}$
Hier ist F_NH3,in,USCR(k) das y_2,SCR(k) aus Gleichung (7) plus die Menge des Reduktionsmittels u₂(k) und F_NOx,in,USCR(k) ist das y1,SCR(k) aus der Gleichung (7). y_1,USCR(k) und y_2,USCR(k) stellen den Massenstrom von NOx bzw. NH3 am uSCR-Auslass dar.
Das Verfahren 300 beinhaltet bei 380 weiterhin die Optimierung der Menge des Reduktionsmittels (u₁(k) und u₂(k), das durch den ersten Reduktionsmitteleinspritzer 236 und den zweiten Reduktionsmitteleinspritzer 237 eingespritzt wird. Die Optimierung umfasst die Linearisierung einer Kombination des SCR-Modells und des uSCR-Modells aus den Gleichungen (7) und (9). Das linearisierte Modell der Kombination der SCR 24 und der uSCR 25 kann wie folgt ausgedrückt werden: ${\begin{matrix} x (k + 1) = A (p (k)) x (k) + B (p (k)) u (k) \\ y (k) = C (p (k)) x (k) \end{matrix}$
wobei $x (k) = [\begin{matrix} Θ_{S C R} θ_{S C R} (k) \\ u_{1} (k - 1) \\ Θ_{u S C R} θ_{u S C R} (k) \\ u_{2} (k - 1) \end{matrix}]$
$u (k) = [u_{1} (k) u_{2} (k)]$
$A (p (k)) = [\begin{matrix} A_{11} (p (k)) & A_{12} (p (k)) & A_{13} (p (k)) & A_{14} (p (k)) \\ A_{21} (p (k)) & A_{22} (p (k)) & A_{23} (p (k)) & A_{24} (p (k)) \\ A_{31} (p (k)) & A_{32} (p (k)) & A_{33} (p (k)) & A_{34} (p (k)) \\ A_{41} (p (k)) & A_{42} (p (k)) & A_{43} (p (k)) & A_{44} (p (k)) \end{matrix}]$
$B (p (k)) = [\begin{matrix} B_{11} (p (k)) & B_{12} (p (k)) \\ B_{21} (p (k)) & B_{22} (p (k)) \\ B_{31} (p (k)) & B_{32} (p (k)) \\ B_{41} (p (k)) & B_{42} (p (k)) \end{matrix}]$
$C (p (k)) = [\begin{matrix} C_{11} (p (k)) & C_{12} (p (k)) & C_{13} (p (k)) & C_{14} (p (k)) \\ C_{21} (p (k)) & C_{22} (p (k)) & C_{23} (p (k)) & C_{24} (p (k)) \\ C_{31} (p (k)) & C_{32} (p (k)) & C_{33} (p (k)) & C_{34} (p (k)) \\ C_{41} (p (k)) & C_{42} (p (k)) & C_{43} (p (k)) & C_{44} (p (k)) \\ C_{51} (p (k)) & C_{52} (p (k)) & C_{53} (p (k)) & C_{54} (p (k)) \\ C_{61} (p (k)) & C_{62} (p (k)) & C_{63} (p (k)) & C_{64} (p (k)) \\ C_{71} (p (k)) & C_{72} (p (k)) & C_{73} (p (k)) & C_{74} (p (k)) \\ C_{81} (p (k)) & C_{82} (p (k)) & C_{83} (p (k)) & C_{84} (p (k)) \end{matrix}]$
$y (k) = [\begin{matrix} y_{1, S C R} (k) \\ y_{2, S C R} (k) \\ y_{3, S C R} (k) \\ y_{4, S C R} (k) \\ y_{1, u S C R} (k) \\ y_{2, u S C R} (k) \\ y_{3, u S C R} (k) \\ y_{4, u S C R} (k) \end{matrix}]$
Hier ist Θ_SCR die NH3-Speicherkapazität der SCR 24, Θ_SCR(k) ist das NH3-Speicherniveau an der SCR 24 zum Zeitpunkt k, Θ_uSCR ist die NH3-Speicherkapazität der USCR 25, θ_USCR(k) ist das NH3-Speicherniveau an der uSCR 25 zum Zeitpunkt k.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 beinhaltet das Verfahren 300 die Optimierung der Reduktionsmittelmenge (u₁(k) und u₂(k)), die durch den ersten und zweiten Reduktionsmitteleinspritzer 236, 237 bei 390 in das Abgas 16 eingespritzt wird. Die Steuerung berechnet die Menge des Reduktionsmittels (u₁(k) und u₂(k)), die in das Abgas eingespritzt werden muss, um die Reduktionssysteme SCR 24 und uSCR 25 optimal zu betreiben, damit die NOx- und NH3-Emissionen am Ausgang der SCR 24 und uSCR 25 so niedrig wie möglich gehalten werden. Die Optimierung umfasst die Lösung eines numerischen Optimierungsproblems in Echtzeit, um die optimale Menge des