DE10355664A1

DE10355664A1 - Wärmemanagement eines integrierten Emissionsreduktionssystems

Info

Publication number: DE10355664A1
Application number: DE10355664A
Authority: DE
Inventors: Prasad Greenwood Tumati; Wilbur H. Columbus Crawley; John P. Indianopolis Nohl
Original assignee: Arvin Technologies Inc
Current assignee: Arvin Technologies Inc
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2004-06-24
Also published as: US20040112046A1

Abstract

Bei der vorliegenden Erfindung geht es um das Wärmemanagement eines integrierten Emissionsreduktionssystems zum Entfernen von Schwebstoffen und NOx aus den Abgasströmen von Dieselmotoren. Das erfindungsgemäße integrierte Emissionsreduktionssystem kann einen Dieselpartikelfilter (DPF), eine Wärmequelle zum Einstellen der Temperatur des in den DPF eintretenden Abgasstromes, mindestens einen katalytischen NOx-Absorber, einen Wärmetauscher zum Einstellen der Temperatur des in den NOx-Absorber eintretenden Abgasstromes und eine Rechenvorrichtung zum Überwachen der Temperatur des in den DPF und den NOx-Absorber eintretenden Abgasstromes und zum Steuern der Funktionsweise des Wärmetauschers und der Wärmequelle umfassen, wodurch der Wirkungsgrad des DPF und des NOx-Absorbers verbessert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Abgasemissionsreduktionssysteme zum Entfernen von Schwebstoffen und Stickoxiden (NOx) aus den Abgasströmen von Dieselmotoren, und sie betrifft insbesondere die Verbesserung des Wirkungsgrades von Emissionsreduktionssystemen mit einer nichtselektiven katalytischen Reduktionskomponente.

Die Verbrennungsabgase von Dieselmotoren enthalten Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, NOx und Schwebstoffe. Umweltschutzvorschriften, wie zum Beispiel die Abgasnormen EURO 4 (2005) und EURO 5 (2008) sowie U.S. 2004 und U.S. 2007, verlangen zunehmend nach einer Schadstoffbegrenzung, um die Dieselabgaswerte für NOx und Schwebstoffe immer weiter abzusenken. Die Vorschriften begrenzen zunehmend die Menge an NOx, die während eines vorgegebenen Fahrzyklus, wie zum Beispiel dem FTP-Zyklus (FTP = Federal Test Procedure) in den Vereinigten Staaten oder dem MVEG-Zyklus (MVEG = Mobile Vehicle Emission Group) in Europa, ausgestoßen werden kann.

Eine der in der Technik bekannten Möglichkeiten zum Entfernen von NOx aus dem Abgas von Dieselmotoren ist die katalytische Reduktion. Bei einem katalytischen Reduktionsverfahren wird im Wesentlichen das Abgas in Gegenwart eines Reduktionsgases über ein Katalysatorbett geleitet, um den oxidierten Stickstoff in elementaren Stickstoff umzuwandeln. Zwei Arten der katalytischen Reduktion sind die nichtselektive katalytische Reduktion (NSCR) und die selektive katalytische Reduktion (SCR). Diese Erfindung betrifft Emissionsreduktionssysteme mit NSCR.

Roth et al., US-Patent Nr. 6,446,430, offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren instationärer und stationärer NOx-Emissionen in den Abgasen eines Fahrzeugs, das durch einen mit Dieselkraftstoff arbeitenden Verbrennungsmotor angetrieben wird, der einen dem Motor nachgeschalteten Reduktionskatalysator enthält. Der Katalysator umfasst einen Reduktionskatalysator und ein System zum Einspritzen von Dieselkraftstoff als Kohlenwasserstoff (KW)-Reduktionsmittel in das Abgas stromaufwärts von dem Katalysator. Roth erkennt, dass instationäre Motorzustände die Temperatur des Abgases erhöhen werden, was wiederum die Temperatur des Katalysators bis zu dem Punkt erhöhen wird, wo das Temperaturfenster, in dem es zur NOx-Umwandlung kommt, überschritten werden kann.

Der Umwandlungswirkungsgrad einiger NOx-Katalysatoren ist temperaturabhängig. Der wirksame Betriebstemperaturbereich liegt im Allgemeinen zwischen 250° und 450°C (Grad Celsius), je nach dem Katalysator, und über 750° bis 800°C kann der Katalysator beschädigt werden. Bei einem Betrieb des Dieselmotors mit hoher Last können die Abgastemperaturen diese Bereiche leicht übersteigen.

Dieselpartikelfilter (DPF) zum Entfernen von Schwebstoffen aus dem Abgasstrom eines Dieselmotors haben sich als äußerst wirksam beim Entfernen von Kohleruß erwiesen. Der am weitesten verbreitete Dieselrußfilter ist der Wandströmungsfilter, der das Dieselabgas filtert, indem er die Schwebstoffe an den porösen Wänden des Filterkörpers festhält. Cutler et al., US-Patent Nr. 6,464,744, offenbart einen porösen Dieselabgas-Partikelfilter aus Keramik. Der Keramikfilter umfasst mehrere an ihrem Ende mit einem Stopfen verschlossene Wabenstrukturen, die zusammen die Schwebstoffe im Dieselabgas zurückhalten und verbrennen. Wenn sich Schwebstoffe ansammeln, nimmt der Druckabfall über dem Filter schließlich zu, bis ein Gegendruck gegen den Motor entsteht, und der Filter muss regeneriert werden. Bei dem Regenerationsprozess wird der Filter erwärmt, um die Verbrennung des Kohlerußes in Gang zu setzen. Normalerweise erfolgt die Regenerierung unter kontrollierten Bedingungen des Motor-Management, wodurch eine langsame Verbrennung in Gang gesetzt wird und ein paar Minuten andauert, wobei in dieser Zeit die Temperatur in dem Filter von etwa 400° bis 600°C auf ein Maximum von etwa 800° bis 1000°C ansteigt.

Bei den derzeit zur Verfügung stehenden Systemen besteht das Problem einer wirksamen Verbrennung von Dieselschwebstoffen bei Temperaturen der Abgasströme von 300°C oder niedriger. Die Temperatur des Dieselabgasstromes kann zwar 500°C überschreiten, doch kann sie auch niedriger sein, z.B. 300°C oder darunter, und, wie oben angemerkt, die Filter sind nicht besonders wirksam zum Verbrennen zurückgehaltener Schwebstoffe bei solch niedrigen Temperaturen.

Wie oben angemerkt, erfordert die Regenerierung des Dieselpartikelfilters (DPF) normalerweise Abgastemperaturen von mindestens 600°C, wenngleich sich einige Filter kontinuierlich regenerieren, da sie katalytische Zusätze enthalten, die Rußentzündungstemperaturen zwischen 350° und 450°C bereitstellen. Unter niedriger Last arbeitende Dieselmotoren können jedoch Abgas erzeugen, dessen Temperatur zu niedrig ist, um selbst in katalytischen Dieselpartikelfiltern Schwebstoffe zu verbrennen.

