DE10354843A1

DE10354843A1 - Verbesserte Ammoniak-Einspeisungssteuerung zur selektiven katalytischen Reduktion

Info

Publication number: DE10354843A1
Application number: DE10354843A
Authority: DE
Inventors: John R. Lafayette Gladden
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2004-07-01
Also published as: JP2004197746A; US20040118109A1; JP4471643B2; US6761025B1

Abstract

Ein selektives, katalytisches Reduktions-Emissions-Steuerungssystem ist vorgesehen, mit verbesserter Ammoniak-Einspeisungssteuerung für verbesserte Emissionssteuerungsperformance. Das Reduktionsagens ist in zwei Dosen vorgesehen und der Reaktor ist mit zwei reagierenden Lagern vorgesehen. Die zweite Dosis des Reaktanten ist zwischen dem ersten und dem zweiten reagierenden Lager vorgesehen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Emissions-Steuerungssysteme für Kolbenmaschinen bzw. oszillierende Maschinen und mehr im speziellen auf ein Emissions-Steuerungssystem zur Erhöhung der selektiven katalytischen Reduktionseffizienz (selective catalytic reduction – SCR efficiency) durch verbesserte Reaktanten-Einspeisungssteuerung.

Verbrennungsmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren einschließlich Kompressionszündungs- und Funkenzündungs-Kolbenmaschinen bzw. oszillierender Maschinen und Gasturbinen sehen effiziente Leistungsquellen vor, welche niedrige Betriebspersonalanforderungen stellen. Verbrennungsmaschinen bzw. -motoren produzieren und emittieren NO_x (Stickoxide). Steuerungsverfahren um das NO_x zu reduzieren, erhöhen oft den Kraftstoffverbrauch der Motoren und erfordern eine große Erhöhung im benötigten Betriebspersonal.

Kompressionszündungsmotoren, so wie zum Beispiel Dieselmotoren, sehen Vorteile in der Kraftstoffökonomie bzw. -wirtschaftlichkeit vor, produzieren und emittieren jedoch sowohl NO_x als auch Partikel während des normalen Betriebs. Wenn primäre Maßnahmen (Aktionen, welche den Verbrennungsprozeß selbst beeinflussen, so wie zum Beispiel Abgasrezirkulation und Motorzeitabstimmungsanpassung bzw. Motortiminganpassungen) ergriffen werden, um das eine zu reduzieren, wird oft das andere erhöht. Daher tendieren Verbrennungsbedingungen, welche ausgewählt wurden, um die Verschmutzung durch Partikel zu reduzieren und gute Kraftstoffökonomie zu erreichen, dazu, die Ausgabe von NO_x zu erhöhen. Gegenwärtige und vorgeschlagene Regulierungen und gesetzliche Regelungen stellen signifikante Herausforde rungen für Hersteller dar, um gute Kraftstoffökonomie zu erreichen, während sie zur gleichen Zeit die Emissionsniveaus von Partikeln und NO_x reduzieren.

Um solche Anforderungen oder Begrenzungen einzuhalten, ist ein Verfahren, welches als SCR (selective catalytic reduction) bzw. selektive katalytische Reduktion bekannt ist, benutzt worden, um die Emission von NO_x zu reduzieren. Das SCR-Verfahren besteht im Einspritzen von gasförmigem Ammoniak (NH₃), Ammoniak in flüssiger Lösung oder von flüssigem Harnstoff, oder von Ammoniak, welcher von einem Ammoniakgenerator bzw. -erzeuger geliefert wird, der eine feste Quelle von Ammoniak, so wie zum Beispiel Ammoniumcarbamat oder Ammoniumcarbonat benutzt als reduzierenden Wirkstoff bzw. als reduzierendes Agens, in ein Abgassystem des Kompressionszündungsmotors. Wenn die Temperatur des Abgasstroms über einer Reaktionstemperatur ist, zum Beispiel eine Temperatur über 160° C für flüssigen Harnstoff, erfährt das reduzierende Agens einen Hydrolyseprozess und wird in Ammoniak und CO₂ zerlegt. Da der Abgasstrom durch den SCR-Katalysator geleitet wird, reagiert der gasförmige Ammoniak mit dem NO_x, um das NO_x zu molekularem Stickstoff zu reduzieren. Dies reduziert oder begrenzt die NO_x Emissionen des Kompressionszündungsmotors.