einzuspritzenden Harnstoffs zu bestimmen, so dass eine Kostenfunktion minimiert wird, die die Systemleistungsfähigkeit vorbehaltlich einiger Einschränkungen ausdrückt. Beispielsweise kann die Kostenfunktion eine Kombination aus NOx- und NH3-Konzentrationen am SCR-Auslass und/oder uSCR-Auslass, der NOx-Reduktionseffizienz, den Harnstoffeinspritzvorgängen und anderen derartigen hier beschriebenen Parametern umfassen. $u (k) = \underset{\begin{matrix} NH 3_{in, SCR} \\ NH 3_{in, uSCR} \end{matrix}}{argmin} f (\begin{matrix} NH 3_{in, SCR}, NH 3_{in, uSCR}, Δ NH 3_{in, SCR}, Δ NH 3_{in, uSCR}, \\ {NOx}_{out, SCR}, {NOx}_{out, uSCR}, NH 3_{out, SCR}, NH 3_{out, uSCR}, \\ w_{i}, ρ_{ε, SCR}, ρ_{ε, uSCR} \end{matrix})$
Die Einschränkungen beziehen sich, sind aber nicht beschränkt auf die minimale und maximale physikalische Begrenzung des ersten und zweiten Reduktionseinspritzers, die physikalische Begrenzung bezogen auf das gesamte Reduktionseinspritzsystem (z.B. maximale physikalische Begrenzung ausgedrückt als Linearkombination aller Reduktionseinspritzer oder einer anderen Kombination), kontextbezogene Einschränkungen der Steuerungsstrategie, weiche Einschränkungen der gewünschten minimalen und/oder maximalen Zustandswerte usw.
Hier stellen die Begriffe w_i Gewichtskalibrierungen dar, wobei w_u eine Gewichtskalibrierung für die Menge des einzuspritzenden Harnstoffs NH3_in und w_du eine Gewichtskalibrierung zur Gewährleistung einer geringen Variation des Einspritzmusters des Reduktionsmittels ist. Ferner sind w_NOx,SCR und w_NH3,SCR Gewichtskalibrierungen, die auf einem Kompromiss zwischen NOx und NH3 am Ausgang der SCR 24 basieren. Ferner sind w_NOx,uSCR und w_NH3,uSCR Gewichtskalibrierungen, die auf einem Kompromiss zwischen NOx und NH3 am Auslass der uSCR 25 basieren. Das Steuermodul 238 bestimmt die optimale Menge des Reduktionsmittels 246 und des Reduktionsmittels 247, die einzuspritzen ist, um eine Kostenfunktion zu minimieren, die die Systemleistungsfähigkeit ausdrückt, z.B. eine Kombination von NOx- und NH3-Konzentrationen am Ausgang der SCR 24, NOx-Reduktionseffizienz, Harnstoffeinspritzvorgänge, unter anderen Faktoren, bei 390 und 350. Das Steuermodul 238 ist dementsprechend für die Berechnung einer optimalen Menge des einzuspritzenden Reduktionsmittels verantwortlich, um ein erstes vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge am Ausgang der SCR 24 und ein zweites vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge am Ausgang der uSCR 25 aufrechtzuerhalten.
Die Optimierung kann gelöst werden, indem lineare und nichtlineare Programmiertechniken verwendet werden, um die Menge der einzuspritzenden Reduktionsmittel 246 und 247 zu bestimmen, indem das Minimum (u₁(k) und u₂(k)) pro Gleichung (10) berechnet wird. Das Verfahren 300 beinhaltet bei 350 daher die Bestimmung des optimalen Niveaus an Reduktionsmittel 246 und an Reduktionsmittel 247, das in das Abgasbehandlungssystem 10 eingespritzt werden soll. In einem oder mehreren Beispielen ist das optimale Niveau des Reduktionsmittels 246 und des Reduktionsmittels 247 das optimale (u₁(k) und u₂(k)), das durch Optimierung der Ausdrücke in Gleichung (10) berechnet wird.
