DE112009000968T5

DE112009000968T5 - Vorrichtung, System und Verfahren zum Reduzieren von Nox-Emissionen bei einem SCR-Katalysator

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Publication number: DE112009000968T5
Application number: DE112009000968T
Authority: DE
Inventors: Neal W. Ind. Currier; Aleksey Ind. Yezerets; Andrew Ind. Osburn; Lisa A. Ind. Farrell; Joan M. Ind. Wills; John N. Ind. Chi; Weiwen Ind. Wang; Phanindra Ind. Garimella; Timothy R. Ind. Frazier; Abdul R. Ind. Ofoli; Joe V. Hill
Original assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Current assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2011-07-28
Also published as: CN102016250A; CN102016250B; WO2009135060A2; WO2009135060A3

Abstract

Vorrichtung zum Reduzieren von NOx-Emissionen in einem Motorabgasstrom eines Motorsystems mit einem selektiven katalytischen Reduktionssystem (SCR-System) mit einem hinter einem Reduktionsmittelinjektor positionierten SCR-Katalysator, aufweisend: ein NOx-Reduktions-Soll-Modul, das konfiguriert ist, eine NOx-Reduktionsanforderung zu bestimmen, wobei die NOx-Reduktionsanforderung eine auf dem SCR-Katalysator zu reduzierende Menge an NO-x in dem Abgasstrom aufweist; und ein Reduktionsmittelmodul, das konfiguriert ist, die dem Abgasstrom hinzuzufügende Menge an Reduktionsmittel zu bestimmen, um die NOx-Reduktionsanforderung zu erfüllen; wobei eine dem Abgasstrom zugesetzte Menge an Reduktionsmittel eine Funktion mindestens einer Ammoniakspeichercharakteristik des SCR-Katalysators, mindestens einer Reduktionsmittel-zu-Ammoniak-Umwandlungscharakteristik und einer Umwandlungsfähigkeit eines AMOX-Katalysators in abgasempfangender Kommunikation mit dem SCR-Katalysator ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Steuern bzw. Regeln der Emissionen von Stickoxiden (NO_x) für Verbrennungsmotoren und insbesondere Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von NO_x mit einem Katalysator mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR – Selective Catalytic Reduktion).
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Über die vergangenen Jahre sind die Emissionsrichtlinien für Verbrennungsmotoren immer strenger geworden. Die gesetzlichen Emissionen von NO_x und Partikeln aus Verbrennungsmotoren sind so niedrig, dass die Emissionsniveaus in vielen Fällen nicht mit verbesserten Verbrennungstechnologien erfüllt werden können. Deshalb steigt der Einsatz von Nachbehandlungssystemen an Motoren zum Reduzieren von Emissionen. Zum Reduzieren von NO_x-Emissionen werden NOx-Reduktionskatalysatoren einschließlich SCR-Systeme verwendet, um NOx (NO und NO₂ in einem gewissen Anteil) in N₂ und andere Verbindungen umzuwandeln. SCR-Systeme verwenden ein Reduktionsmittel, in der Regel Ammoniak, um das NO_x zu reduzieren. Gegenwärtig erhältliche SCR-Systeme können hohe NO_x-Umwandlungsraten erzielen, wodurch sich die Verbrennungstechnologien auf Leistung und Effizienz konzentrieren können. Gegenwärtig erhältliche SCR-Systeme sind jedoch auch mit einigen wenigen Mängeln behaftet.
SCR-Systeme generieren Ammoniak, um das NO_x zu reduzieren. Wenn gerade die richtige Menge an Ammoniak unter den richtigen Bedingungen an dem SCR-Katalysator zur Verfügung steht, wird das Ammoniak zum Reduzieren von NO_x verwendet. Falls jedoch die Reduktionsreaktionsrate zu langsam ist oder falls im Abgas überschüssiges Ammoniak vorliegt, kann Ammoniak aus dem Abgasrohr entweichen. Ammoniak ist ein extremer Reizstoff und eine unerwünschte Emission. Dementsprechend ist ein Schlupf bzw. Austritt von nur einigen Dutzenden ppm problematisch. Weil es unerwünscht ist, reines Ammoniak zu handhaben, können viele Systeme zusätzlich eine alternative Verbindung wie etwa Harnstoff verwenden, der in dem Abgasstrom verdampft und sich zu Ammoniak zersetzt. Gegenwärtig erhältliche SCR-Systeme behandeln eingespritzten Harnstoff als eingespritztes Ammoniak und berücksichtigen nicht die Verdampfung und Hydrolyse von Harnstoff zu Komponentenverbindungen wie etwa Ammoniak und Isocyansäure. Folglich kann sich der Harnstoff hinter dem SCR zu Ammoniak zersetzen, was einen Ammoniakschlupf verursacht, und für die NO_x-Reduktion kann weniger Ammoniak zur Verfügung stehen, als der Steuermechanismus schätzt, was höhere NO_x-Emissionen am Endrohr verursacht.