Die Menge von Ammoniak, welche zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt wird, variiert, wenn sich die Betriebsbedingungen des Motors ändern, und der Abgasinhalt umfaßt mehr oder weniger NO_x. Es ist wichtig, daß eine ausreichende Menge von Ammoniak angeliefert wird, um das NO_x, welches im Abgasstrom anwesend ist, zu behandeln, so daß NO_x-Emissionsstandards erreicht bzw. eingehalten werden. Andererseits ist es Verschwendung und ineffizient mehr als die benötigte Menge von Ammoniak anzuliefern, welche benötigt wird, um das NO_x, welches im Abgasstrom anwesend ist zu behandeln.

U. S. Patent 4,403,473 mit dem Titel "Ammonia/Fuel Ratio Control System For Reducing Nitrogen Oxide Emissions", welches am 13. September 1983 ausgestellt wurde, lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung, um NO_x-Emissionen von einem Motor effizient zu reduzieren. Ammoniak wird in die Abgasleitung in einem vorgewählten Verhältnis zur Kraftstoff-Massenflußrate dosiert, jedoch nur ansprechend auf die Temperatur des Abgasstroms im Reaktor innerhalb eines vorgewählten Temperaturbereichs.

Während das vorher erwähnte U. S. Patent 4,403,473 ein vernünftig zuverlässiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von NO_x-Emissionen vorsieht, sehen das Verfahren und die Vorrichtung keine Feedback-Steuerung bzw. Regelsteuerung vor, welche auf der tatsächlichen Effektivität des Prozesses basiert. Es wäre vorteilhaft, die Ammoniakzugabe in den Abgasstrom basierend auf der tatsächlichen Effektivität des Behandlungsprozesses zu steuern.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme wie sie oben dargelegt sind, zu überwinden.

In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Emissionssteuerungssystem zur Behandlung eines Abgasstroms mit einem Reduktionsagens in einem Abgassystem eines Motors vorgesehen, mit einem ersten Sensor, um wenigstens eine Betriebsbedingung des Motors zu bestimmen; und einer Steuereinheit, welche mit dem Sensor verbunden ist, um eine berechnete Menge des Reduktionsagens zu bestimmen, die benötigt wird, um den Abgasstrom zu behandeln. Eine Reduktionsagens-Vorrats- bzw. Lieferquelle hat ein erstes Dosierungsmittel, um eine erste Dosis von Reduktionsagens in, den Abgasstrom in einer Menge zu liefern, welche kleiner ist als die berechnete Menge von Reduktionsagens. Ein Reaktor hat einen Einlaß, welcher den Abgasstrom mit der ersten Dosis von Reduktionsagens aufnimmt. Ein zweites Dosierungsmittel liefert eine zweite Dosis von Reduktionsagens an den Abgasstrom.

In einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Motor vorgesehen mit einer Verbrennungssektion bzw. -abschnitt, welche eine Vielzahl von Verbrennungskammern vorsieht, einem Verbrennungsluftsystem, welches Verbrennungsluft zu den Verbrennungskammern liefert und einem Abgassystem, wel ches Abgase von den Verbrennungskammern aufnimmt. Das Abgassystem umfasst einen Abgasverteiler bzw. eine Abgassammelleitung und eine Abgasleitung zur Leitung des Abgases in einem Abgasstrom vom Motor. Ein Emissionssteuerungssystem umfaßt eine Reduktionsagens-Vorratsquelle und einen Reaktor, welcher erste und zweite reagierende Lager oder Reaktionsbetten hat, die in Strömungsmittelflußaustausch bzw. Strömungsmittelflußkommunikation mit der Abgasleitung sind. Ein erster Sensor und eine Steuereinheit, welche mit dem ersten Sensor verbunden ist, bestimmen eine berechnete Menge von Reduktionsagens, welche für die Behandlung des Abgasstroms benötigt wird. Ein erstes dosierendes Mittel liefert eine erste Dosis von Reduktionsagens an den Abgasstrom, welche geringer ist als die berechnete Menge von Reduktionsagens. Ein zweites dosierendes Mittel zwischen den reagierenden Lagern, liefert eine zweite Dosis von Reduktionsagens an den Abgasstrom. Ein zweiter Sensor bestimmt eine Charakteristik des Abgasstroms und die Steuereinheit ist mit dem zweiten Sensor verbunden, um die Menge der zweiten Dosis von Reduktionsagens zu bestimmen.

