DE112008002171T9 - Steuern eines SCR-Systems mit Filtereinrichtung - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Emissionssteuerungssystem (14) offenbart. Das Emissionssteuerungssystem kann eine Leistungsquelle (12), die einen Abgasstrom erzeugt, und eine Filtereinrichtung (24), die den Abgasstrom empfängt, aufweisen. Ein erster Sensor (32) kann sich an oder stromaufwärts der Filtereinrichtung befinden, wobei der erste Sensor dazu ausgebildet ist, eine erste Temperatur zu messen, und ein SCR-Katalysator (28) kann sich stromabwärts der Filtereinrichtung befinden. Das Emissionssteuerungssystem kann auch einen Injektor (26) aufweisen, der dazu ausgebildet ist, ein Reduktionsmittel in Gegenwart des SCR-Katalysators in den Abgasstrom einzuspritzen. Das Emissionssteuerungssystem kann ferner eine Steuerung (30) haben, die mit dem ersten Sensor in Verbindung steht. Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, eine Änderung des Vermögens des SCR-Katalysators, ein Reduktionsmittel zu speichern, unter Verwendung einer gemessenen Änderung der ersten Temperatur vorauszuberechnen und den Injektor gemäßens des SCR-Katalysators einzustellen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Steuerungssystem für einen SCR-Prozess und insbesondere ein Steuerungssystem, das die Menge eines injizierten Reduktionsmittels basierend auf einer an oder stromaufwärts einer Filtereinrichtung gemessenen Temperatur steuert.
  • Hintergrund
  • Motorabgasemissionen werden für Motorenhersteller immer wichtiger. Regierungen und Aufsichtsbehörden erzwingen immer strengere Emissionsstandards für viele Bauarten von Straßenfahrzeugen und geländegängigen Fahrzeugen. Die Menge an Schadstoffen in einem Abgasstrom, der von dem Motor des Fahrzeugs abgegeben wird, muss abhängig von der Art, der Größe und/oder der Leistungsklasse des Motors reglementiert werden. Hersteller müssen neue Technologien entwickeln, um diesen Anforderungen zu genügen, während für die Kunden kostengünstige Geräte mit hoher Leistung bereitgestellt werden.
  • Ein Verfahren, das von Motorenherstellern realisiert worden ist, um der Reglementierung von Schadstoffen in einem Abgasstrom zu genügen, ist die Verwendung eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion („SCR”), um Stickstoffoxide („NOx”) aus dem Abgasstrom des Motors zu entfernen. Ein SCR-System arbeitet durch Abgeben einer reduzierenden Substanz wie z. B. Ammoniak („NH3”) in den Abgasstrom des Motors in der Gegenwart eines Katalysators. Das NH3 kann auf der Oberflächenbeschichtung des Katalysators gespeichert werden, wo es mit dem NOx in dem Abgasstrom reagiert, so dass umweltfreundliche Produkte wie z. B. Stickstoffgas („N2”) und Wasser („H2O”) erzeugt werden. Die chemischen Reaktionen des SCR-Prozesses können dargestellt werden durch: NH3 (g) ↔ NH3 (ads) (1) 4NH3 (ads) + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O (2) 4NH3 (ads) + 2NO + 2NO2 → 4N2 + 6H2O (3) 8NH3 (ads) + 6NO2 → 7N2 + 12H2O (4) 4NH3 (ads) + 3O2 → 2N2 + 6H2O (5)
  • Die Reaktion (1) beschreibt die Adsorption/Desorption von Ammoniak von dem Katalysator, die Reaktionen (2) bis (4) sind „DeNOx”-Reaktionen, welche die Reaktion zwischen der reduzierenden Substanz und dem NOx in der Gegenwart des Katalysators beschreiben, und die Reaktion (5) beschreibt die Oxidation des Ammoniaks.
  • Im Allgemeinen bevorzugen es Hersteller, die Menge des NOx in dem Abgasstrom, das zu H2O und N2 umgewandelt wird, zu maximieren. Um dies zu erreichen, kann die Menge an NH3, das auf der Oberfläche des Katalysators gespeichert ist, erhöht werden. NH3 kann jedoch auch von dem Katalysator desorbiert und durch den Abgasstrom stromabwärts von dem Katalysator zu einer Stelle mitgeschleppt werden, wo das NH3 in die Atmosphäre freigesetzt wird (d. h. entweicht). Ein Entweichen von NH3 ist unerwünscht, da das nicht umgesetzte NH3 in die Atmosphäre freigesetzt und vergeudet wird. Die NH3-Desorptionsrate hängt stark von der Temperatur des Katalysators ab. Mit zunehmender Temperatur des Katalysators nimmt die Desorptionsrate von NH3 von der Oberfläche des Katalysators exponentiell zu.
  • Anders als industrielle oder stationäre SCR-Anwendungen, bei denen Motoren oder Turbinen im Allgemeinen bei stationären Bedingungen betrieben werden, unterliegen mobile SCR-Systeme, die für Straßenlastkraftwagen und geländegängige Maschinen eingesetzt werden, wechselnden Motordrehzahlen und -lasten. Die instationären Motordrehzahlen und -lasten führen zu einer sich zeitlich ändernden Abgastemperatur und somit zu einer sich zeitlich ändernden Katalysatordesorptionsrate. Es wurde eine automatische Steuerung als ein Versuch eingesetzt, um instationäre Abgastemperaturänderungen zu handhaben, während eine gute NOx-Umsetzung weiterhin beibehalten und ein Freisetzen vermieden wird.