SCR-Systeme, die zum Erzeugen von Ammoniak Harnstoffdosierung verwenden, basieren auf der Echtzeitzufuhr von Harnstoff zu dem SCR-Katalysator, während Motor-NO_x-Emissionen auftreten. Harnstoffdosierer besitzen im Vergleich zu anderen chemischen Injektoren wie etwa Kohlenwasserstoffinjektoren eine relativ langsame physikalische Dynamik. Deshalb kann die Dynamik der Harnstoffdosierer ein SCR-Steuersystem wesentlich beeinflussen.
Einige gegenwärtig erhältliche SCR-Systeme berücksichtigen die Dynamik der Harnstoffdosierung und die allgemein schnelle instationäre Natur des Verbrennungsmotors, indem sie die inhärente Ammoniakspeicherkapazität von vielen SCR-Katalysatorformulierungen nutzen.
Ein gegenwärtig verfügbares Verfahren führt zu Beginn einer Motor-NO_x-Spitze eine Zeitverzögerung ein, bevor die Harnstoffdosierung beginnt (oder hochfährt), und eine Zeitverzögerung nach der NO_x-Spitze, bevor die Harnstoffdosierung endet (oder herunterfährt). Üblicherweise bewirkt eine Motor-NO_x-Spitze einen Temperaturanstieg im Abgas und dem SCR-Katalysator, was zur Freisetzung von gespeichertem Ammoniak an dem Katalysator führen kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Motorleistungsabgabe als ein Ersatz für das direkte Schätzen von Motor-NO_x-Emissionen verwendet wird. Die Ammoniakfreisetzung liefert Ammoniak zum Reduzieren von Motor-Aus-NO_x, während das Verzögern der Harnstoffinjektion verhindert, dass überschüssiges Ammoniak aus dem Auspuff entweicht. Mit der NO_x-Abnahme sinkt normalerweise die Temperatur des Motorabgases und des SCR-Katalysators, und deshalb stellt fortgesetzte Harnstoffinjektion (die Verzögerung vor dem Herunterfahren der Harnstoffinjektion) Ammoniak zum Speichern an dem SCR-Katalysator bereit und lädt den Katalysator auf.
In vielen gewöhnlichen Umständen verursacht das Zeitverzögerungsverfahren unerwünschte Ergebnisse in dem SCR-Katalysator. In einigen Fällen jedoch kann das Zeitverzögerungsverfahren unerwünschte Ergebnisse und sogar Reaktionen erzeugen, die einer optimalen Reaktion entgegengesetzt sind. Beispielsweise bewirkt eine Abnahme bei der EGR-Fraktion aus einem beliebigen Grund eine Motor-Aus-NO_x-Spitze mit einer Abnahme der Abgastemperatur. Bei einem Zeitverzögerungssystem, das Motor-Aus-Leistung als Ersatz für NO_x-Emissionen nutzt, wird die Änderung wahrscheinlich ignoriert und eine Standardmenge an injiziertem Harnstoff wird eine Zunahme der NO_x-Emissionen hervorrufen. Bei einem Zeitverzögerungssystem, das die Motor-Aus-NO_x-Spitze erkennt, verzögert das System das Injizieren von ammoniakerzeugendem Harnstoff. Weil die Temperatur an dem SCR-Katalysator relativ niedriger ist, wird die von dem Katalysator freigesetzte Menge an NO_x-reduzierendem Ammoniak reduziert, was zu einer NO_x-Emissionszunahme führt. Am Ende des NO_x-Spitzenereignisses steigt die Abgastemperatur an (ab der Wiederherstellung der ausgelegten EGR-Fraktion), während die NO_x-Emissionen abnehmen. Der SCR-Katalysator gibt Ammoniak aus der reduzierten Speicherkapazität ab, während der Harnstoffinjektor dem System weiterhin Ammoniak zuführt, ohne dass NO_x für die Reduktion zur Verfügung steht. Deshalb können dem System signifikante Mengen an Ammoniak auf dem Abwärtszyklus entweichen.