In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, zur Erhöhung der Effizienz eines Emissionssteuerungssystems für einen Kompressionszündungsmotor, welcher in der Lage ist, einen Abgasstrom zu produzieren, der mit einem Reduktionsagens behandelt werden soll, welches mit dem Abgasstrom gemischt wird, um das Abgas umzuwandeln, mit folgenden Schritten: Bestimmung einer benötigten Menge von Reduktionsagens, um den Abgasstrom zu behandeln; Anlieferung einer ersten Dosis das Reduktionsagens an den Abgasstrom; Reagierenlassen des Abgasstroms mit der ersten Dosis von Reduktionsagens; Lieferung einer zweiten Dosis von Reduktionsagens an den Abgasstrom nach dem Reagierenlassen des Abgasstroms mit der ersten Dosis von Reduktionsagens; und Reagierenlassen des Abgasstroms mit der zweiten Dosis von Reduktionsagens.

Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten beim Lesen der folgenden, detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung und den angehängten Ansprüchen offensichtlich sein.

Die Erfindung wird besser verstanden werden, und ihre Vorteile werden deutlicher werden, aus der folgenden detaillierten Beschreibung, besonders wenn sie im Licht der begleitenden Zeichnung gelesen wird, worin folgendes gilt:
1 ist eine schematische Illustration eines Motors, welcher eine verbesserte Ammoniakeinspeisungssteuerung für selektive katalytische Reduktion in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat.
Detaillierte Beschreibung
Unter Bezug auf die Zeichnung illustriert 1 ein Emissionssteuerungssystem 10, welches gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert und betrieben wird. Das Emissionssteuerungssystem 10 wird benutzt um die Emissionen von einem Kompressionszündungsmotor 12, so wie zum Beispiel einem Dieselmotor zu steuern. Der Motor 12 umfasst ein Abgassystem 14, in welchem ein Abgasstrom, angezeigt durch Pfeile 16 geleitet bzw. geführt wird. Das Abgassystem 14 schließt eine oder mehrere Abgassammelleitungen bzw. Abgasverteiler 18 und eine Abgasleitung 20 ein.
Das Emissionssteuerungssystem 10 ist insbesondere bei der Benutzung für Dieselmotoren vorteilhaft, kann jedoch in allen Typen von Kolbenmotoren bzw. oszillierenden Motoren vorteilhaft benutzt werden, einschließlich funkengezündeter Motoren, Dieselmotoren, Kompressionszündungs- und Pilotzündungsmotoren. Obwohl der Motor 12, welcher hierin gezeigt und beschrieben ist, ein Dieselmotor ist, sollte es sich verstehen, daß es beabsichtigt ist, daß der Begriff "Motor" auf alle Typen von Kolbenmotoren anwendbar ist, und nicht nur auf Dieselmotoren begrenzt ist. Das System 10 kann auch für die Benutzung in Gasturbinen angepaßt werden.
Der Motor 12 umfaßt weiterhin eine Hauptverbrennungssektion 30, welche neben anderen Elementen einen Motorblock und einen Zylinderkopf einschließt, welche eine Vielzahl von Verbrennungskammern 32 darin bilden. Ein Kraftstoffeinspritzer, eine Zylinderauskleidung, wenigstens ein Einlaßanschluß und entsprechende Einlaßventile, wenigstens ein Auslaßanschluß und entsprechende Auslaßventile und ein sich hin- und herbewegender Kolben, der innerhalb jeder Kammer 32 beweglich ist, sind vorgesehen oder mit jeder Kammer 32 assoziiert.
Ein Verbrennungsluftsystem 34, welches eine Verbrennungsluftleitung 36 und einen Einlaßverteiler 38 einschließt, sieht einen Verbrennungsluftstrom für jede Verbrennungskammer 32 vor, welcher durch Pfeile 40 angezeigt ist.