  • Ein Verfahren zur Steuerung eines SCR-Prozesses ist in dem US Patent 7,200,990 (das ’990 Patent), das für Gabrielsson et al. am 10 April 2007 erteilt wurde, beschrieben. Insbesondere offenbart das ’990 Patent ein Verfahren zur Steuerung des Injizierens eines Reduktionsmittels in einen NOx enthaltenden Abgasstrom von einer Brennkraftmaschine. Schritt 1 des Verfahrens ist eine stöchiometrische Berechnung der Menge an NOx, die durch die Verbrennung erzeugt wird. Die Berechnung basiert auf der Messung von für die Verbrennung bereitstehender Luft, der Messung des O2-Gehalts in dem Abgas und des NOx-Gehalts. Schritt 2 berechnet die maximal mögliche oder gewollte NOx-Umwandlung basierend auf den gleichen drei Messungen wie in Schritt 1 plus der Messung einer Temperatur des Katalysatorabgaseinlasses und -auslasses (d. h. stromaufwärts bzw. stromabwärts des Katalysators). Die Ergebnisse der Schritte 1 und 2 werden in Schritt 3 dazu verwendet, die theoretisch erforderliche Menge an zu einem bestimmten Zeitpunkt zu injizierender Harnlösung zu erhalten.
  • Diese theoretische Menge wird weiter in einem ereignisbezogenen Filter eingestellt, Schritt 4, basierend auf einer Messung der Abgastemperatur am Einlass des Katalysators, einer Luftstrommessung, eine O2-Messung und einer Ermittlung des Abgasstroms wie in Schritt 2, um ein Austreten von Ammoniak oder NOx während instationären Bedingungen zu vermeiden. Die an der Katalysatoroberfläche adsorbierte Ammoniakmenge ändert sich insbesondere bei Änderungen des Abgasstroms und der Abgastemperatur. Das Filter berücksichtigt die historischen Katalysatordaten, um die NH3-Adsorption- bzw. Desorptionskapazität des Katalysators vorauszusehen. Wenn die Katalysatorbedingungen so sind, dass eine große Desorption von Ammoniak erfolgen kann, dann wird ein Teil der berechneten (Schritt 3) Harnstoffinjektion zurückgehalten und im Speicher des Injektionsalgorithmus abgespeichert. Andererseits, wenn die Bedingungen für die Adsorption von NH3 auf dem Katalysator günstig sind, dann kann die tatsächliche Harnstoffinjektion erhöht werden, bis die in dem Speicher gespeicherte Harnstoffmenge aufgebraucht ist.
  • Obwohl das ’990 Patent ein Verfahren zur Steuerung des Injizierens eines Reduktionsmittels basierend auf der Temperatur des Abgaseinlasses und -auslasses des Katalysators umreißt, können die durch das Steuerungssystem bewirkten Ergebnisse suboptimal sein. Beispielsweise kann die Brennkraftmaschine günstige Bedingungen erzeugen, womit bewirkt wird, dass das Steuerungssystem eine große Harnstoffmenge abspeichert. Ein plötzlicher Anstieg der Last am Motor und/oder der Motordrehzahl kann allerdings einen steile Temperaturanstieg des Abgases verursachen. Dieser steile Abgastemperaturanstieg kann den Katalysator erwärmen und die Desorption des abgespeicherten Harnstoffes beträchtlich erhöhen. Aufgrund der großen Geschwindigkeit, mit der sich das erwärmte Abgas bewegen kann, und einem durch das Injizieren verursachten zeitlichen Hinterherhinken, Absorptions- und Desorptionsprozessen mag sogar ein sehr schnelles Ändern der injizierten Harnstoffmenge nach Erfassen einer Temperaturänderung stromaufwärts des Katalysators nicht ausreichen, das Entweichen des bereits abgespeicherten Harnstoffes zu unterbinden.
  • Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der zuvor erläuterten Probleme zu überwinden.
  • Zusammenfassung der Offenbarung
  • Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Emissionssteuerungssystem gerichtet. Das Emissionssteuerungssystem kann eine Leistungsquelle, die einen Abgasstrom erzeugt, und eine Filtereinrichtung, die den Abgasstrom empfängt, enthalten. Ein erster Sensor kann an oder stromaufwärts der Filtereinrichtung angeordnet sein, wobei der erste Sensor dazu ausgebildet ist, eine erste Temperatur zu messen, und ein SCR-Katalysator kann stromabwärts der Filtereinrichtung angeordnet sein. Das Emissionssteuerungssystem kann auch einen Injektor enthalten, der dazu ausgebildet ist, ein Reduktionsmittel in Gegenwart des SCR-Katalysators in den Abgasstrom zu injizieren. Das Emissionssteuerungssystem kann ferner eine Steuerung enthalten, die mit dem ersten Sensor in Verbindung steht. Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, eine Änderung des Vermögens des SCR-Katalysators, ein Reduktionsmittel zu speichern, unter Verwendung einer gemessenen Änderung der ersten Temperatur vorauszuberechnen, und den Injektor gemäß der vorausberechneten Speichervermögensänderung des SCR-Katalysators einzustellen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Steuerung eines SCR-Prozesses gerichtet. Das Verfahren kann das Erzeugen eines Abgasstroms und das Leiten des Abgasstroms zu einer Filtereinrichtung enthalten. Das Verfahren kann auch das Messen einer ersten Temperatur an oder stromaufwärts der Filtereinrichtung und ein Injizieren eines Reduktionsmittels zur Reaktion mit dem Abgasstrom in Gegenwart eines SCR-Katalysators enthalten. Der SCR-Katalysator kann stromabwärts der Filtereinrichtung angeordnet sein. Das Verfahren kann ferner das Vorausberechnen einer Änderung des Vermögens des SCR-Katalysators, ein Reduktionsmittel zu speichern, unter Verwendung einer gemessenen Änderung der ersten Temperatur und das Steuern des Injizierens des Reduktionsmittels gemäß der vorausberechneten Speichervermögensänderung des SCR-Katalysators umfassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaft offenbarten Fluidsystems.