Andere gegenwärtig verfügbare Systeme bestimmen, ob sich der SCR-Katalysator auf einer Temperatur befindet, die Ammoniak speichert (Adsorption), oder die Ammoniak abgibt (Desorption). Während der SCR-Katalysator Ammoniak speichert, injiziert das System Harnstoff, bis der Katalysator voll ist. Wenn der SCR-Katalysator Ammoniak abgibt, hält das System die Injektion an und gestattet, dass gespeichertes Ammoniak freigesetzt wird und NO_x reduziert.
Gegenwärtige Systeme, die die SCR-Katalysatortemperatur verfolgen, sind mit einigen Mängeln behaftet. Beispielsweise variiert die auf dem SCR-Katalysator gespeicherte Ammoniakmenge mit der Temperatur. Gegenwärtig verfügbare Systeme vermuten jedoch eine Speichermenge unter einer spezifizierten Temperatur und eine Speicherung von null über der spezifizierten Temperatur. Deshalb können die Steuerungen um die spezifizierte Temperatur herum signifikant hin und herschalten, die Ammoniakspeicherkapazität gerade unter der spezifizierten Temperatur signifikant überschätzen und die Ammoniakspeicherkapazität gerade über der spezifizierten Temperatur signifikant unterschätzen. Solche Systeme bestimmen unter Verwendung des „normierten stöchiometrischen Verhältnisses” (NSR – Normalized Stoichiometric Ratio) die Basislinienharnstoffinjektion, berücksichtigen aber keine Abweichungen bei der NO_x-Zusammensetzung und dem NH₃-zu-Isocyansäure-Verhältnis des Harnstoffes, wenn das NSR bestimmt wird. Weiterhin berücksichtigen solche Systeme nicht die unvollständige Verdampfung und Hydrolyse von Harnstoff, die bei vielen Systemen auftritt, und können deshalb möglicherweise nicht ausreichend Harnstoff injizieren, um NO_x zu reduzieren, und/oder das gewünschte Ammoniak zur Speicherung bereitstellen.
Außerdem verwenden viele bekannte SCR-Systeme keinen Ammoniakoxidationskatalysator (AMOX) hinter dem SCR-Katalysator, um mindestens einen Teil des aus dem SCR-Katalysator entweichenden Ammoniaks in N₂ und weniger schädliche Verbindungen umzuwandeln. Für jene herkömmlichen SCR-Systeme, die einen AMOX-Katalysator verwenden, sind die Betriebsbedingungen und die Umwandlungsfähigkeit des AMOX-Katalysators in der Reduktionsmitteldosierrate, der Ammoniakspeichersteuerung bzw. -regelung, der Ammoniakschlupfsteuerung bzw. -regelung und der NO_x-Umwandlungseffizienzrückkopplung von solchen Systemen nicht berücksichtigt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung wurde als Reaktion auf den gegenwärtigen Stand der Technik und insbesondere als Reaktion auf die Probleme und Erfordernisse in der Technik entwickelt, die durch gegenwärtig verfügbare Abgasnachbehandlungssysteme noch nicht vollständig gelöst worden sind. Dementsprechend wurde der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung entwickelt, um Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zum Reduzieren von NO_x-Emissionen auf einem SCR-Katalysator bereitzustellen, der mindestens einige der Mängel der Nachbehandlungssysteme nach dem Stand der Technik überwindet.
Beispielsweise enthält gemäß einer repräsentativen Ausführungsform eine Vorrichtung zum Reduzieren von NO_x-Emissionen in einem Motorabgasstrom eines Motorsystems mit einem SCR-System (Selective Catalytic Reduction) mit einem hinter einem Reduktionsmittelinjektor positionierten SCR-Katalysator ein NO_x-Reduktions-Soll-Modul und ein Reduktionsmittelmodul. Das NO_x-Reduktionsmittel-Soll-Modul ist konfiguriert, eine NO_x-Reduktionsanforderung zu bestimmen, die eine auf dem SCR-Katalysator zu reduzierende Menge an NO_x in dem Abgasstrom beinhaltet. Das Reduktionsmittelmodul ist konfiguriert, die dem Abgasstrom hinzuzufügende Menge an Reduktionsmittel zu bestimmen, um die NO_x-Reduktionsanforderung zu erfüllen. Die dem Abgasstrom zugesetzte Menge an Reduktionsmittel ist eine Funktion mindestens einer Ammoniakspeichercharakteristik des SCR-Katalysators, mindestens einer Reduktionsmittel-zu-Ammoniak-Umwandlungscharakteristik und einer Umwandlungsfähigkeit eines AMOX-Katalysators in abgasempfangender Kommunikation mit dem SCR-Katalysator.