Während das vorliegende Emissionssteuerungssystem 10 gezeigt und beschrieben ist für die Benutzung in einem Hochleistungs-Sechszylinder-Reihen-Viertakt-Dieselmotor mit Direkteinspritzung, können zahlreiche andere Motortypen, einschließlich Zweitaktmotoren benutzt werden. Die Motorkonfigurationen können Reihen- und/oder V-Typ-Motoren ebenso wie verschiedene Modifikationen in der Zahl der Verbrennungskammern einschließen.
Das Emissionssteuerungssystem 10 schließt eine Reduktionsagens-Vorratsquelle 50 ein, so wie zum Beispiel eine Quelle für Ammoniak, Harnstoff oder ein anderes akzeptables Reduktionsagens zur Behandlung des Abgasstroms 16. Die Quelle 50 kann ein Ammoniakerzeugungssystem, Speichertanks, Pumpen, Ventile, Rohrleitungen und Steuerungen einschließen, wie die Fachleute leicht verstehen werden. Versorgungs- bzw. Zuführungsrohrleitungen 52 und 54 von der Quelle 50 sehen Reduktionsagens für den Abgasstrom 16 in einer ersten Dosis vor, die durch die Pfeile 56 angezeigt ist, und in einer zweiten Dosis, die durch die Pfeile 58 angezeigt ist. Die ersten und zweiten Dosen 56 und 58 werden in individuell steuerbaren Mengen jeweils durch ein erstes Dosiermittel 60 bzw. ein zweites Dosiermittel 62, an den Abgasstrom 16 geliefert. Das erste Dosiermittel 60 und das zweite Dosiermittel 62 kann jedes geeignete Flußsteuerungsgerät sein, um die Rate, mit der das Reduktionsagens jeweils in Form der ersten Dosis 56 bzw. zweiten Dosis 58 für den Abgasstrom 16 vorgesehen wird zuverlässig zu steuern. Einige Beispiele von geeigneten Geräten, welche als erstes Dosiermittel 60 und zweites Dosiermit tel 62 benutzt werden können, sind ein steuerbares Ventil oder eine andere Zumessöffnung, eine Düse, eine Pumpe oder Ähnliches.
Ein Reaktor 70 ist in Strömungsverbindung mit Abgasleitung 20 vorgesehen und umfaßt ein erstes reagierendes Lager bzw. Bett 72 und ein zweites reagierendes Lager bzw. Bett 74. Die erste Dosis 56 von Reduktionsagens ist für den Abgasstrom 16 vor dem ersten reagierenden Lager 72 vorgesehen und die zweite Dosis 58 wird zwischen den ersten und zweiten reagierenden Lagern 72 und 74 an den Abgasstrom 16 geliefert. Der Reaktor 70 schließt einen Einlaß 76 ein, welcher den Abgasstrom 16 zusammen mit der ersten Dosis 56 aufnimmt und einen Auslaß 78, durch welchen der reagierte Abgasstrom 16, welcher durch die Pfeile 80 angezeigt ist, vom Reaktor 70 wegfließt. Eine Zwischenzone 82 ist im Reaktor 70 zwischen dem ersten Reaktionslager 72 und dem zweiten Reaktionslager 74 vorgesehen.
Das Emissionssteuerungssystem 10 schließt weiterhin eine elektronische Steuereinheit 90 ein, welche benutzt wird, um die verschiedenen Operationen bzw. Betriebsmodi und Funktionen des Emissionssteuerungssystems 10 und des Motors 12 zu steuern. Die elektronische Steuereinheit 90 ist in der Lage, verschiedene Funktionen des Motors 12 durch Benutzung von einem oder mehreren Sensoren 92 zu überwachen, welche mit dem Motor 12 assoziiert sind. Die Sensoren 92 sind mit der elektronischen Steuereinheit 40 über eine Signalverbindung 94 verbunden, welche ein elektrisch leitender Draht sein kann. Beispiele von Sensoren 92, welche an verschiedenen Orten im Motor 12 verwendet werden können, sind ein Motorgeschwindigkeits- bzw. Motordrehzahlsensor, ein Einlaßverteiler-Lufttemperatursensor, ein Einlaßverteiler-Drucksensor, verschiedene andere Last-, Schub- bzw. Verstärkungs- und Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlsensoren, welche alle den Fachleuten bekannt sind. Der Sensor oder die Sensoren 92 überwachen den Betriebsstatus von Motor 12, wobei sie Datensignale diesbezüglich für die Steuereinheit 90 vorsehen. Mehrere solche Sensoren 92 können benutzt werden, um gleichzeitig eine Zahl von Betriebsbedingungen des Motors 12 und der damit assoziierten Systeme zu überwachen.