  • 2 ist ein Steuerungsdiagramm, das einen beispielhaften Betrieb einer Steuerung, die in dem offenbarten Steuerungssystem der 1 verwendet wird, zeigt,
  • 3 ist eine Kurve beispielhafter Temperaturen, die an oder stromaufwärts einer Filtereinrichtung und eines Katalysators, die in dem Fluidsystem der 1 zum Einsatz kommen, gemessen wurden, und
  • 4 ist eine weitere Kurve beispielhafter Temperaturen, die an oder stromaufwärts einer Filtereinrichtung und eines Katalysators, die in dem Fluidsystem der 1 zum Einsatz kommen, gemessen wurden.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fluidsystems 10, das eine Leistungsquelle 12 und ein Emissionssteuerungssystem 14 enthält. Die Leistungsquelle 12 kann als Brennkraftmaschine wie beispielsweise ein Dieselmotor, ein Benzinmotor, ein mit gasförmigem Kraftstoff betriebener Motor (z. B. ein Erdgasmotor) oder irgendeine andere Art von Brennkraftmaschine ausgeführt sein, die dem Fachmann bekannt ist. Die Leistungsquelle 12 kann mehrere Brennkammern 20 aufweisen, die potenzielle chemische Energie (üblicherweise in Form eines verbrennbaren Gases) in nutzbare mechanische Arbeit umwandeln. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Leistungsquelle 12 als Ofen oder eine entsprechende, von einem Motor verschiedene Vorrichtung ausgeführt ist. Die Leistungsquelle 12 kann Luft mittels eines Kanals 16 erhalten und über einen Kanal 18 einen Abgasstrom abgeben.
  • Über ein Einlassventil 15 kann Luft in das Fluidsystem 10 gelangen. Das Einlassventil 15 kann als Drosselventil, Absperrventil, Kugelventil, Durchgangsventil oder als irgendeine andere Art von Ventil ausgeführt sein, die im Stand der Technik bekannt ist. Das Einlassventil 15 kann mit einer Magnetspule betätigt, hydraulisch betätigt, pneumatisch betätigt oder in irgendeiner anderen Weise betätigt werden. Das Einlassventil 15 kann in Fluidverbindung mit dem Kanal 16 stehen, um Luft durch einen Ansaugkrümmer (nicht gezeigt) in die Leistungsquelle 12 zu leiten.
  • Das Emissionssteuerungssystem 14 kann Emissionen schädlicher Gase und Feststoffe vermindern, die von der Leistungsquelle 12 nach einem Verbrennungsvorgang abgegeben werden. Das Emissionssteuerungssystem 14 kann eine Filtereinrichtung 24, einen Injektor 26, eine Einrichtung 28 zur selektiven katalytischen Reduktion („SCR”), einen ersten Sensor 32, einen zweiten Sensor 34 und eine Steuerung 30 enthalten. Es ist auch vorgesehen, dass das Emissionssteuerungssystem 14 andere Einrichtungen wie beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator, einen Ammoniakoxidationskatalysator, zusätzliche Injektoren und/oder Filter und andere im Stand der Technik bekannte Einrichtungen enthalten kann.
  • Die Filtereinrichtung 24 kann Feststoffpartikel, Ruß und/oder Chemikalien aus dem Abgasstrom herausfiltern, bevor der Strom über den Kanal 38 in die Atmosphäre abgegeben wird. Die Filtereinrichtung 24 kann beispielsweise als Dieselpartikelfilter, katalysierter Dieselpartikelfilter, Dieseloxidationskatalysator, CRTTM oder als CCRTTM ausgebildet sein. Die Filtereinrichtung 24 kann Filterelemente (nicht gezeigt) enthalten, die in einer Wabe, einem Netz und/oder einer anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sind. Die Filterelemente der Filtereinrichtung 24 können aus irgendeinem geeigneten, im Stand der Technik bekannten Filtermaterial bestehen, wie zum Beispiel Cordiertitschaum, Sintermetall, Papier, Keramik, Siliziumcarbid oder irgendeiner Kombination hiervon.