Bei einigen Implementierungen beinhaltet die mindestens eine Ammoniakspeichercharakteristik eine auf dem SCR-Katalysator gespeicherte geschätzte Ammoniakmenge, eine aus dem SCR-Katalysator entweichende geschätzte Ammoniakmenge und/oder eine geschätzte größte Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators. Bei einigen Implementierungen beinhaltet die mindestens eine Reduktionsmittel-zu-Ammoniak-Umwandlungscharakteristik den Abstand zwischen dem SCR-Katalysator und dem Reduktionsmittelinjektor, die Umwandlungseffizienz des Reduktionsmittels zu Ammoniak und/oder die Umwandlungseffizienz des Reduktionsmittels zu anderen Bestandteilen außer Ammoniak. Bei noch weiteren Implementierungen ist die Umwandlungsfähigkeit des AMOX-Katalysators eine Funktion der Temperatur des AMOX-Katalysators, eines AMOX-Katalysatordegradationsfaktors und/oder eines Endrohrammoniakschlupf-Solls.
Gemäß einer Implementierung ist die dem Abgasstrom zugesetzte Menge an Reduktionsmittel eine Funktion eines (physikalischen) Zustands des SCR-Katalysators. Der physikalische Zustand des SCR-Katalysators kann durch einen Degradationsfaktor des SCR-Katalysators und/oder eine größte NO_x-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators dargestellt werden.
In gewissen Fällen enthält die Vorrichtung auch ein On-Board-Diagnosemodul, das konfiguriert ist, zu bestimmen, ob eine größte NO_x-Reduktionseffizienz des SCR-Katalysators unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Reduzieren von NO_x-Emissionen in einem Motorabgasstrom eines Motorsystems, der von einem Motor des Motorsystems zu einem Endrohr des Motorsystems strömt, wobei das Motorsystem einen SCR-Katalysator und einen Harnstoffinjektor vor dem SCR-Katalysator aufweist, das Bestimmen einer NO_x-Reduktionsanforderung. Die NO_x-Reduktionsanforderung beinhaltet eine auf einem SCR-Katalysator zu reduzierende NO_x-Menge in dem Abgasstrom. Das Verfahren beinhaltet auch das Bestimmen einer AMOX-Katalysatorumwandlungsfähigkeit, das Bestimmen eines Ammoniakspeichermodifizierers und das Bestimmen einer Ammoniakzusatzanforderung. Die Ammoniakzusatzanforderung stellt eine dem Abgasstrom zugesetzte Ammoniakmenge dar, um die NO_x-Reduktionsanforderung zu erfüllen, und ist mindestens teilweise von der AMOX-Katalysatorumwandlungsfähigkeit und dem Ammoniakspeichermodifizierer abhängig. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Bestimmen von Harnstoff-zu-Ammoniak- und Harnstoff-zu-Isocyansäure-Umwandlungsfaktoren und das Bestimmen einer Harnstoffinjektionsanforderung. Die Harnstoffinjektionsanforderung basiert dabei mindestens teilweise auf den Harnstoff-zu-Ammoniak- und Harnstoff-zu-Isocyansäure-Umwandlungsfaktoren. Weiterhin stellt die Harnstoffinjektionsanforderung eine dem Abgasstrom zugesetzte Menge an Harnstoff dar, um die Ammoniakzusatzanforderung zu erfüllen. Das Verfahren beinhaltet auch das Bestimmen, ob mindestens eine harnstoffbegrenzende Bedingung erfüllt ist, und das Modifizieren der Harnstoffinjektionsanforderung, falls die mindestens eine harnstoffbegrenzende Bedingung erfüllt ist. Außerdem beinhaltet das Verfahren das Injizieren von Harnstoff in den Abgasstrom gemäß der Harnstoffinjektionsanforderung.