Wenigstens ein Sensor 96, der durch eine Signalverbindung 98 mit dem Controller 90 verbunden ist, wird benutzt um eine Bedingung bzw. einen Zustand des Abgasstroms 16 an einem Punkt nach dem ersten reagierenden Lager 72 zu bestimmen. Der Sensor 96 kann einer sein, um NO_x zu messen bzw. festzustellen, welches im Abgasstrom 16 anwesend ist, oder Sensor 96 kann einer sein, um die Anwesenheit von Ammoniak in Abgasstrom 16 zu bestimmen. Sensor 96 kann im Auslaß 78 von Reaktor 70 angeordnet sein, um ein Signal vorzusehen, welches das Niveau von Ammoniak oder NO_x angibt, welches nach der Behandlung im Reaktor 70 im reagierten Abgasstrom 80 (16) übrig bleibt. Der Sensor 96 kann auch im Reaktor 70 zwischen den ersten und zweiten reagierenden Lagern 72 und 74 angeordnet sein, um die Anwesenheit von Ammoniak oder NO_x zwischen den reagierenden Lagern 72 und 74 zu bestimmen. 1 illustriert zwei Sensoren 96, einer in jeder der vorher erwähnten Positionen, nichts desto weniger ist es nicht notwendig, daß ein Sensor 96 in jeder Position benutzt wird. Ein einzelner Sensor 96 in jeder gezeigten Position ist in vielen Anwendungen für das Emissionssteuerungssystem 10 adäquat. Alternativ können unterschiedliche Sensoren 96 in jeder Position benutzt werden. Zum Beispiel kann ein Ammoniaksensor 96 zwischen dem ersten reagierenden Lager 72 und dem zweiten reagierenden Lager 74 benutzt werden, um die Menge von Ammoniak zu bestimmen, die noch für das Reagieren mit dem Abgasstrom 16 verfügbar ist; und ein NO_x Sensor 96 kann assoziiert mit Auslaß 78 benutzt werden, um die Effektivität der gesamten Behandlung in Reaktor 70 zu bestimmen.
Die elektronische Steuereinheit 90 ist auch mit dem ersten dosierenden Mittel 60 durch eine Steuersignalverbindung 100 verbunden und mit dem zweiten dosierenden Mittel 62 durch eine Steuersignalverbindung 102, um den Betrieb bzw. die Operationen der ersten und zweiten dosierenden Mittel 60 und 62 zu steuern. Die elektronische Steuereinheit 90 ist weiterhin verbunden mit der Reduktionsagens-Vorratsquelle 50, durch eine elektrische Verbindung oder Verbindungen 104, um den Betrieb der verschiedenen Ventile, Pumpen und Ähnlichem, was mit der Reduktionsagens-Vorratsquelle 50 verbunden ist, zu steuern.
Die elektronische Steuereinheit 90, welche auch bekannt ist als ein Steuermodul oder ein Controller, kann viele Formen annehmen, einschließlich eines computerbasierten Systems, eines mikroprozessorbasierten Systems, welches einen Mikroprozessor einschließt, eines Mikrocontrollers oder jedes anderen Steuerungstyp-Schaltkreises oder -Systems. Die elektronische Steuereinheit 90 kann Speicher zur Speicherung eines Steuerprogramms für den Betrieb und die Steuerung des Emissionssteuerungssystems 10 der vorliegenden Erfindung einschließen und anderen Speicher zur temporären Speicherung von Information.
Industrielle Anwendbarkeit