Während sich die obigen Systeme als vorteilhaft beim Reduzieren bestimmter Dieselabgasemissionen erwiesen haben, hat es sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, wenn solche Systeme bei Temperaturen betrieben werden, die ihren Wirkungsgrad maximieren. Insbesondere arbeiten Dieselpartikelfilter äußerst wirksam bei einer Temperatur über einem bestimmten Schwellenwert, oft bei einer Temperatur, die höher ist als die typischen Temperaturen der Dieselabgasströme, und NOx-Katalysatoren arbeiten äußerst wirksam in einem Temperaturfenster, das oft unter den typischen Abgasstromtemperaturen liegt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei der vorliegenden Erfindung geht es um das Wärmemanagement eines integrierten Emissionsreduktionssystems zum Entfernen von Schwebstoffen und Stickoxiden (NOx) aus den Abgasströmen von Dieselmotoren. Das erfindungsgemäße integrierte Emissionsreduktionssystem kann einen Dieselpartikelfilter (DPF), eine Wärmequelle zum Einstellen der Temperatur des in den DPF eintretenden Abgasstromes, mindestens einen katalytischen NOx-Absorber, einen Wärmetauscher zum Einstellen der Temperatur des in den NOx-Absorber eintretenden Abgasstromes und eine Rechenvorrichtung zum Überwachen der Temperatur des in den DPF und den NOx-Absorber eintretenden Abgasstromes und zum Steuern der Funktionsweise des Wärmetauschers und der Wärmequelle umfassen, wodurch der Wirkungsgrad der DPF-Regenerierung und des NOx-Absorbers verbessert wird.

Eine beispielhafte Ausführungsform des Emissionsreduktionssystems erhält einen Abgasstrom von einem ein Fahrzeug antreibenden Dieselmotor. Der Abgasstrom wird durch einen DPF, ein Wärmeaustauschsystem, ein NOx-Absorbersystem, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) und einen Schalldämpfer geleitet. Das Emissionsreduktionssystem umfasst ein elektronisches Steuergerät (ECU) zum Überwachen und Steuern des Prozesses der Abgasemissionsreduktion.

Der Umwandlungswirkungsgrad von NOx-Katalysatoren ist temperaturabhängig, und die Verbrennung von Schwebstoffen ist ebenfalls temperaturabhängig. Daher ist es vorteilhaft, wenn der in die verschiedenen Komponenten des Emissionsreduktionssystems wie zum Beispiel den DPF und den NOx-Absorber eintretende Abgasstrom auf eine Temperatur eingestellt wird, die den Wirkungsgrad der Systemkomponenten maximiert. Insbesondere ist es oft von Vorteil, die Temperatur des in den DPF eintretenden Abgasstromes zu erhöhen und die Temperatur des in den NOx-Absorber eintretenden Abgasstromes auf ein spezifisches Temperaturfenster zu erhöhen oder zu senken.

In einer Form umfasst ein Abgasemissionsreduktionssystem zum Reduzieren der von einem Dieselmotor erzeugten Abgasemissionen einen in dem Abgasstrom enthaltenen Partikelfilter, einen Wärmetauscher zum Einstellen der Temperatur des Dieselabgasstromes, mindestens einen katalytischen NOx-Absorber in dem temperaturgeregelten Dieselabgasstrom und eine Wärmequelle, die den Abgasstrom erwärmen kann.

In einer anderen Form umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Abgasemissionsreduktionssystems zum Reduzieren der von einem Dieselmotor erzeugten Abgasemissionen die Schritte des Überwachens und Steuerns der Temperatur des in einen Partikelfilter eintretenden Abgasstromes, wodurch die Funktionsweise des Partikelfilters verbessert wird, und des Überwachens und Steuerns der Temperatur des in einen katalytischen NOx-Absorber eintretenden Abgasstromes, wodurch die Funktionsweise des NOx-Absorbers verbessert wird.

In noch einer anderen Form gibt es eine Computervorrichtung zum Steuern eines Abgasemissionsreduktionssystems zum Reduzieren der von einem Dieselmotor erzeugten Abgasemissionen; das Emissionsreduktionssystem umfasst dabei einen Partikelfilter, ein katalytisches NOx-Absorbersystem und ein Wärmeübertragungssystem, das Wärme dem Abgasstrom zuführen oder Wärme aus dem Abgasstrom entfernen kann; die Rechenvorrichtung umfasst einen Mikroprozessor ("Prozessor") und Software, die die Temperatur des in den Partikelfilter eintretenden Abgasstromes überwachen kann, das Wärmeübertragungssystem zum Einstellen der Temperatur des Abgasstromes steuern kann, um die Funktionsweise des Partikelfilters zu verbessern, die Temperatur des in den Absorber eintretenden Abgasstromes überwachen kann und das Wärmeübertragungssystem steuern kann, um die Temperatur des Abgasstromes einzustellen, um die Funktionsweise des Absorbers zu verbessern.