Das Steuermodul 238 weist den ersten Einspritzer 236 an, die entsprechende Menge des Reduktionsmittels 246 gemäß dem berechneten u₁(k)-Wert einzuspritzen. Als Reaktion darauf spritzt der Einspritzer 236 die angewiesene Menge des Reduktionsmittels 246 in das Abgasbehandlungssystem 10 ein. Darüber hinaus weist das Steuermodul 238 den zweiten Einspritzer 237 an, die entsprechende Menge des Reduktionsmittels 247 gemäß dem berechneten u₂(k)-Wert einzuspritzen. Der Einspritzer 237 spritzt als Reaktion die angewiesene Menge des Reduktionsmittels 247 in das Abgasbehandlungssystem 10 ein.
Die hier beschriebenen technischen Lösungen erleichtern Verbesserungen der Emissionssteuerungssysteme, die bei Verbrennungsmotoren, wie sie z.B. in Fahrzeugen verwendet werden, eingesetzt werden. Beispielsweise bieten die technischen Lösungen eine Steuerungsstrategie, die die Gesamtleistung des Abgasbehandlungssystems optimiert, das aus einer SCR 24 und einer uSCR 25 aufgebaut ist, um die NOx-Emissionen des Auspuffrohrs in einem vorgegebenen Bereich zu halten, und zwar durch Verwendung des ersten und zweiten Reduktionsmitteleinspritzers 236, 237 bei 340. Darüber hinaus erleichtern die technischen Lösungen den Betrieb des Steuermoduls 238 auf der Grundlage eines Kalibrierwertes, der angibt, ob das Steuermodul 238 eine Reduktionsmittelmenge für eine Kombination aus SCR 24 und uSCR 25 berechnet.
Die hier beschriebenen technischen Lösungen optimieren dementsprechend die Leistungsfähigkeit des gesamten Abgasbehandlungssystems 10 einschließlich der beiden SCR-Vorrichtungen, des SCR 24 und des uSCR 25, unter Verwendung des ersten und des zweiten Reduktionsmitteleinspritzera 236 und 237. Der erste Reduktionsmitteleinspritzer 236 wird so gesteuert, dass er eine berechnete Menge Reduktionsmittel einspritzt, die direkt in eine erste SCR-Vorrichtung, wie den SCR 24, und indirekt in die zweite SCR-Vorrichtung, wie die uSCR 25, eingespritzt werden kann. Der zweite Reduktionsmitteleinspritzer 237 wird so gesteuert, dass er eine berechnete Menge an Reduktionsmittel einspritzt, die direkt in eine uSCR-Vorrichtung, wie z.B. die uSCR 25, eingespritzt werden kann. Die Reduktionsmittelmenge wird mit Hilfe eines physikbasierten Modells berechnet, und die Reduktionsmittelmenge wird in Echtzeit berechnet, indem ein numerisches Programmierproblem im ECM-Prozessor gelöst wird. Dementsprechend bieten die hier beschriebenen technischen Lösungen einen systematischen und modularen Steuerungsansatz zur flexiblen Verwaltung von Architekturen mit zwei SCR-Vorrichtungen, zwei Einspritzern und einer einzigen optimalen Steuerung.
Es ist zu verstehen, dass in einem oder mehreren Beispielen das Nachbehandlungssystem neben dem ersten und zweiten Reduktionsmittelreaktor weitere zusätzliche SCR-Vorrichtungen und andere Reduktionsmitteleinspritzer enthalten kann. Solche zusätzlichen Reduktionsmitteleinspritzer können parallel mit einem des ersten und des zweiten Reduktionsmitteleinspritzers angeordnet werden oder auch nicht, ohne vom Kern oder Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
Während die obige Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es von den Fachleuten verstanden werden, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von ihrem Anwendungsbereich abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Anwendungsbereich abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die einzelnen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen einschließt, die in ihren Anwendungsbereich fallen.