  • Die Filterelemente der Filtereinrichtung 24 können auch eine aktive Katalysatorschicht haben, die aus irgendeinem geeigneten katalytischen Material besteht, wie z. B. Platin, Aluminium, Palladium, Rhodium, Barium, Cer, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Seltenerdmetalle oder irgendeine Kombination hiervon. Wenn der Abgasstrom mit dem Katalysator eine Wechselwirkung eingeht, können die Kohlenwasserstoffe und/oder andere Chemikalien in dem Abgasstrom oxidiert werden. Das katalytische Material in der Filtereinrichtung 24 kann auch die Menge an NO2 in dem Abgasstrom erhöhen, um eine passive Regenerierungsfähigkeit und eine NOx-Reduktionseffizienz zu verbessern. Es ist auch vorgesehen, dass die Filtereinrichtung 24 passiv oder aktiv regeneriert werden kann, um die Feststoffe aus den Filterelementen der Filtereinrichtung 24 zu entfernen.
  • Es ist auch vorgesehen, dass die Filtereinrichtung 24 thermische Eigenschaften (z. B. Wärmekapazität/spezifische Wärme, Dichte und/oder thermische Leitfähigkeit) haben kann, die eine thermische Trägheit bewirken. Die thermische Trägheit der Filtereinrichtung 24 kann dafür ausreichen, dass wenigstens vorübergehend verzögert wird, dass die volle Temperaturänderung in dem Abgasstrom stromaufwärts der Filtereinrichtung 24 die SCR-Einrichtung 28 erreicht.
  • Die SCR-Einrichtung 28 kann eine durchströmte Einrichtung sein, die dazu ausgebildet ist, eine Reaktion zwischen NOx im Abgas und einem Reduktionsmittel zu katalysieren. Die SCR-Einrichtung 28 kann ein Katalysator oder insbesondere ein Katalysatorträgermaterial und einen Metallpromotor, der in dem Katalysatorträgermaterial dispergiert ist, umfassen. Das Katalysatorträgermaterial kann wenigstens eines der nachfolgenden Materialien: Aluminiumoxid, Zeolith, Alumophosphate, Hexaluminate, Alumosilicate, Zirkonate, Titanosilicate und Titanate umfassen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Katalysatorträgermaterial Aluminiumoxid und/oder Zeolith umfassen und der Metallpromotor kann Silbermetall umfassen. Es können Kombinationen dieser Materialien verwendet werden und das Katalysatormaterial kann auf der Basis der verwendeten Kraftstoffart, des verwendeten Ethanoladditivs, des gewünschten Luft-Kraftstoffdampf-Verhältnisses und/oder bezüglich der Erfüllung von Umweltstandards ausgewählt werden.
  • Der Injektor 26 kann ein Reduktionsmittel injizieren, um die Oberfläche der SCR-Vorrichtung 28 damit zu beaufschlagen. Der Injektor 26 kann sich an der SCR-Vorrichtung 28 oder stromaufwärts davon befinden und irgendeine im Stand der Technik bekannte Fluidinjektorart sein. Der Injektor 26 kann mit einem Reduktionsmittelbehälter (nicht gezeigt) in Fluidverbindung stehen, um wiederholte Injektionen des Reduktionsmittels zu ermöglichen. Das Reduktionsmittel kann zum Beispiel gasförmiges Ammoniak, Ammoniak in wässriger Lösung, wässriger Harnstoff oder Ammoniak von einem Ammoniakerzeuger (nicht gezeigt) sein.
  • Der erste und zweite Sensor 32 und 34 können Einrichtungen sein, die dazu ausgebildet sind, Temperaturänderungen im Fluidsystem 10 zu messen. Es ist auch vorgesehen, dass der erste und zweite Sensor 32 bzw. 34 beispielsweise Thermoelemente, faseroptische Einrichtungen, Infraroteinrichtungen oder irgendeine andere Art von im Stand der Technik bekannte Temperaturmesseinrichtung sein können. Der erste Sensor 32 kann sich an oder stromaufwärts der Filtereinrichtung 24 befinden und kann dazu ausgebildet sein, eine Temperaturänderung, die die SCR-Einrichtung 28 erreicht, zu messen. Beispielsweise kann der erste Sensor 32 sich an einem Einlass der Filtereinrichtung 24, an irgendeiner Stelle längs des Kanals 18 oder an einem Auslass der Leistungsquelle 12 befinden. Der zweite Sensor 34 kann sich an oder stromaufwärts der SCR-Einrichtung 28, jedoch stromabwärts der Filtereinrichtung 24 befinden. Der zweite Sensor 34 kann so ausgebildet sein, dass eine Temperatur des SCR-Katalysators oder des Abgasstroms nahe dem SCR-Katalysator gemessen wird.
  • Die Steuerung 30 kann als ein einzelner Mikroprozessor oder mehrere Mikroprozessoren umfassend ausgeführt sein, die ein Mittel zum Steuern der Menge des durch den Injektor 26 injizierten Reduktionsmittels beinhalten. Zahlreiche handelsübliche Prozessoren können so konfiguriert werden, dass sie die Funktionen der Steuerung 30 ausüben. Es sollte beachtet werden, dass die Steuerung 30 einfach als allgemeiner Maschinenmikroprozessor ausgeführt sein kann, der zahlreiche Maschinenfunktionen steuern kann. Darüber hinaus können verschiedene andere Schaltungen mit der Steuerung 30 verknüpft sein, wie zum Beispiel eine Stromversorgungsschaltung, eine Signalaufbereitungsschaltung, eine Datenerfassungsschaltung, eine Signalausgabeschaltung, eine Signalverstärkungsschaltung und andere Schaltungsarten, die im Stand der Technik bekannt sind. Die Steuerung 30 kann mit der Leistungsquelle 12 über eine Kommunikationsleitung 40, mit dem ersten Sensor 32 über eine Kommunikationsleitung 41, mit dem Injektor 26 über eine Kommunikationsleitung 42 und dem zweiten Sensor 34 über eine Kommunikationsleitung 43 kommunizieren. Es ist auch möglich, dass die Steuerung 30 mit anderen Maschinensensoren (nicht gezeigt) kommuniziert, wie beispielsweise NOx-Sensoren, NH3-Sensoren, Massendurchsatzsensoren und/oder anderen Fluidsystemsensoren, die Informationen bereitstellen können, welche die Funktionssicherheit des Emissionssteuerungssystems 14 betreffen.