Der Betrieb des Emissionssteuerungssystems 10 basiert auf der elektronischen Steuereinheit 90, welche den Status des Motors 12 und die Effektivität der Performance des Emissionssteuerungssystems 10 überwacht und die Anlieferung von Reduktionsagens an den Abgasstrom 16 darauf basierend steuert. Der Verbrennungsluftstrom 40 im Verbrennungsluftsystem 34 wird für den Einlaßverteiler 38 von der Verbrennungsluftleitung 36 vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt. Kraftstoff und Verbrennungsluft vom Einlaßverteiler 38 werden für jede Verbrennungskammer 32 von Motor 12 vorgesehen und werden darin auf bekannte Weise verbrannt. Die Verbrennungsgase, welche nach dem Verbrennungstakt in den Kammern 32 übrigbleiben, werden aus den Kammern 32 in das Abgassystem 14 ausgestoßen, wobei sie zuerst in den Abgasverteiler 18 eintreten. Der Abgasstrom 16 wird gebildet, wenn die Verbrennungsgase vom Abgasverteiler 18 zu der Abgasleitung 20 und durch diese hindurch fließen. Der Abgasstrom 16 unterschiedliche Mengen von NO_X enthalten, abhängig von den Betriebsbedingungen von Motor 12, weswegen er unterschiedliche Mengen von Reduktionsagens für die angemessene Behandlung von NO_x erfordert, das im Abgasstrom 16 enthalten ist.
Unter Benutzung von Daten von einem oder mehreren Motorbetriebsbedingungs-Sensoren 92, bestimmt die elektronische Steuereinheit 90 eine berechnete Menge von Reduktionsagens, so wie zum Beispiel Ammoniak oder Harnstoff, welches benötigt werden wird, um den Abgasstrom 16 zu behan deln. Die Steuereinheit 90 schickt ein erstes Signal zum ersten Dosiermittel 60 und zur Reduktionsagens-Vorratsquelle 50, wodurch die erste Dosis 56 von Reduktionsagens von der Reduktionsagens-Vorratsquelle 50, über die Anlieferungsröhre 52 und das erste Dosiermittel 60, zum Abgasstrom 16 transportiert wird. Die erste Dosis 56 umfaßt eine Menge von Reduktionsagens, welche kleiner ist als die berechnete Menge, welche benötigt wird um den Abgasstrom 16 zu behandeln. Eine statistische Herangehensweise kann benutzt werden, um die erste Dosis 56 zu berechnen. Eine solche Herangehensweise schließt die Bestimmung der Genauigkeit der NO_x-Emissionsberechnung aus den überwachten Parametern und die Bestimmung der Genauigkeit der dosierenden Dosierungsausrüstung ein. Wenn zum Beispiel die NO_x-Emissionsberechnung innerhalb von sieben Prozent (7%) genau ist, und die Dosis-Dosierungsausrüstung eine Genauigkeit von drei Prozent (3%) hat, kann die erste Dosis 56 eine Menge von ungefähr neunzig Prozent (90%) der berechneten Menge sein. Andere statistische Herangehensweisen um die erste Dosis 56 zu berechnen können ebenfalls benutzt werden.
Die erste Dosis 56 wird in den Abgasstrom 16 geliefert und wandert mit diesem zum ersten reagierenden Lager 72 im Reaktor 70. Auf bekannte Weise bewirken das Reduktionsagens der ersten Dosis 56 und das erste reagierende Lager 72, daß chemische Reaktionen auftreten, welche die Menge von NO_x, die im Abgasstrom 16 anwesend ist, reduziert.
Da die erste Dosis 56 eine Menge enthält, die geringer ist als die berechnete Menge von Reduktionsagens die benötigt wird, um das im Abgasstrom 16 anwesende NO_x zu behandeln bzw. zu verarbeiten, ist es notwendig, zusätzliches Reduktionsagens anzuliefern bzw. zur Verfügung zu stellen, um die Behandlung des Abgasstroms 16 zu vervollständigen. Die Steuereinheit 90 schickt ein Signal zum zweiten Dosiermittel 62 und zur Reduktionsagens-Vorratsquelle 50, wobei die zweite Dosis 58 von Reduktionsagens von der Reduktionsagens-Vorratsquelle 50 zum Abgasstrom 16 über das Lieferrohr 54 und das zweite Dosiermittel 62 transportiert wird. Die zweite Dosis 58 umfaßt eine verbleibende Menge von Reduktionsagens, welche notwendig ist, um die Behandlung des Abgasstroms 