Die oben genannten und weitere Merkmale und Aufgaben dieser Erfindung sowie die An und Weise, wie diese Aufgaben gelöst werden, werden besser ersichtlich, und die Erfindung selbst wird besser verständlich, anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; darin zeigen:
1 eine Montageansicht eines erfindungsgemäßen integrierten Emissionsreduktionssystems, das in einem mit einem Dieselmotor angetriebenen Fahrzeug bereitgestellt ist;
2 eine Draufsicht des integrierten Emissionsreduktionssystems von 1;
3 ein Blockdiagramm eines Steuersystems zum Steuern des integrierten Emissionsreduktionssystems von 1;
4 ein Prozessablaufdiagramm des integrierten Emissionsreduktionssystems von 1; und
5A–5D Software-Flussdiagramme der Steuervorrichtung von 3.
Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten. Wenngleich die Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen, sind die Zeichnungen nicht zwangsläufig maßstabsgerecht, und bestimmte Merkmale können übertrieben sein, um die vorliegende Erfindung besser zu veranschaulichen und zu erläutern. Die hierin dargelegten Beispiele veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung in mehreren Formen, und diese Beispiele sollen nicht als den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend ausgelegt werden.
BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die nachfolgend offenbarten Ausführungsformen sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die in der nun folgenden ausführlichen Beschreibung offenbarten genauen Formen beschränken. Die Ausführungsformen sind vielmehr so gewählt und beschrieben, dass andere Fachleute ihre Lehre nutzen können.
Das in 1 gezeigte Fahrzeug 12 wird durch einen Dieselmotor angetrieben und umfasst ein integriertes Emissionsreduktionssystem 10 zum Entfernen von Schwebstoffen und Stickoxiden (NOx) aus dem Dieselmotor-Abgasstrom 17, wie in 2 gezeigt. Gemäß 1 und 2 umfasst das Emissionsreduktionssystem 10 insgesamt einen Dieselpartikelfilter (DPF) 20, eine Wärmequelle 30, ein Wärmeaustauschsystem 40, ein NOx-Absorbersystem 60, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 80, einen Schalldämpfer 90, ein Abgasrohr 96 und ein Steuersystem 100, wie in 3 gezeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren und das Steuersystem 100 zum Wärmemanagement des erfindungsgemäßen integrierten Emissionsreduktionssystems 10 stellt für Emissionsreduktionssysteme mit einer Komponente zur nichtselektiven katalytischen Reduktion (NSCR) wie zum Beispiel dem NOx-Absorbersystem 60 einen höheren Wirkungsgrad bereit.
Mit Bezug auf 2 umfasst der DPF 20 eine Filterstruktur 22 zum Zurückhalten und Verbrennen von Schwebstoffen wie zum Beispiel Kohleruß im Dieselabgas. Die Filterstruktur 22 ist in der Technik wohlbekannt und kann zum Beispiel eine poröse Keramik sein, die mehrere an ihrem Ende mit einem Stopfen verschlossene Wabenstrukturen bildet, die Kohleruß aus dem Abgas von Dieselmotoren wirksam entfernen können. Bei einem sich kontinuierlich regenerierenden katalytischen DPF umfasst die Filterstruktur 22 einen Katalysator. Der DPF 20 kann bei der beispielhaften Ausführungsform zum Beispiel einen von Corning Inc. mit Sitz in Corning, New York, hergestellten Filter umfassen wie den, der Gegenstand des US-Patents Nr. 6,464,744 ist.
Die Wärmequelle 30 kann die Temperatur des Abgases von Dieselmotoren erhöhen. Insbesondere sollte die Wärmequelle 30 in der Lage sein, die Abgastemperatur auf die Entzündungstemperatur von Kohleruß zu erhöhen, die im Bereich von mindestens 600° bis 650°C bzw. mindestens 300 bis 350°C liegen kann, wenn ein mit einem Katalysator versehener DPF verwendet wird. Der Sollwert S1, nachfolgend definiert als eine zum Verbrennen von Kohleruß ausreichende Temperatur, liegt im Bereich von 600° bis 650°C. Die Wärmequelle 30 umfasst bei der beispielhaften Ausführungsform zum Beispiel einen mit Dieselkraftstoff betriebenen Brenner, wie er bei ArvinMeritor mit Sitz in Columbus, Indiana, erhältlich ist. Eine solche Wärmequelle 30 umfasst einen Kraftstoffregler 32 zum Regeln des der Wärmequelle 30 zugeführten Dieselkraftstoffs, einen Kraftstoffzerstäubungsluftregler 34 zum Regeln der Zerstäubung des Dieselkraftstoffs für die Verbrennung und eine Luftgebläseregler 36 zum Regeln des Luftstroms für die Verbrennung des Dieselkraftstoffs durch die Wärmequelle 30.
Das Wärmeaustauschsystem 40 bietet eine Temperatureinstellung, im Allgemeinen eine Kühlung, des Dieselmotorabgases. Das Wärmeaustauschsystem 40 umfasst eine Austauschweg 42 und einen Umgehungsweg 44, die als parallele Leitungen für einen Strom von Dieselmotorabgas miteinander verbunden sind. Der Austauschweg 42 enthält den Wärmetauscher 50, der die Wärmeaustauschstruktur 56 umfasst, der ein Strom von Kühlmittel zugeführt wird, der durch das Kühlmittelregelventil 51 geregelt und über den Kühlmitteleinlass 52 und den Kühlmittelauslass 54 bereitgestellt wird. Das Kühlmittel kann aus einem vorhandenen Motorkühlsystem stammen, vorausgesetzt eine zusätzliche Kühlmöglichkeit steht zur Verfügung, zum Beispiel bei einem Leichtfahrzeug, oder aus einem separaten unabhängigen Kühlsystem, zum Beispiel bei einem Schwerfahrzeug, bei dem die Kühlreserve begrenzt sein kann.
Der Umgehungsweg 44 umfasst ein Wärmeaustausch-Umgehungsventil, das bei der beispielhaften Ausführungsform ein Hochtemperaturabgas-Regelventil sein kann wie zum Beispiel Teil Nr. 2010499, hergestellt von ArvinMeritor mit Sitz in Columbus, Indiana. Der Strom des Motorabgases durch den Wärmetauscher 50 ist abhängig von dem durch das Ventil 46 in dem Umgehungsweg 44 bereitgestellten Strömungswiderstand. Wenn zum Beispiel das Ventil 46 den Umgehungsweg 44 schließt, wird der Strom von Motorabgas durch den Wärmetauscher 50 verstärkt, und wenn das Ventil 46 geöffnet ist und den Strom von Abgas durch den Umgehungsweg 44 erlaubt, wird der Strom von Motorabgas durch den Wärmetauscher 50 verringert. Ein beispielhafter Wärmetauscher 50 ist Teil Nr. 1202496, hergestellt von Behr America, Inc. mit Sitz in Troy, Michigan.
Das NOx-Absorbersystem 60 umfasst mindestens einen katalytischen NOx-Absorber 62a. Der NOx-Absorber 62a stellt eine nichtselektive katalytische Reduktion (NSCR) bereit, die Motorabgas NOx in Stickstoff umwandelt. Der NOx-Absorber 62a kann einen Katalysator 64a umfassen, wie zum Beispiel einen kalium- oder bariumhaltigen Katalysator auf einem Keramik- oder Metallsubstrat. Zum Regenerieren des NOx-Absorbers 62a, wenn er seine Kapazität erreicht hat, können Kohlenwasserstoffe (KW) in Form von Dieselkraftstoff der durch ein Reduktionsmitteleinspritzsystem 70a in den NOx-Absorber 62a eingespritzt wird, zum Desorbieren und Regenerieren des Katalysators 64a verwendet werden. Das NOx-Absorbersystem 60 kann zusätzliche NOx-Absorber umfassen, die mit dem Absorber 62a in Reihe oder parallel geschaltet sein können.
Das in 2 gezeigte NOx-Absorbersystem 60 der beispielhaften Ausführungsform umfasst einen ersten und einen zweiten NOx-Absorber 62a und 62b, durch die Motorabgas unter der Steuerung des ersten und des zweiten Absorbenegelventils 68a und 68b wahlweise zugeführt wird. Das erste Absorberventil 68a regelt den Strom von Motorabgas durch den ersten Absorbereingangsweg 66a, der mit dem ersten NOx-Absorber 62a verbunden ist. Das zweite Absorberventil 68b regelt den Strom von Motorabgas in dem zweiten Absorbereingangsweg 66b, der mit dem zweiten NOx-Absorber 62b verbunden ist. Der erste und der zweite Auslassweg 76a und 76b, die jeweils mit dem ersten und dem zweiten NOx-Absorber 62a und 62b verbunden sind, sind miteinander verbunden, um den parallelen Kreislauf des NOx-Absorbersystems 60 zu vervollständigen.