  • Wie in 2 gezeigt, kann die Steuerung 30 eine interne Logik bzw. Programmierung umfassen, die es ihr erlaubt, ein oder mehrere Ausgabewerte auf der Grundlage von einem oder mehreren Eingabewerten zu berechnen. Beispielsweise kann die Steuerung 30 eine Programmierung enthalten, die eine erste Feedforward-Steuerungsstruktur 46 definiert. Die erste Feedforward-Steuerungsstruktur 46 kann eine modellbasierte Steuerungsstruktur sein, wie beispielsweise eine virtuelle Zustandsrückführungssteuerung mit einem proportionalen Verstärkungsanteil 50 und einem SCR-Modell 52. Das SCR-Modell 52 kann Lösungen für mehrere Differenzialgleichungen enthalten, die den SCR-Prozess (enthaltend die Reaktionen (1)–(5)) beschreiben. Die Mehrzahl von Differenzialgleichungen kann Geschwindigkeitsgleichungen, Wärme- und Massetransportgleichungen und andere im Stand der Technik bekannte Gleichungen enthalten. Das SCR-Modell 52 kann θest ausgeben. Allgemein kann die Katalysatoroberflächenbedeckung θ der Anteil der aktiven Seiten auf der Oberfläche des SCR-Katalysators sein, die von NH3-Molekülen bedeckt sind. θest kann einer geschätzten Reduktionsmittelmenge, die auf dem SCR-Katalysator abgespeichert ist, entsprechen. Das SCR-Modell 52 kann θest beispielsweise dadurch berechnen, dass die durch einen Injektor 26 zuvor injizierte Reduktionsmittelmenge verfolgt wird, und/oder indem eine benötigte Reduktionsmittelmenge oder eine bereits zur Reaktion mit NOx verwendete Reduktionsmittelmenge berechnet wird. Es mag vorgesehen sein, dass die erste Feedforward-Steuerungsstruktur 46 ein oder mehrere Eingänge und ein oder mehrere Ausgänge haben kann. Einer der Eingänge in die erste Feedforward-Steuerungsstruktur 46 kann eine gewünschte Katalysatoroberflächenbedeckung θdes sein, die von einer zweiten Feedforward-Steuerungsstruktur 44 erhalten werden kann. Einer der Ausgänge der ersten Feedforward-Steuerungsstruktur 46 kann eine erste Injektionsmenge m1 sein.
  • Die Steuerung 30 kann auch eine Programmierung enthalten, die eine zweite Feedforward-Steuerungsstruktur 44 definiert. Die zweite Feedforward-Steuerungsstruktur 44 kann beispielsweise eine kennfeldbasierte Steuerungsstruktur sein. Die zweite Feedforward-Steuerungsstruktur 44 kann ein oder mehrere mehrdimensionale Kennfelder 48, die in dem Speicher der Steuerung 30 abgespeichert sind, verwenden. Die Kennfelder 48 können aus stationären Simulationen und/oder empirischen Daten erzeugt werden und sie können Gleichungen, Kurven und/oder Tabellen, die Betriebsdaten des Fluidsystems 10 betreffen, enthalten. Beispielsweise können die Kennfelder 48 Gleichungen, Kurven und/oder Tabellen enthalten, die die SCR-Katalysatortemperatur (entweder gemessen oder vorausgesagt) in Bezug setzen zu der Fähigkeit des SCR-Katalysators, ein Reduktionsmittel zu speichern.
  • Die Kennfelder 48 können Mehrfacheingänge haben, wie beispielsweise eine erste Temperatur T1 und eine zweite Temperatur T2, die vom ersten Sensor 32 bzw. dem zweiten Sensor 34 gemessen werden. Die Steuerung 30 kann T1 und T2 benutzen, um eine die SCR-Einrichtung 28 erreichende Temperaturänderung zu identifizieren und in geeigneter Weise darauf antworten, um ein Entweichen zu vermeiden (beispielsweise kann die Steuerung 30 die Menge des injizierten Reduktionsmittels verringern, wenn ein Temperaturanstieg ermittelt wird). In einem Ausführungsbeispiel können T1 und T2 kombiniert werden und in die Kennfelder 48 als charakteristische Katalysatortemperatur Tc eingegeben werden. Die charakteristische Katalysatortemperatur kann beispielsweise unter Verwendung eines gewichteten Durchschnitts berechnet werden. Es ist denkbar, dass der gewichtete Durchschnitt auf folgende Art und Weise festgelegt wird:
    Figure 00130001
    wobei α ein Gewichtungsfaktor ist (der Wert von α kann kleiner sein als 1, wobei dabei T1 und T2 fraktionale Gewichtungsfaktoren bestimmen, die sich auf einen Wert von 1 addieren). Wie in Gleichung (6) gezeigt, kann der Wert von α auf Null gesetzt werden, wenn T1 kleiner ist als T2. Der Wert α kann auch optimiert werden, um den besten Kompromiss zwischen einer NH3-Entweichungssteuerung und einer NOx-Umwandlung zu erhalten. Es ist auch denkbar, dass andere Festlegungsweisen und Gewichtungsfestlegungen verwendet werden können und dass Kennfelder 48 andere Eingänge enthalten können, wie beispielsweise eine Raumgeschwindigkeit und ein NO2/NOx-Verhältnis an einem SCR-Einrichtungseinlass.