Claims

Emissionssteuerungssystem zur Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug, wobei das Emissionssteuerungssystem umfasst: einen ersten Reduktionsmitteleinspritzer und einen zweiten Reduktionsmitteleinspritzer; eine erste Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), die stromabwärts vom ersten Reduktionsmitteleinspritzer und stromaufwärts vom zweiten Reduktionsmitteleinspritzer angeordnet ist; eine zweite SCR-Vorrichtung in Fluidverbindung mit der ersten SCR-Vorrichtung, wobei die zweite SCR-Vorrichtung stromabwärts des zweiten Reduktionsmitteleinspritzers angeordnet ist; und eine modellbasierte Steuerung, die konfiguriert ist, um die Reduktionsmitteleinspritzung in das Abgas zu steuern, wobei die Steuerung der Reduktionsmitteleinspritzung umfasst: Bestimmen einer NOx-Menge und einer NH3-Menge an einem Auslass der ersten SCR-Vorrichtung; Bestimmen einer NOx-Menge und einer NH3-Menge an einem Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung; Berechnen einer ersten Reduktionsmittelmenge für den ersten Reduktionsmitteleinspritzer, die einzuspritzen ist, und einer zweiten Reduktionsmittelmenge für den zweiten Reduktionsmitteleinspritzer, die einzuspritzen ist, um ein erstes vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten und um ein zweites vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge 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 sicherzustellen; und Senden eines Befehls zum Empfang durch den ersten und zweiten Reduktionsmitteleinspritzer zur Einspritzung der berechneten ersten und zweiten Menge des Reduktionsmittels.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der NH3-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung auf der Berechnung eines ersten geschätzten NH3-Speicherniveaus für die erste SCR-Vorrichtung basiert und ferner auf dem Empfang einer NOx-Messung an einem Einlass der ersten SCR-Vorrichtung basiert.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der NH3-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung auf der Berechnung eines zweiten geschätzten NH3-Speicherniveaus für die zweite SCR-Vorrichtung und der NH3-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung basiert.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 3, wobei das Bestimmen der NH3-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung ferner auf dem Empfang einer NOx-Messung am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung von der ersten SCR-Vorrichtung basiert.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste SCR-Vorrichtung ein SCR-Filter ist.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 5, wobei die zweite SCR-Vorrichtung eine Unterboden-SCR-Vorrichtung ist, wobei der erste Reduktionsmitteleinspritzer eine Vielzahl von ersten Reduktionsmitteleinspritzern ist und wobei der zweite Reduktionsmitteleinspritzer eine Vielzahl von zweiten Reduktionsmitteleinspritzern ist.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der Reduktionsmittelmenge die Schätzung der NH3-Menge und der NOx-Menge am Auslass der zweiten SCR-Vorrichtung auf der Grundlage eines Zustandsbeobachters umfasst, der eine Kombination von physikalischen Modellen für die erste SCR-Vorrichtung und die zweite SCR-Vorrichtung umfasst.
Abgassystem zur Behandlung von Abgas, das von einem Verbrennungsmotor emittiert wird, konfiguriert, um eine selektive katalytische Reduktion (SCR) von Abgas durchzuführen, wobei das Abgassystem umfasst: eine erste SCR-Vorrichtung, die stromabwärts von einem ersten Reduktionsmitteleinspritzer und stromaufwärts von einem zweiten Reduktionsmitteleinspritzer angeordnet ist; eine Steuerung, der zur Steuerung der Einspritzung eines Reduktionsmittels in das Abgas konfiguriert ist, wobei die Steuerung der ersten und zweiten Reduktionsmitteleinspritzung umfasst: Bestimmen, ob das Abgassystem eine zweite SCR-Vorrichtung umfasst; als Reaktion darauf, dass das Abgassystem nur die erste SCR-Vorrichtung umfasst, Berechnen einer Menge eines einzuspritzenden Reduktionsmittels auf der Grundlage eines ersten Modells der ersten SCR-Vorrichtung, wobei das erste Modell ein erstes NH3-Speicherniveau an der ersten SCR-Vorrichtung schätzt; als Reaktion darauf, dass das Abgassystem die zweite SCR-Vorrichtung umfasst, Berechnen einer ersten Menge eines einzuspritzenden Reduktionsmittels für den ersten Reduktionsmitteleinspritzer, und einer zweiten Menge eines einzuspritzenden Reduktionsmittels für den zweiten Reduktionsmitteleinspritzer, um ein erstes vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge am Auslass der ersten SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten und um ein zweites vorbestimmtes Verhältnis zwischen der NH3-Menge und der NOx-Menge 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 sicherzustellen; und Senden eines Befehls zum Empfang durch den ersten und zweiten Reduktionsmitteleinspritzer zur Injektion der berechneten ersten und zweiten Menge des Reduktionsmittels.
Abgasanlage nach Anspruch 8, wobei 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, wobei 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.