Die bei der beispielhaften Ausführungsform verwendeten ersten und zweiten Einspritzsysteme 70a und 70b können von dem bei ArvinMeritor erhältlichen Typ sein. Die beispielhaften ersten und zweiten NOx-Absorber 62a und 62b können zum Beispiel von der Engelhard Corporation mit Sitz in Iselin, New Jersey, und von Johnson Matthey mit Sitz in London, England, hergestellte NOx-Absorber sein. Die ersten und zweiten Absorberventile 68a und 68b bei der beispielhaften Ausführungsform können zum Beispiel von ArvinMeritor hergestellte Hochtemperaturabgas-Regelventile sein.
Der Dieseloxidationskatalysator (DOC) 80 reduziert die im Dieselabgas vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe (KW) und Kohlenmonoxid (CO). Der DOC 80 katalysiert die Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von CO. Solche Vorrichtungen sind in der Technik wohlbekannt. Ein geeignetes Beispiel ist bei ArvinMeritor erhältlich.
Der Schalldämpfer 90 und das Abgasrohr 96 sorgen für eine Geräuschreduzierung des Motorabgases und lenken den ausgestoßenen Motorabgasstrom 98.
Gemäß 3 umfasst das Steuersystem 100 für das Wärmemanagement und die Regenerierung des integrierten Emissionsreduktionssystems 10 eine Steuervorrichtung 101. Die Steuervorrichtung 101 ist ein prozessorgestütztes Steuersystem mit einem Prozessor, der zum Beispiel ein RAM (Direktzugriffsspeicher), eine FLASH-Animationstechnologie, ein EEPROM (elektrisch löschbarer und programmierbarer Nur-Lese-Speicher), ein integriertes CAN (Controller Area Network), etc. sowie Software umfassen kann, die die in 5A–5D gezeigte Prozesssteuerung ausführen kann, um verschiedene Aspekte des Emissionsreduktionssystems 10 zu überwachen und zu steuern. Eine solche beispielhafte Steuervorrichtung 101 kann als Bestandteil eines Motorsteuergeräts (ECU) implementiert sein.
Bei der vorliegenden Erfindung erhält die Steuervorrichtung 101 Eingangssignalinformation von dem Motordrehzahlsensor 15, dem Turboladerdrehzahlsensor 16, dem DPF-Einlassdrucksensor 24, dem DPF-Einlasstemperatursensor 25, dem DPF-Auslassdrucksensor 26, dem DPF-Auslasstemperatursensor 27, der Luftgebläsesteuerung 36, dem NOx-Einlasstemperatursensor 56, dem NOx-Einlasssensor 72 und dem NOx-Auslasssensor 74. Nach Erhalt aller obengenannten Eingangssignalinformationen verarbeitet die Steuervorrichtung 101 die empfangenen Daten und erzeugt Ausgangssignale zum Steuern des Kraftstoffreglers 32, des Kraftstoffzerstäubers 34, des Luftgebläsereglers 36, des Wärmetauscherventils 46, des Kühlmittelventils 51, des Ventils 68a des NOx-Absorbers A, des Ventils 68b des NOx-Absorbers B, des Reduktionsmitteleinspritzventils A 70a und des Reduktionsmitteleinspritzventils B 70b.
Insgesamt mit Bezug auf 2 und 4 wird bei der beispielhaften Ausführungsform der Motorabgasstrom 17 von dem Dieselmotor dem integrierten Emissionsreduktionssystem 10 über den Motorabgasanschluss 18 zugeführt. Der Motorabgasanschluss 18 ist mit dem DPF 20 verbunden. Die Temperatur T1 und der Druck P1 des in den DPF 20 eintretenden Abgasstromes 17 werden durch die Steuervorrichtung 101 unter Verwendung des DPF-Einlassdrucksensors 24 und des DPF-Einlasstemperatursensors 25 überwacht. Die Steuervorrichtung 101 kann die Temperatur des in den DPF 20 eintretenden Abgasstromes 17 durch Steuern der Wärmequelle 30 regeln. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 101 den Kraftstoffregler 32, den Kraftstoffzerstäubungsluftregler 34 und den Verbrennungsluftgebläseregler 36 steuern, um die Temperatur T1 des in den DPF 20 eintretenden Abgasstromes 17 auf einen für den Betrieb des DPF optimalen Temperaturbereich zu erhöhen.
Die Temperatur T2 und der Druck P2 des aus dem DPF 20 austretenden Abgasstromes 17 wird durch die Steuervorrichtung 101 unter Verwendung des DPF-Auslassdrucksensors 26 und des DPF-Auslasstemperatursensors 27 überwacht.
Der durch das Wärmeaustauschsystem 40 strömende Abgasstrom 17 und die resultierende Temperaturänderung des Abgasstromes 17 werden durch die Steuervorrichtung 101 unter Verwendung des Wärmetauscherventils 46 und des Kühlmittelventils 51 gesteuert. Außerdem wird die Kühlung des durch das Wärmeaustauschsystem 40 strömenden Abgasstromes 17 durch den Strom des Abgasstromes 17 durch den Wärmetauscher 50 geregelt, eine Funktion des Wärmetauscher-Umgehungsventils 46, das den Umgehungsweg 44 ganz oder teilweise öffnet oder schließt und den Abgasstrom 17 durch den Wärmetauscher 50 drückt, und auch eine Funktion des durch das Kühlmittelventil 51 geregelten Stromes von Kühlmittel durch den Wärmetauscher 50.
Die Temperatur T3 des aus dem Wärmeaustauschsystem 40 austretenden und in das NOx-Absorbersystem 60 eintretenden Abgasstromes 17 wird durch die Steuervorrichtung 101 unter Verwendung des NOx-Einlasstemperatursensors 56 überwacht. Nach Bedarf wird die Temperatur des Abgasstromes durch das Wärmeaustauschsystem 40 von der Temperatur des Abgasstromes des Partikelfilters in Richtung einer optimierten Temperatur für die NOx-Absorption abgesenkt.
Das erste und das zweite Absorberventil 68a und 68b steuern den Strom des Abgasstromes 17 durch das NOx-Absorbersystem 60, so dass einer von dem ersten und dem zweiten NOx-Absorber 62a bzw. 62b in Betrieb ist und den Abgasstrom 17 aufnimmt, während der andere von dem ersten und dem zweiten NOx-Absorber 62a und 62b gerade regeneriert wird und durch das erste oder zweite Redulctionsmitteleinspritzsystem 70a oder 70b Reduktionsmittel zugeführt bekommt, um die Kapazität des Katalysators 64a oder 64b wiederherzustellen.
Damit die Steuervorrichtung 101 den Wirkungsgrad und die verbleibende Kapazität des ersten und des zweiten NOx-Absorbers 62a und 62b überwachen kann, kann das NOx-Absorbersystem 60 einen NOx-Einlasssensor 72 zum Überwachen des NOx-Gehalts N1 an einem Einlass des NOx-Absorbersystems 60 und einen NOx-Auslasssensor 74 zum Überwachen des NOx-Gehalts N2 an einem Auslass des NOx-Absorbersystems 60 umfassen. Die Steuervorrichtung 101 kann dann den NOx-Gehalt des in das NOx-Absorbersystem 60 eintretenden und wieder austretenden Abgasstromes 17 überwachen und feststellen, wann der gerade arbeitende NOx-Absorber 62a oder 62b regeneriert werden muss. NOx-Sensoren sind jedoch derzeit für die meisten kommerziell praktikablen Anwendungen bei Fahrzeugen mit Dieselmotorantrieb unerschwinglich; die Steuervorrichtung 101 kann daher das Umschalten zwischen den NOx-Absorbern 62a und 62b auf der Basis anderer Motorbetriebsparameter und vorhergesagter NOx-Werte, auf der Basis der verstrichenen Zeit des Motorbetriebs oder einer Kombination dieser und anderer Faktoren erlauben.
Der aus dem NOx-Absorbersystem 60 austretende Abgasstrom 17 wird zum Entfernen von unverbranntem KW und CO dem DOC 80 zugeführt. Schließlich strömt der Abgasstrom 17 durch den geräuschreduzierenden Schalldämpfer 90 und das Abgasrohr 96 und verlässt das integrierte Emissionsreduktionssystem 10 als ausgestoßener Abgasstrom 98.