  • Die Ausgänge der Kennfelder 48 können θdes und eine zweite Reduktionsmitteleinspritzmenge m2 enthalten. θdes kann dem Vermögen des SCR-Katalysators, Reduktionsmittel zu speichern, entsprechen. θdes kann mit θest verglichen werden, um θerr zu ermitteln (θerr kann der Oberflächenbedeckungsfehler sein, den die Steuerung 30 zu minimieren versucht).
  • Die zweite Einspritzmenge m2 kann mit der ersten Einspritzmenge m1 kombiniert werden, um eine dritte Einspritzmenge m3 zu erzeugen. Mit anderen Worten: m2 kann eine grundsätzliche Injektionsmenge sein, die durch m1 (m1 kann entweder positiv oder negativ sein) modifiziert wird, um zu m3 zu gelangen. Die Steuerung 30 kann hiernach den Injektor 26 anweisen, m3 zu injizieren. Es ist denkbar, dass jede Injektionsmenge eine Funktion der Zeit (d. h. eine Injektionsrate) sein kann. Es ist ferner denkbar, dass die Steuerung 30 irgendwelche anderen Steuerungsstrukturen und/oder Verfahren implementieren kann, anstatt oder zusätzlich zu der ersten Feedforward-Steuerungsstruktur 46 und der zweiten Feedforward-Steuerungsstruktur 44.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Das offenbarte Steuerungssystem kann in irgendeinem Fluidsystem anwendbar sein, bei dem eine Steuerung eines SCR-Prozesses gewünscht ist. Insbesondere kann das offenbarte Steuerungssystem eine Steuerung haben, die eine Temperaturänderung identifiziert, welche eine SCR-Einrichtung erreicht, indem eine Temperatur an oder stromaufwärts einer Filtereinrichtung gemessen wird. Das offenbarte Steuerungssystem kann die ermittelte Temperaturänderung dazu benutzen, eine Änderung des Vermögens des SCR-Katalysators, Reduktionsmittel zu speichern, vorauszuberechnen und somit dabei mithelfen, die Schadstoffmenge in dem Abgasstrom zu begrenzen und gleichzeitig auch ein Entweichen zu begrenzen.
  • Bezug nehmend auf die 1 kann Luft aus der Atmosphäre in das Fluidsystem 10 über das Ansaugventil 15 eingesogen und über den Kanal 16 der Leistungsquelle 12 zugeführt werden. Kraftstoff kann mit der Luft vermischt werden, bevor dieser in die Verbrennungskammer 22 gelangt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann durch die Leistungsquelle 12 verbrannt werden, um mechanische Arbeit und einen Abgasstrom zu erzeugen. Der Abgasstrom kann eine komplexe Mischung von Luft verunreinigenden Stoffen und Feststoffen enthalten.
  • Der Abgasstrom kann über den Kanal 18 der Filtereinrichtung 24 zugeführt werden. In einer Ausführungsform kann der erste Sensor 32 sich an dem Einlass der Filtereinrichtung 24 befinden und dort die erste Temperatur messen. Während sich der Abgasstrom innerhalb der Filtereinrichtung 24 befindet, kann dieser durch ein oder mehrere Filterelemente strömen, um Feststoffe aus dem Abgasstrom herauszufiltern. Der Abgasstrom kann auch durch die Katalysatorschichten der Filtereinrichtung 24 strömen, wodurch bewirkt wird, dass Kohlenwasserstoffe und/oder andere Chemikalien in dem Abgasstrom oxidieren. Die an den Filterelementen der Filtereinrichtung 24 abgelagerten Feststoffe können passiv oder aktiv regeneriert werden.
  • Der die Filtereinrichtung 24 verlassende Abgasstrom kann der SCR-Einrichtung 28 zugeleitet werden, um NOx in dem Abgasstrom zu verringern. Der zweite Sensor 24 kann sich an oder stromaufwärts der SCR-Einrichtung 28 (jedoch stromabwärts der Filtereinrichtung 24) befinden, um T2 zu messen. Die Steuerung 30 kann so ausgebildet sein, dass sie den Injektor 26 befehligt, Reduktionsmittel in den Abgasstrom (an oder stromaufwärts der SCR-Einrichtung 28) zu injizieren. Die Steuerung 30 kann eine Programmierung enthalten, die es ermöglicht, den Injektor 26 wahlweise zu betätigen.