16 zu vervollständigen. Die zweite Dosis 58 kann der Ausgleich der berechneten Menge sein, die benötigt wird, um den Abgasstrom 16 zu behandeln, welche nicht in der ersten Dosis 56 angeliefert wurde. Wenn zum Beispiel die erste Dosis 56 eine Menge von ungefähr neunzig Prozent (90%) der berechneten Menge umfasste, kann die zweite Dosis 58 eine Menge von ungefähr zehn Prozent (10%) der berechneten Menge umfassen. Daher ergeben die ersten und zweiten Dosen 56 und 58 zusammen einhundert Prozent (100%) der berechneten Menge.
Vorteilhafter Weise kann im Emissionssteuerungssystem 10 der vorliegenden Erfindung die Menge von Reduktionsagens, welche in der zweiten Dosis 58 angeliefert wird, separat bestimmt und variiert werden, um dabei eine adäquate Menge von Reduktionsagens anzuliefern, jedoch nicht eine überschüssige Menge von Reduktionsagens, um den Abgasstrom 16 zu behandeln. Durch Verarbeitung eines Signals oder von Signalen von einem oder mehreren Sensoren 96 bestimmt die Steuereinheit 90 eine Menge von Reduktionsagens, welche in der zweiten Dosis 58 angeliefert werden muß, um die Behandlung des Abgasstroms 16 zu vervollständigen. In dem die Menge der zweiten Dosis 58 auf diese Weise berechnet wird, wird die Effektivität der Behandlung mit der ersten Dosis 56 im ersten reagierenden Lager 72 in Betracht gezogen, und wenn der Sensor 96 stromabwärts vom zweiten reagierenden Lager 74 vorgesehen ist, ist Feedback bzw. Regelsteuerung der Gesamteffektivität der Behandlung in beiden reagierenden Lagern 72 und 74 vorgesehen. Unter Benutzung des Feedbacks von Sensor oder von den Sensoren 96, kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 90 eine Menge für die zweite Dosis 58 bestimmen, so daß die kombinierte Menge der ersten Dosis 56 und der zweiten Dosis 58 mehr oder weniger ist, als die ursprüngliche berechnete Menge.
Die zweite Dosis 58 wird zwischen dem ersten reagierenden Lager 72 und dem zweiten reagierenden Lager 74 an den Abgasstrom 16 geliefert, wenn der Abgasstrom 16 durch die Zwischenzone 82 fließt. Der Abgasstrom 16 fließt dann zusammen mit der zweiten Dosis 58 und beliebigen Restmengen der ersten Dosis 56 zum zweiten reagierenden Lager (Reaktionsbett) 74. Die Behandlung von NO_x im Abgasstrom wird im zweiten reagierenden Lager 74 fortgesetzt, so daß die NO_x-Niveaus des reagierten Abgasstroms 80, welcher den Reaktor 70 verläßt, bei akzeptablen Grenzen sind.
Anstatt einen einzelnen Reaktor 70 mit einem ersten reagierenden Lager 72 und einem zweiten reagierenden Lager 74 darin zu haben, könnten auch zwei separate Reaktoren, von denen jeder ein einzelnes reagierendes Lager hat benutzt werden. Es wird angenommen, daß ein einzelner Reaktor 70 mit getrennten reagierenden Lagern 72 und 74 in seiner Einfachheit und in seinen reduzierten Platzanforderungen vorteilhaft ist, verglichen mit der Benutzung separater Reaktoren.
Die vorliegende Erfindung sieht ein selektives, katalytisches Reduktions-Emissions-Steuerungssystem zur Behandlung eines Abgasstroms von einem Motor vor, welches eine geschlossene Regelsteuerung hat, so daß eine adäquate Menge, jedoch nicht eine überschüssige Menge von Reduktionsagens vorgesehen ist. Reduktionsagens wird nicht verschwendet und der Abgasstrom wird adäquat behandelt. Die Effizienz des Prozesses wird dadurch verbessert.
Andere Aspekte, Gegenstände und Vorteile dieser Erfindung können aus dem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche erhalten werden.