Das Wärmemanagement des integrierten Emissionsreduktionssystems 10 stellt einen verbesserten Wirkungsgrad der Entfernung von NOx und Schwebstoffen aus dem Abgasstrom 17 eines Dieselmotors bereit. Insbesondere wird ein Wärmeübertragungssystem, das bei der beispielhaften Ausführungsform eine Wärmequelle 30 und ein Wärmeaustauschsystem 40 umfasst, durch die Steuervorrichtung 101 gesteuert, um die Temperatur des in den DPF 20 eintretenden Abgasstromes 17 einzustellen und um die Temperatur des in das NOx-Absorbersystem 60 eintretenden Abgasstromes 17 auf ein Temperaturfenster einzustellen, wodurch der Wirkungsgrad des Betriebs des DPF 20 und des NOx-Absorbersystems 60 erhöht wird.
Der DPF 20 kann Schwebstoffe, im Allgemeinen Kohleruß, zurückhalten und verbrennen. Bei niedriger Motorlast kann der Abgasstrom 17 eine Temperatur von 300°C oder darunter haben. Im Allgemeinen sind die zur Verfügung stehenden Dieselpartikelfilter nicht besonders wirksam zum Verbrennen von Schwebstoffen bei solch niedrigen Temperaturen. Die Überwachung der DPF-Einlasstemperatur T1 durch den Sensor 25 erlaubt es der Steuervorrichtung 101, die Temperatur des in den DPF 20 eintretenden Abgasstromes 17 durch Steuern der Wärmequelle 30 zu erhöhen. Die Wärmequelle 30 kann die Temperaturen des Abgasstromes 17 auf einen Bereich erhöhen, der eine wirksamere Regenerierung eines sich kontinuierlich regenerierenden katalytischen Dieselpartikelfilters 20 erlaubt. Zum Beispiel wird die Temperatur des in den DPF 20 eintretenden Abgasstromes 17 auf über 270°C, vorzugsweise mehr als 300°C, mehr bevorzugt auf mehr als 350°C erhöht. Der Sollwert S2, nachfolgend definiert als wirksame Mindestbetriebstemperatw für den DPF 20, liegt im Bereich von 300° bis 350°C.
Außerdem kann die Wärmequelle 30 in der Lage sein, die Regeneration eines sich nicht kontinuierlich regenerierenden nichtkatalytischen DPF 20 zu ermöglichen. Die Steuervorrichtung 101 überwacht den DPF-Einlassdruck P1 und den DPF-Auslassdruck P2 unter Verwendung des Einlassdrucksensors 24 und des Auslassdrucksensors 26, um festzustellen, ob der DPF 20 infolge einer übermäßigen Menge an zurückgehaltenen Schwebstoffen in dem DPF 20 regeneriert werden muss. Eine übermäßige Menge an zurückgehaltenen Schwebstoffen in dem DPF 20 kann zu einem übermäßigen Gegendruck in dem Abgasstrom 17 und gegen den Dieselmotor führen. Eine übermäßige Menge an zurückgehaltenen Schwebstoffen wird aus dem DPF 20 durch einen Regenerationszyklus entfernt, bei dem die Temperatur in dem DPF 20 erhöht wird, so dass zurückgehaltene Schwebstoffe verbrannt werden. Dies gelingt zum Beispiel durch Erhöhen der Temperatur des Abgasstromes 17 in regelmäßigen Abständen unter Verwendung der Wärmequelle 30 auf eine Temperatur über 600°C und vorzugsweise über 650°C, aber unterhalb einer Temperatur, die die Filterstruktur 22 in dem DPF 20 beschädigt, zum Beispiel weniger als 1000°C und mehr bevorzugt weniger als 900°C.
Das NOx-Absorbersystem 60 stellt einen erhöhten Wirkungsgrad bereit, wenn die Temperatur T3 des in den ersten oder zweiten NOx-Absorber 62a oder 62b eintretenden Abgasstromes 17 innerhalb eines Temperaturfensters liegt, das bei der verwendeten speziellen Absorberbeschichtung 64a und 64b einen erhöhten Wirkungsgrad bereitstellt. Zum Beispiel kann bei einem kaliumhaltigen Absorber die Temperatur des in den ersten und den zweiten NOx-Absorber 62a und 62b eintretenden Abgasstromes 17 mehr als 250°C, vorzugsweise mehr als 300°C und mehr bevorzugt mehr als 360°C betragen, aber weniger als 450°C, vorzugsweise weniger als 435°C und mehr bevorzugt weniger als 420°C. Der Sollwert S3, nachfolgend definiert als wirksames Betriebstemperaturfenster für die NOx-Absorber 62a und 62b, liegt im Bereich von 360° bis 420°C.
Wenn eine andere Absorberbeschichtung 64a und 64b bereitgestellt wird, zum Beispiel Barium, wird entsprechend dem Betriebswirkungsgrad des Katalysators ein etwas anderes Temperaturfenster bevorzugt. Bei niedriger Motorlast oder unmittelbar nach dem Anlassen kann der Abgasstrom 17 somit eine Temperatur unter dem bevorzugten Temperaturfenster haben, und somit kann die Steuervorrichtung 101 die Wärmequelle 30 dahingehend steuern, dass die Einlasstemperatur T3 des NOx-Absorbers auf einen Wert innerhalb des bevorzugten Temperaturfensters erhöht wird.
Außerdem ist es bei normaler Motorlast oder wegen einer größeren Erwärmung des Abgasstromes 17 durch die Wärmequelle 30 für einen größeren Wirkungsgrad des DPF 20 wahrscheinlich, dass die Temperatur T3 des in das NOx-Absorbersystem 60 eintretenden Abgasstromes 17 höher sein wird als das bevorzugte Temperaturfenster. Die Steuervorrichtung 101 kann daher die Kühlung des Abgasstromes 17 steuern, indem sie den durch den Umgehungsweg 44 strömenden Abgasstrom 17 unter Verwendung des Ventils 46 ganz oder teilweise sperrt, und kann einen erhöhten Kühlmittelstrom bereitstellen, indem sie das Kühlmittelregelventil 56, das dem Wärmetauscher 50 Kühlmittel zuführt, ganz oder teilweise öffnet und somit die Temperatur T3 des in das NOx-Absorbersystem 60 eintretenden Abgasstromes 17 reduziert.
Der erste und der zweite NOx-Absorber 62a und 62b können eine verminderte Kapazität entwickeln, weil absorbierte Substanzen (die dem Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffs zuzuschreiben sind) mit dem NOx um Anlagerungsstellen auf der Absorberbeschichtung 64a und 64b konkurrieren. Die Wiederherstellung der Kapazität des ersten und zweiten NOx-Absorbers 62a und 62b ist möglich, indem die Temperatur des durch den ersten und den zweiten NOx-Absorber 62a und 62b geleiteten Abgasstromes 17 ausreichend erhöht wird, um die dem Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffs zugeschriebenen absorbierten Substanzen freizusetzen. Zum Beispiel kann bei einer in regelmäßigen Abständen durchgeführten Regenerierung die Steuervorrichtung 101 die Wärmequelle 30 dahingehend steuern, dass die Temperatur T3 des in den ersten und zweiten NOx-Absorber 62a und 62b eintretenden Abgasstromes 17 auf mehr als 500°C, vorzugsweise mehr als 550°C und mehr bevorzugt auf mehr als 600°C erhöht wird. Der Sollwert S4, nachfolgend definiert als eine zum Freisetzen absorbierter Substanzen aus den Anlagerungsstellen auf der Absorberbeschichtung 64a und 64b ausreichende Temperatur, liegt im Bereich von 550° bis 600°C.
Die Steuervorrichtung 101 ist außerdem in der Lage, den Abgasstrom 17 wahlweise zu dem ersten NOx-Absorber 62a oder zu dem zweiten NOx-Absorber 62b zu lenken. Zum Beispiel kann die Steuervorrichtung 101 das zweite Absorberventil 68b schließen, so dass der Abgasstrom 17 nicht mehr in den Eingangsweg 66b des zweiten Absorbers eintreten kann, und das erste Absorberventil 68a öffnen, so dass der Abgasstrom 17 durch den Eingangsweg 66a des ersten Absorbers strömt. Der erste NOx-Absorber 62a ist also in Betrieb, um NOx aus dem Abgasstrom 17 zu absorbieren, und der NOx-Absorber 62b kann gleichzeitig regeneriert werden.
Beim Regenerieren kann das zweite Einspritzsystem 70b Kohlenwasserstoff (KW) in Form von Dieselkraftstoff bereitstellen, der als Reduktionsmittel wirkt, um den NOx-Katalysator 74b zu desorbieren und zu regenerieren. Nach dem Regenerieren des NOx-Absorbers 62b kann die Steuervorrichtung 101 das erste Absorberventil 68a schließen und das zweite Absorberventil 68b öffnen, womit der NOx-Absorber 62b in Betrieb gesetzt wird und analog dazu die gleichzeitige Regenerierung des ersten NOx-Absorbers 62a ermöglicht wird, wobei das erste Einspritzsystem 70a Kohlenwasserstoff (KW) in Form von Dieselkraftstoff bereitstellen kann.