  • Es wird nun Bezug genommen auf die 2. Während des Betriebs der Steuerung 30 kann die zweite Feedforward-Steuerungsstruktur 44 einen oder mehrere Eingänge empfangen, wie beispielsweise eine erste Temperatur T1 und eine zweite Temperatur T2 (es ist denkbar, dass die erste und zweite Temperatur unter Verwendung der Gleichung (6) zu einem einzigen Eingang kombiniert werden können). Die zweiten Feedforward-Steuerungsstruktureingänge können auf die Kennfelder 48 Bezug nehmen, um θdes und m2 zu erhalten. θdes mag dann in die erste Feedforward-Steuerungsstruktur 46 eingegeben werden, wo sie mit θest verglichen wird, um θerr zu erhalten. θerr kann mit dem proportionalen Anteil 50 multipliziert werden, um m1 zu erhalten. Die erste Injektionsmenge m1 mag dann mit m2 addiert werden, um m3 zu erhalten, die dritte Injektionsmenge des Reduktionsmittels. Der Wert von m3 kann dann über die Kommunikationsleitung 42 (siehe 1) dem Injektor 26 zugeführt werden, wo er vom Injektor 26 angewandt wird. Der Wert von m3 kann auch in das SCR-Modell 52 zurückgeführt werden, um eine Berechnung eines neuen Wertes von θest und schlussendlich eines neuen Wertes von m3 zu ermöglichen.
  • Nachdem das Reduktionsmittel mittels des Injektors 26 injiziert ist, kann es auf der Oberfläche des SCR-Katalysators abgespeichert werden, wo es zur Reaktion mit dem NOx in dem Abgasstrom verfügbar ist. Wenn das Reduktionsmittel eine Zusammensetzung wie beispielsweise Harnstoff ist, kann es, bevor es auf der Oberfläche des SCR-Katalysators gespeichert wird, einem Hydrolyseprozess unterworfen werden. Während des Hydrolyseprozesses kann der Harnstoff in Nebenprodukte zerfallen, die beispielsweise gasförmiges NH3 und Kohlenstoffdioxid enthalten.
  • Während des Betriebs des Emissionssteuerungssystems 14 kann die Drehzahl und/oder die Last der Antriebsquelle 12 zunehmen oder mit der Gesamttendenz, sich zu erhöhen, schwanken. Die Zunahme der Drehzahl und/oder Last der Antriebsquelle 12 kann zu einem Temperaturanstieg des Abgases und somit zu einem Anstieg von T1 führen. Das Abgas kann dann durch die Filtereinrichtung 24 strömen, wo, wie in 3 gezeigt, die thermische Trägheit der Filtereinrichtung 24 eine Verzögerung oder ein Nachhinken zwischen der Zunahme von T1 und einer Zunahme von T2 erzeugt. Mit anderen Worten: Die Wärmeenergie in dem Abgas kann auf die Filtereinrichtung 24 übertragen werden und somit das Abgas kühlen, bevor es der SCR-Einrichtung 28 zugeleitet wird. Die thermischen Eigenschaften der Filtereinrichtung 24 können derart sein, dass eine signifikante Wärmeenergiemenge in der Filtereinrichtung 24 gespeichert wird, bevor eine Gleichgewichtstemperatur zwischen ihr und dem Abgas erreicht wird (d. h. bevor die SCR-Einrichtung 28 das volle Ausmaß der Temperaturänderung im Abgas erfährt). Der Wert von T1, alleine oder in Kombination mit T2 gemäß der Gleichung (6), kann von der Steuerung 30 verwendet werden, um das Vermögen oder eine Änderung im Vermögen des SCR-Katalysators, Reduktionsmittel zu speichern, vorauszuberechnen. Die Steuerung 30 kann einen verminderten Wert von θdes und/oder m2 ausgeben und durch Verringern von θdes und/oder m2 kann die Steuerung 30 m3 verringern, bevor die Temperaturänderung das aktuelle Vermögen des SCR-Katalysators, Reduktionsmittel ausreichend zu speichern, reduziert, um ein Entweichen zu bewirken.
  • Während des Betriebs des Emissionssteuerungssystems 14 kann die Drehzahl und/oder die Last der Leistungsquelle 12 auch abnehmen oder mit der Gesamttendenz, sich zu verringern, schwanken. Die Verringerung der Drehzahl und/oder Last der Leistungsquelle 12 kann eine Verringerung der Abgastemperatur bewirken und somit eine Verringerung von T1. Wie bei der Erhöhung der Abgasstromtemperatur kann, wie in 4 gezeigt, die thermische Trägheit der Filtereinrichtung 24 eine Verzögerung oder ein Nachhinken zwischen der Verringerung von T1 und einer Verringerung der Temperatur von T2 bewirken. Entgegen dem Fall der sich erhöhenden Abgasstromtemperatur kann die Steuerung 30 jedoch T2 verwenden (d. h. gemäß der Gleichung (6)), um den Wert von θdes und/oder m2 zu ermitteln, anstatt sowohl T1 als auch T2. Somit mag die Steuerung 30 den SCR-Katalysator bei abnehmenden Temperaturbedingungen nur dann mit Reduktionsmittel beaufschlagen, wenn der SCR-Katalysator tatsächlich dazu in der Lage ist, das Reduktionsmittel zu absorbieren, ohne dass sich daraus ein Entweichen ergibt.
  • Es ist denkbar, dass die thermische Trägheit der Filtereinrichtung 24 optimiert werden kann, um die Kaltstartleistung der SCR-Einrichtung 28 auszugleichen, während weiterhin eine Verzögerung bewirkt wird, die ausreichend lang ist, um es der Steuerung 30 zu ermöglichen, sich annähernde Temperaturänderungen vorauszuberechnen und dazu beizutragen.