Claims

Ein Emissionssteuerungssystem zur Behandlung eines Abgasstroms mit einem Reduktionsagens in einem Abgassystem eines Motors, wobei das Emissionssteuerungssystem folgendes aufweist: einen ersten Sensor zur Bestimmung von wenigsten einer Betriebsbedingung des Motors; eine Steuereinheit, welche mit dem Sensor verbunden ist, zur Bestimmung einer berechneten Menge von Reduktionsagens, die benötigt wird, um den Abgasstrom zu behandeln; eine Reduktionsagens-Vorratsquelle; ein erstes Dosiermittel, um eine erste Dosis von Reduktionsagens an den Abgasstrom zu liefern, wobei die erwähnte erste Dosis von Reduktionsagens weniger ist als die berechnete Menge von Reduktionsagens, die benötigt wird um den Abgasstrom zu behandeln; ein Reaktor, welcher einen Einlaß hat, der den Abgasstrom mit der ersten Dosis von Reduktionsagens aufnimmt; und ein zweites Dosiermittel, welches eine zweite Dosis von Reduktionsagens an den Abgasstrom stromabwärts vom Reaktoreinlaß anliefert.
Das Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, welches einen zweiten Sensor zur Bestimmung einer Charakteristik des Abgasstroms umfaßt, und wobei die erwähnte Steuereinheit mit dem erwähnten zweiten Sensor verbunden ist, um die Menge der erwähnten zweiten Dosis von Reduktionsagens zu bestimmen und wobei der Reaktor ein erstes reagierendes Lager und ein zweites reagierendes Lager einschließt, wobei der erwähnte zweite Sensor und das erwähnte zweite Dosiermittel zwischen den erwähnten ersten und zweiten reagierenden Lagern angeordnet ist, und das erste Dosiermittel eine Flußsteuervorrichtung ist, um die erwähnte erste Dosis in einer Menge von ungefähr neunzig Prozent (90%) der erwähnten berechneten Menge, des erwähnten Reduktionsagens abzugeben.
Das Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin der erwähnte Reaktor einen Auslass hat und einen zweiten Sensor, der mit dem erwähnten Auslass assoziiert ist, um das Niveau von NO_x-Emissionen abzufühlen, welche vom Reaktor ausgestoßen werden, wobei der erwähnte Sensor mit der erwähnten Steuereinheit verbunden ist, um die Menge von Reduktionsagens in der erwähnten zweiten Dosis zu bestimmen.
Das Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei der erwähnte erste Sensor angepaßt ist, um eines von Motorgeschwindigkeit bzw. – drehzahl, Kraftstoffverbrauchsrate, Schub bzw. Boost und Last abzufühlen bzw. zu messen.
Das Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei der erwähnte Reaktor ein erstes reagierendes Lager und ein zweites reagierendes Lager einschließt, und wobei das erwähnte zweite Dosiermittel zwischen dem erwähnten ersten reagierenden Lager und dem erwähnten zweiten reagierenden Lager angeordnet ist.
Das Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die erwähnte erste Dosis ungefähr neunzig Prozent (90%) der erwähnten berechneten, benötigten Menge von dem erwähnten Reduktionsagens ist.
Ein Verfahren zur Erhöhung der Effizienz eines Emissionssteuerungssystem für einen Kompressionszündungsmotor, welcher in der Lage ist, einen Abgasstrom zu produzieren, der mit einem Reduktionsagens behandelt werden soll, welches mit dem Abgasstrom vermischt wird, um das Abgas zu konvertieren bzw. umzuwandeln, wobei das Verfahren folgendes aufweist: Bestimmen einer benötigten Menge eines Reduktionsagens um den Abgasstrom zu behandeln; Anliefern einer ersten Dosis von Reduktionsagens an den Abgasstrom, wobei die erwähnte erste Dosis weniger ist als die benötigte Menge; Reagieren des Abgasstroms mit der ersten Dosis von Reduktionsagens; Anliefern einer zweiten Dosis von Reduktionsagens an den Abgasstrom, nach dem Reagieren des Abgasstroms mit der ersten Dosis von Reduktionsagens; und Reagieren des Abgasstroms mit der zweiten Dosis von Reduktions agens.
Das Verfahren nach Anspruch 7, welches einen Schritt des Bestimmens einer Menge der zweiten Dosis einschließt, basierend auf der Effektivität des erwähnten Schritts des Reagierens des Abgasstroms mit der ersten Dosis.
Das Verfahren nach Anspruch 7, welches das Anliefern der erwähnten ersten Dosis von Reduktionsagens in einer Menge von ungefähr neunzig Prozent (90%) der benötigten Menge vom erwähnten Schritt des Bestimmens der benötigten Menge einschließt, und wenigstens eines der Folgenden: Bestimmen einer Menge der zweiten Dosis, basierend auf der Effektivität des erwähnten Schritts des Reagierens des Abgasstroms mit der ersten Dosis; Bestimmen des NO_x-Gehalts des Abgasstroms nach dem erwähnten Schritt des Reagierens des Abgasstroms mit der zweiten Dosis von Reduktionsagens; und Bestimmen der Menge der zweiten Dosis ansprechend auf das erwähnte Bestimmen des NO_x-Gehalts; und Bestimmen des NO_x-Gehalts des Abgasstroms zwischen dem erwähnten Schritt des Reagierens des Abgasstroms mit der ersten Dosis von Reduktionsagens und dem erwähnten Schritt des Reagierens des Abgasstroms mit der zweiten Dosis von Reduktionsagens, und Bestimmen der Menge der zweiten Dosis ansprechend auf das erwähnte Bestimmen des NO_x-Gehalts.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erwähnte Schritt des Bestimmens der benötigten Menge das Abfühlen bzw. Abmessen von wenigstens einer Motorbetriebsbedingung aus der Gruppe von Motorbetriebsbedingungen einschließt, welche das Folgende einschließt: Ladedruck bzw. Schubdruck (Boostdruck), Kraftstoffverbrauchsrate, Motorgeschwindigkeit bzw. – drehzahl und Motorlast.