Das Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten NOx-Absorber 62a und 62b zum Betreiben und Regenerieren kann durch die Steuervorrichtung 101 anhand des vorhergesagten NOx-Ausstoßes und der Kapazität des ersten und zweiten NOx-Absorbers 62a und 62b für gegebene Motorbetriebsparameter, anhand der verstrichenen Motorzeit und der seit der letzten Regenerierung verstrichenen Zeit, einer Kombination dieser Parameter oder der Messung des tatsächlichen NOx-Gehalts N1 am Einlass des NOx-Absorbersystems 60 und des tatsächlichen NOx-Gehalts N2 am Auslass des NOx-Absorbersystems 60 ermittelt werden. Wenngleich die beispielhafte Ausführungsform einen NOx-Einlasssensor 72 und einen NOx-Auslasssensor 74 zum Überwachen des tatsächlichen NOx-Gehalts N1 und N2 des Abgasstromes 17 umfassen kann, können vorhergesagte oder tatsächliche Dieselmotorbetriebsparameter einschließlich der Motordrehzahl 15 und der Turboladerdrehzahl 16 sowie andere Parameter im Zusammenhang mit dem NOx-Gehalt des Abgasstromes 17 zusätzlich oder alternativ verwendet werden, um den ersten und den zweiten NOx-Absorber 62a und 62b wahlweise zu regenerieren.
Gemäß 5A–5D nun enthält die Steuervorrichtung 101 einen Prozessor und Software, die mit dem Prozessor funktionsmäßig verbunden ist und Module zum Steuern des Emissionsreduktionssystems 10 ausführen kann. Für die Zwecke dieser Erfindung ist ein Modul ein Teil der Software, das eine oder mehrere Funktionen enthält. Jede Funktion führt eine spezifische Aufgabe aus. Jedes Modul umfasst eine Vielzahl von bedingten Anweisungen, d.h. Anweisungen, die es den Modulen erlauben, in Abhängigkeit von einer durch den Prozessor bereitgestellten Eingangsgröße jedes Mal, wenn sie ausgeführt werden, anders zu arbeiten. In 5A–5D ist der Ablauf der Prozesssteuerung dargestellt, wenn die Software durch die Steuervorrichtung 101 ausgeführt wird.
Gemäß 5A wird das Modul A 102 ausgeführt, wenn die Steuervorrichtung 101 die Software ausführt. Das Modul A 102 stellt die Wärmemanagement-Prozesssteuerung zur Regenerierung des DPF 20 und zur Temperaturregelung des in das NOx-Absorbersystem 60 eintretenden Abgasstromes 17 bereit. Nach Ausführung von Modul A 102 muss die bedingte Anweisung 104 (d.h. ob die DPF-Regenerierung notwendig ist) erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE (= "richtig") zurückgibt, dann führt das Modul A 102 die Funktion 110 aus, um die Wärmequelle 30 in Betrieb zu setzen und die bei der DPF-Einlasstemperatur T1 gemessene Temperatur auf den Sollwert S1 zu regeln. Nach Durchführung der Funktion 110 muss das Modul A 102 die bedingte Anweisung 112 erfüllen (d.h. ob die Einlasstemperatur T3 des NOx-Absorbers den Sollwert S3 hat). Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE (= "falsch") zurückgibt, dann führt das Modul A 102 die Funktion 114 aus, um das Kühlmitteldurchflussventil 51 und das Umgehungsventil 46 des Wärmetauschers 40 einzustellen. Nach Durchführung der Funktion 114 muss das Modul A 102 wieder die bedingte Anweisung 112 (d.h. ob die Einlasstemperatur T3 des NOx-Absorbers den Sollwert S3 hat) erfüllen. Solange der Prozessor die Eingangsgröße FALSE aus der bedingten Anweisung 112 zurückgibt, werden die bedingte Anweisung 112 und die Funktion 114 wiederholt erfüllt bzw. ausgeführt, bis die Einlasstemperatur T3 des NOx-Absorbers den Sollwert S3 erreicht und der Prozessor auf die bedingte Anweisung 112 hin die Eingangsgröße TRUE zurückgibt. Wenn die bedingte Anweisung 112 die Eingangsgröße TRUE zurückgibt, dann muss die bedingte Anweisung 116 (d.h. ob die DPF-Regenerierung abgeschlossen ist) von dem Modul A 102 erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann müssen die bedingten Anweisungen 112 bzw. 116 erfüllt werden, bis der Prozessor beiden die Eingangsgröße TRUE zurückgibt. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE auf die bedingte Anweisung 116 hin zurückgibt, dann führt das Modul A 102 die Funktion 118 aus, um die Wärmequelle 30 abzuschalten. Nach Ausführung der Funktion 118 wird das Modul A 102 ab der bedingten Anweisung 104 erneut ausgeführt.
Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE auf die bedingte Anweisung 104 (d.h. ob die DPF-Regenerierung notwendig ist) zurückgibt, dann muss die bedingte Anweisung 130 (d.h. ob die NOx-Einlasstemperatur T3 den Sollwert S3 hat) erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE zurückgibt, dann wird das Modul A 102 ab der bedingten Anweisung 104 erneut ausgeführt. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann wird das Modul B 103 ausgeführt, und die bedingte Anweisung 132 (d.h. ob die NOx-Einlasstemperatur T3 zu hoch ist) muss erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE zurückgibt, dann muss die bedingte Anweisung 134 (d.h. ob die Wärmequelle 30 eingeschaltet ist) von dem Modul B 103 erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE zurückgibt, dann führt das Modul B 103 die Funktion 136 aus, um entweder den Kraftstoffstrom zu reduzieren oder die Wärmequelle 30 abzuschalten. Nach Ausführung der Funktion 136 durch das Modul B 103 muss die bedingte Anweisung 132 erneut erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE auf die bedingte Anweisung 134 hin zurückgibt, dann führt das Modul B 103 die Funktion 138 aus, um das Kühlmitteldurchflussventil 51 und das Umgehungsventil 46 des Wärmetauschers 50 einzustellen. Nach Ausführung der Funktion 138 muss das Modul B 103 die bedingte Anweisung 140 (d.h. ob der Wärmetauscher 50 einen Kühlmitteldurchfluss hat) erfüllen. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann führt das Modul B 103 die Funktion 142 aus, um einen Alarm abzusetzen. Der Alarm alarmiert die Steuervorrichtung 101, die dann eine Mitteilung und/oder einen Korrekturvorgang erzeugt, um zum Beispiel die Motorlastbedingungen herabzusetzen und eine Motorkontrolllampe zu aktivieren. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE auf die bedingte Anweisung 140 hin zurückgibt, dann wird das Modul B 103 erneut ausgeführt und die bedingte Anweisung 132 muss erfüllt werden.
Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE auf die bedingte Anweisung 132 hin zurückgibt, muss das Modul B 103 die bedingte Anweisung 150 (d.h. ob die NOx-Einlasstemperatur T3 zu niedrig ist) erfüllen. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann kehrt die Prozesssteuerung zu Modul A 102 zurück, das ab der bedingten Anweisung 104 erneut ausgeführt werden muss. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE auf die bedingte Anweisung 150 hin zurückgibt, dann muss die bedingte Anweisung 152 (d.h. ob in dem Wärmetauscher 50 Kühlmittel strömt) erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE auf die bedingte Anweisung 152 hin zurückgibt, dann führt das Modul B 103 die Funktion 154 aus, um den Kühlmittelstrom und/oder den Umgehungsstrom zu reduzieren. Nachdem Modul B 103 die Funktion 154 ausgeführt hat, wird Modul B 103 ab der bedingten Anweisung 132 erneut ausgeführt. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE auf die bedingte Anweisung 152 hin zurückgibt, führt Modul B 103 die Funktion 156 aus, um entweder die Wärmequelle 30 einzuschalten oder den Kraftstoffstrom zu erhöhen. Nach Ausführung der Funktion 156 wird Modul B 103 ab der bedingten Anweisung 132 erneut ausgeführt. Modul B 103 wird ausgeführt, bis die Prozesssteuerung zu Modul A 102 zurückkehrt, wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE auf die bedingte Anweisung 150 hin zurückgibt. Modul A 102 wird ausgeführt, bis der Dieselmotorabgasstrom 17 aufhört.