  • Es können vielleicht verschiedene Vorteile des offenbarten Steuerungssystems erzielt werden. Insbesondere mag das offenbarte Steuerungssystem eine Steuerung aufweisen, die eine Änderung des Vermögens des SCR-Katalysators, Reduktionsmittel zu speichern, vorausberechnet, in dem eine Temperatur an oder stromaufwärts einer Filtereinrichtung gemessen wird. Das offenbarte Steuerungssystem kann die vorausberechnete Änderung des Speichervermögens des SCR-Katalysators dazu benutzen, ein Injizieren von Reduktionsmittel zu verringern oder zu stoppen, bevor ein Temperaturanstieg die SCR-Einrichtung erreicht. Das offenbarte Steuerungssystem mag auch ein erhöhtes Injizieren von Reduktionsmittel verhindern, bis eine Temperaturabnahme die SCR-Einrichtung erreicht.
  • Für Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an dem offenbarten Steuerungssystem vorgenommen werden können. Andere Ausführungsformen sind für Fachleute in Anbetracht der Beschreibung und bei Ausführung des offenbarten Steuerungssystems offensichtlich. Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich als beispielhaft aufgefasst werden, wobei der tatsächliche Schutzbereich durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente angegeben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7200990 [0007, 0009]

Claims (10)

  1. Emissionssteuerungssystem (14), mit: einer Leistungsquelle (12), die einen Abgasstrom erzeugt, einer Filtereinrichtung (24), die den Abgasstrom erhält, einem ersten Sensor (32), der sich an oder stromaufwärts der Filtereinrichtung befindet, wobei der erste Sensor zum Messen einer ersten Temperatur ausgebildet ist, einem SCR-Katalysator (28), der sich stromabwärts der Filtereinrichtung befindet, einem Injektor (26), der dazu ausgebildet ist, ein Reduktionsmittel in Gegenwart des SCR-Katalysators in den Abgasstrom zu injizieren, und einer Steuerung (30), die mit dem ersten Sensor in Verbindung steht, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist: eine Änderung des Vermögens des SCR-Katalysators, Reduktionsmittel zu speichern, unter Verwendung einer gemessenen Änderung der ersten Temperatur vorauszuberechnen, und den Injektor gemäß der vorausberechneten Speichervermögensänderung des SCR-Katalysators einzustellen.
  2. Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung eine Feedforward-Steuerung umfasst.
  3. Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, ferner beinhaltend einen zweiten Sensor (34), der sich am oder stromaufwärts des SCR-Katalysators, jedoch stromabwärts der Filtereinrichtung befindet, wobei der zweite Sensor eine zweite Temperatur misst und die Steuerung die erste Temperatur und die zweite Temperatur dazu verwendet, eine charakteristische Temperatur zu berechnen.
  4. Verfahren zur Steuerung eines SCR-Prozesses, umfassend: Erzeugen eines Abgasstroms, Leiten des Abgasstroms zu der Filtereinrichtung, Messen einer ersten Temperatur an oder stromaufwärts der Filtereinrichtung, Injizieren eines Reduktionsmittels zur Reaktion mit dem Abgasstrom in Gegenwart eines SCR-Katalysators, wobei sich der SCR-Katalysator stromabwärts der Filtereinrichtung befindet, und Vorausberechnen einer Änderung des Vermögens des SCR-Katalysators, Reduktionsmittel zu speichern, unter Verwendung einer gemessenen Veränderung der ersten Temperatur, und Steuern des Injizierens des Reduktionsmittels gemäß der vorausberechneten Änderung des Speichervermögens des SCR-Katalysators.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die vorausberechnete Änderung des Speichervermögens des SCR-Katalysators dazu verwendet wird, eine Reduktionsmittelmenge zu berechnen, die NOx in dem Abgasstrom reduzieren wird, während ein Entweichen des Reduktionsmittels minimiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Steuern ferner beinhaltet: Verringern oder Stoppen des Injizierens des Reduktionsmittels bevor eine Temperaturerhöhung den SCR-Katalysator erreicht, und Verhindern eines erhöhten Injizierens des Reduktionsmittels bis eine Temperaturabnahme den SCR-Katalysator erreicht.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, ferner enthaltend Messen einer zweiten Temperatur an oder stromaufwärts des SCR-Katalysators, jedoch stromabwärts der Filtereinrichtung, wobei die Steuerung die erste Temperatur und die zweite Temperatur dazu verwendet, eine charakteristische Temperatur zu berechnen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner beinhaltend: einen ersten Gewichtungsfaktor, der mit der ersten Temperatur verknüpft ist, und einen zweiten Gewichtungsfaktor, der mit der zweiten Temperatur verknüpft ist, wobei die charakteristische Temperatur durch Multiplizieren der ersten Temperatur mit dem ersten Gewichtungsfaktor und der zweiten Temperatur mit dem zweiten Gewichtungsfaktor berechnet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Abgasstrom von einer Leistungsquelle (12) erzeugt wird und die Temperaturänderung durch Variieren der Drehzahl und/oder Last der Leistungsquelle begründet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Temperatur an einem Einlass der Filtereinrichtung gemessen wird.
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