Gemäß 5B nun kann auch das Modul C 200 ausgeführt werden, wenn die Steuervorrichtung 101 die Software ausführt. Das Modul C 200 kann gleichzeitig oder wahlweise mit anderen Softwaremodulen ausgeführt werden oder kann in das Modul A 102 integriert sein. Das Modul C 200 stellt eine Wärmemanagement-Prozesssteuerung einer Mindesttemperatur für den in den DPF 20 eintretenden Abgasstrom 17 bereit. Nach Ausführung von Modul C 200 muss die bedingte Anweisung 202, ob die Einlasstemperatur T1 des DPF 20 den Sollwert S2 der Mindesttemperatur hat, erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann führt Modul C 200 die Funktion 204 aus, um die Wärmequelle 30 in Betrieb zu setzen und die bei der DPF-Einlasstemperatur T1 gemessene Temperatur auf den Sollwert S2 zu regeln. Nach Ausführung der Funktion 204 wird Modul C 200 ab der bedingten Anweisung 202 erneut ausgeführt. Wenn der Prozessor auf die bedingte Anweisung 202 hin die Eingangsgröße TRUE zurückgibt, kehrt Modul C 200 zu der bedingten Anweisung 202 zurück. Modul C 200 kann ausgeführt werden, bis der Dieselmotorabgasstrom 17 aufhört.
Gemäß 5B wird Modul D 300 ausgeführt, wenn die Steuervorrichtung 101 die Software ausführt. Modul D 300 stellt eine Wärmemanagement-Prozesssteuerung der Entschwefelung des NOx-Absorbersystems 60 bereit. Modul D 300 kann gleichzeitig oder wahlweise mit anderen Softwaremodulen ausgeführt werden oder kann in das Modul A 102 integriert sein. Wenn die bedingte Anweisung 302, ob eine Entschwefelung des NOx-Absorbersystems 60 notwendig ist, die Eingangsgröße TRUE zurückgibt, dann führt Modul D 300 die Funktion 304 aus, um die Wärmequelle 30 in Betrieb zu setzen und die am NOx-Absorbereinlass gemessene Temperatur T3 auf den Sollwert S4 zu regeln. Nach Ausführung der Funktion 304 muss das Modul D 300 die bedingte Anweisung 306 (d.h. ob die NOx-Einlasstemperatur T3 den Sollwert S4 hat) erfüllen. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann führt das Modul D 300 die Funktion 308 aus, um den Kraftstoffstrom der Wärmequelle 30 einzustellen. Nach Ausführung der Funktion 308 muss das Modul D 300 wieder die bedingte Anweisung 306 erfüllen. Solange der Prozessor die Eingangsgröße FALSE auf die bedingte Anweisung 306 hin zurückgibt, werden die bedingte Anweisung 306 und die Funktion 308 wiederholt erfüllt bzw. ausgeführt, bis die NOx-Absorbereinlasstemperatur T3 den Sollwert S4 erreicht und der Prozessor die Eingangsgröße TRUE auf die bedingte Anweisung 306 hin zurückgibt. Wenn die bedingte Anweisung 306 die Eingangsgröße TRUE zurückgibt, dann muss die bedingte Anweisung 310 (d.h. ob die NOx-Entschwefelung abgeschlossen ist) von Modul D 300 erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann müssen die bedingten Anweisungen 306 bzw. 310 erfüllt werden, bis der Prozessor beiden die Eingangsgröße TRUE zurückgibt. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE auf die bedingte Anweisung 310 hin zurückgibt, dann wird Modul D 300 ab der bedingten Anweisung 302 erneut ausgeführt. Modul D 300 kann ausgeführt werden, bis der Dieselmotorabgasstrom 17 aufhört.
Gemäß Figur SD nun kann das Modul E 400 ausgeführt werden, wenn die Steuervorrichtung 101 die Software ausführt. Das Modul E 400 stellt eine Prozesssteuerung zum wahlweisen Regenerieren der NOx-Absorber 62a und 62b bereit. Das Softwaremodul E 400 kann gleichzeitig oder wahlweise mit anderen Softwaremodulen ausgeführt werden oder kann in das Softwaremodul A 102 integriert sein. Das Modul E 400 führt die Funktion 402 zum Öffnen des Ventils 68a des NOx-Absorbers A und die Funktion 404 zum Schließen des Ventils 68b des NOx-Absorbers B aus. Nach Durchführung der Funktion 404 muss dann die bedingte Anweisung 406 (d.h. ob der NOx-Absorber A 62a regeneriert werden muss) erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE zurückgibt, dann führt das Modul E 400 nacheinander die Funktion 408 zum Öffnen des Ventils 68b des NOx-Absorbers B, die Funktion 110 zum Schließen des Ventils 68a des NOx-Absorbers A und die Funktion 412 zum Aktivieren des Reduktionsmitteleinspritzventils A 70A bzw. der Regenerierung des Absorbers A 62a aus. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE auf die bedingte Anweisung 406 hin zurückgibt, dann kehrt das Modul E 400 wiederholt zu der bedingten Anweisung 406 zurück, bis der Prozessor die Eingangsgröße TRUE zurückgibt. Nach Ausführung der Funktion 412 muss die bedingte Anweisung 414 (d.h. ob die Regenerierung des NOx-Absorbers A 62a abgeschlossen ist) erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann führt das Modul E 400 wiederholt die Funktion 412 aus und muss die bedingte Anweisung 414 erfüllen, bis die Regenerierung abgeschlossen ist und der Prozessor die Eingangsgröße TRUE auf die bedingte Anweisung; 414 hin zurückgibt. Wenn die bedingte Anweisung 414 die Eingangsgröße TRUE zurückgibt, dann muss die bedingte Anweisung 416 (d.h. ob der NOx-Absorber B 62b regeneriert werden muss) von dem Modul E 400 erfüllt werden. Wenn die bedingte Anweisung 416 die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann wird die bedingte Anweisung 416 wiederholt ausgeführt, bis der Prozessor die Eingangsgröße TRUE zurückgibt. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE auf die bedingte Anweisung 416 hin zurückgibt, dann führt das Modul E 400 nacheinander die Funktion 418 zum Öffnen des Ventils 68a des NOx-Absorbers A, die Funktion 420 zum Schließen des Ventils 68b des NOx-Absorbers B und die Funktion 422 zum Aktivieren des Reduktionsmitteleinspritzventils B 70b bzw. der Regenerierung des Absorbers B 62b aus. Nachdem das Modul E 400 die Funktion 422 ausgeführt hat, muss die bedingte Anweisung 424 (d.h. ob die Regenerierung des NOx-Absorbers B 62b abgeschlossen ist) erfüllt werden. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße FALSE zurückgibt, dann führt das Modul E 400 wiederholt die Funktion 422 aus und muss die bedingte Anweisung 424 erfüllen, bis die Regenerierung des NOx-Absorbers 62b abgeschlossen ist. Wenn der Prozessor die Eingangsgröße TRUE auf die bedingte Anweisung 424 hin zurückgibt, dann wird das Modul E 400 ab der bedingten Anweisung 406 erneut ausgeführt.
Diese Erfindung wurde zwar so beschrieben, als hätte sie einen beispielhaften Aufbau, doch kann die vorliegende Erfindung im Rahmen des Geistes und des Umfangs dieser Offenbarung noch weiter modifiziert werden. Diese Anmeldung soll daher alle Variationen, Verwendungsmöglichkeiten oder Anpassungen der Erfindung unter Verwendung ihrer allgemeinen Prinzipien abdecken. Ferner soll diese Anmeldung diejenigen Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung abdecken, die in den Rahmen der bekannten oder üblichen Praxis auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, fallen.

Claims

Abgasemissionsreduktionssystem zum Reduzieren der von einem Dieselmotor erzeugten Abgasemissionen, wobei das System Folgendes umfasst: einen Partikelfilter, der in dem Abgasstrom enthalten ist; einen Wärmetauscher zum Einstellen der Temperatur des Dieselabgasstromes; und mindestens einen katalytischen NOx-Absorber in dem temperaturgeregelten Dieselabgasstrom.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 1, wobei der Dieselmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs geeignet ist.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 1, das ferner einen Dieseloxidationskatalysator in dem Abgasstrom umfasst.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine NOx-Absorber mindestens zwei parallel geschaltete NOx-Absorber umfasst; und wobei das Emissionsreduktionssystem ferner mindestens ein Ventil umfasst, das den Abgasstrom wahlweise zu den NOx-Absorbern lenken kann.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 4, wobei die NOx-Absorber wahlweise regeneriert werden können.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 4, das ferner ein zu den NOx-Absorbern gehöriges System zum Einspritzen von Dieselkraftstoff als Reduktionsmittel umfasst, wobei das Reduktionsmitteleinspritzsystem in der Lage ist, den NOx-Absorbern Reduktionsmittel zum Regenerieren zuzuführen.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine NOx-Absorber mindestens zwei parallel geschaltete NOx-Absorber umfasst; und wobei das Emissionsreduktionssystem ferner mindestens ein Ventil umfasst, das dazu ausgelegt ist, die NOx-Absorber wahlweise von dem Abgasstrom zu trennen.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 1, wobei der Abgasstrom auf eine Temperatur für eine verbesserte Funktionsweise des mindestens einen NOx-Absorbers abgekühlt wird.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 8, wobei die Temperatur 250° bis 450°C beträgt.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 1, das ferner eine Wärmequelle umfasst, die den Abgasstrom erwärmen kann.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 10, wobei die Wärmequelle einen mit Dieselkraftstoff betriebenen Brenner umfasst.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 10, wobei die Wärmequelle den Abgasstrom auf eine Temperatur für eine verbesserte Funktionsweise des Partikelfilters erwärmen kann.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 12, wobei die Temperatur mindestens 270°C beträgt.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 12, wobei die Wärmequelle den Abgasstrom auf eine Temperatur erwärmen kann, die ausreicht, um einen wesentlichen Teil der von dem Filter zurückgehaltenen Partikel zu verbrennen.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 10, wobei die Wärmequelle den Abgasstrom auf eine Temperatur für eine verbesserte Funktionsweise der NOx-Absorber erwärmen kann.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 15, wobei die optimale Temperatur 250°C bis 450°C beträgt.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 10, wobei die Wärmequelle den Abgasstrom in regelmäßigen Abständen ausreichend erwärmen kann, um die Kapazität der NOx-Absorber zu verbessern, wodurch aus dem NOx absorbierte Substanzen freigesetzt werden, die dem Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffs zuzuschreiben sind.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 10, das ferner eine Rechenvorrichtung umfasst, die die Temperaturen des Abgasstromes am Eingang des Filters und am Eingang des ersten Absorbers überwachen kann.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 18, wobei die Rechenvorrichtung ferner die Wärmequelle steuern kann, um die Temperatur des Abgasstromes am Eingang des Filters einzustellen.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 18, wobei die Rechenvorrichtung ferner die Wärmequelle steuern kann, um die Temperatur des Abgasstromes am Eingang des mindestens einen NOx-Absorbers einzustellen.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 18, wobei die Rechenvorrichtung ferner den Wärmetauscher steuern kann, um die Temperatur des Abgasstromes am Eingang des mindestens einen NOx-Absorbers einzustellen.
Emissionsreduktionssystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher ferner einen Umgehungsweg mit einem Ventil zum wahlweisen Steuern des durch den Umgehungsweg strömenden Abgasstromes umfasst.
Verfahren zum Steuern eines Abgasemissionsreduktionssystems zum Reduzieren der von einem Dieselmotor erzeugten Abgasemissionen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Überwachen und Steuern der Temperatur des in einen Partikelfilter eintretenden Abgasstromes, wodurch die Funktionsweise des Partikelfilters verbessert wird; und (b) Überwachen und Steuern der Temperatur des in einen katalytischen NOx-Absorber eintretenden Abgasstromes, wodurch die Funktionsweise des NOx-Absorbers verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner den folgenden Schritt umfasst: (c) der in den Partikelfilter eintretende Abgasstrom wird in regelmäßigen Abständen auf eine Temperatur eingestellt, die ausreicht, um einen wesentlichen Teil der von dem Partikelfilter zurückgehaltenen Partikel zu verbrennen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Emissionstemperatur von Schritt (c) mindestens 350°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei Schritt (c) abgeschlossen ist, wenn der Differenzdruck über den Partikelfilter über einem vorbestimmten Niveau liegt.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner den folgenden Schritt umfasst: (d) der in den Absorber eintretende Abgasstrom wird in regelmäßigen Abständen auf eine Temperatur eingestellt, die ausreicht, um die Kapazität des NOx-Absorbers zu verbessern, wodurch aus dem NOx-Absorber absorbierte Substanzen freigesetzt werden, die dem Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffs zuzuschreiben sind.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Emissionstemperatur von Schritt (d) mindestens 500°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Abgasstromtemperatur von Schritt (a) mindestens 270°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Abgasstromtemperatur von Schritt (b) zwischen 250°C und 450°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 23, 24 oder 27, wobei der Dieselmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs geeignet ist.
Rechenvorrichtung zum Steuern eines Abgasemissionsreduktionssystems zum Reduzieren der von einem Dieselmotor erzeugten Abgasemissionen, wobei das Emissionsreduktionssystem einen Partikelfilter, einen katalytischen NOx-Absorber und ein Wärmeübertragungssystem umfasst, das dem Abgasstrom Wärme zuführen oder Wärme aus diesem abziehen kann, wobei die Rechenvorrichtung einen Prozessor und Software umfasst, die in der Lage sind, die Temperatur des in den Partikelfilter eintretenden Abgasstromes zu überwachen, das Wärmeübertragungssystem zu steuern, um die Temperatur des Abgasstromes für eine verbesserte Funktionsweise des Partikelfilters einzustellen; die Temperatur des in den Absorber eintretenden Abgasstromes zu überwachen; und das Wärmeübertragungssystem zu steuern, um die Temperatur des Abgasstromes für eine verbesserte Funktionsweise des Absorbers einzustellen.
Rechenvorrichtung nach Anspruch 32, wobei das Wärmeübertragungssystem eine Wärmequelle und einen Wärmetauscher umfasst, und wobei der Prozessor und die Software ferner in der Lage sind, die Wärmequelle und den Wärmetauscher zu steuern, um die Temperatur des in den Partikelfilter und den NOx-Absorber eintretenden Abgasstromes einzustellen.
Rechenvorrichtung nach Anspruch 32, wobei der Prozessor und die Software ferner den Druckunterschied über den Partikelfilter überwachen können; und das Wärmeübertragungssystem steuern können, um von dem Partikelfilter zurückgehaltene Partikel in regelmäßigen Abständen zu verbrennen.
Rechenvorrichtung nach Anspruch 32, wobei der Prozessor und die Software ferner in der Lage sind, das Wärmeübertragungssystem zu steuern, um die Temperatur des Abgasstromes in regelmäßigen Abständen einzustellen, um die Kapazität der NOx-Absorber zu verbessern, wodurch aus den NOx-Absorbern absorbierte Substanzen freigesetzt werden, die dem Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffs zuzuschreiben sind.
Rechenvorrichtung nach Anspruch 33, 34 oder 35, wobei der Dieselmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs geeignet ist und der Prozessor und die Software ferner Motorbetriebsparameter erhalten können.