Bei einigen Implementierungen basiert der Ammoniakspeichermodifizierer mindestens teilweise auf der auf dem SCR-Katalysator gespeicherten geschätzten Menge an Ammoniak, der aus dem SCR-Katalysator entweichenden geschätzten Menge an Ammoniak und der geschätzten größten Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators. Bei noch einigen Implementierungen basieren die Harnstoff-zu-Ammoniak- und Harnstoff-zu-Isocyansäure-Umwandlungsfaktoren mindestens teilweise auf dem Abstand zwischen dem SCR-Katalysator und dem Harnstoffinjektor, einer Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu Ammoniak und einer Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu Isocyansäure.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform enthält ein Motorsystem einen Verbrennungsmotor, der einen Abgasstrom erzeugt, ein SCR-System, das einen SCR-Katalysator umfasst, der NO_x-Emissionen in dem Abgasstrom in der Gegenwart von Ammoniak reduziert, und einen Reduktionsmittelinjektor, der Reduktionsmittel in den Abgasstrom vor dem SCR-Katalysator injiziert, wobei das Reduktionsmittel das Ammoniak liefert. Das Motorsystem enthält auch eine Mitkopplungskomponente, eine Komponente vom Rückkopplungstyp und eine Ammoniakspeicherkomponente. Die Mitkopplungskomponente ist konfiguriert, eine Reduktionsmitteldosierrate entsprechend einem gewünschten Niveau an NO_x-Reduktion auf dem SCR-Katalysator während stationärer Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors zu bestimmen. Die Komponente vom Rückkopplungstyp ist konfiguriert, die Reduktionsmitteldosierrate auf der Basis mindestens teilweise einer physikalischen Degradation des SCR-Katalysators zu modifizieren. Die Ammoniakspeicherkomponente ist konfiguriert, die Reduktionsmitteldosierrate auf der Basis mindestens teilweise einer gewünschten Ammoniakspeicherkonzentration auf dem SCR-Katalysator zu modifizieren. Die gewünschte Ammoniakspeicherkonzentration stellt eine Ammoniakspeicherkonzentration dar, die mindestens ausreicht, um verschiedene instationäre Änderungen bei NO_x-Emissionen während instationärer Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors zu berücksichtigen.
Bei einigen Implementierungen enthält das Motorsystem auch einen AMOX-Katalysator hinter dem SCR-Katalysator. Folglich kann die Komponente vom Rückkopplungstyp weiterhin konfiguriert sein, die Reduktionsmitteldosierrate auf der Basis mindestens teilweise einer physikalischen Degradation des AMOX-Katalysators zu modifizieren. Die gewünschte Ammoniakspeicherkonzentration kann mindestens teilweise auf einer größten Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators und einer größten NH₃-Umwandlungsfähigkeit des AMOX-Katalysators basieren.
Bei einigen Implementierungen ist das Reduktionsmittel Harnstoff, der teils zu Ammoniak und teils zu Isocyansäure reduziert, bevor er in den SCR-Katalysator eintritt. Die Harnstoffdosierrate kann mindestens teilweise auf einer ersten Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu Ammoniak und einer zweiten Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu Isocyansäure basieren.
Bei einigen Implementierungen ist die Komponente vom Rückkopplungstyp weiterhin konfiguriert, die Reduktionsmitteldosierrate auf der Basis mindestens teilweise des Auftretens mindestens einer reduktionsmittelbegrenzenden Bedingung zu modifizieren. Die mindestens eine reduktionsmittelbegrenzende Bedingung kann eine Abgastemperaturgrenze, eine Ammoniakschlupfgrenze und/oder eine SCR-Katalysatorbetttemperaturgrenze beinhalten.
Gemäß einigen Implementierungen basiert die gewünschte Ammoniakspeicherkonzentration mindestens teilweise auf einer größten Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators.
Bei gewissen Implementierungen enthält der Controller eine On-Board-Diagnosekomponente (OBD), die konfiguriert ist, zu bestimmen, ob das SCR-System in der Lage ist, die NO_x-Emissionen in dem Abgasstrom auf eine Menge unter einem vorbestimmten Schwellwert zu reduzieren. Das Motorsystem kann auch eine OBD-Schnittstelle enthalten, die in elektrischer Kommunikation mit dem Controller kommunizieren kann. Folglich warnt der Controller in spezifischen Fällen die OBD-Schnittstelle, wenn die OBD-Komponente bestimmt, dass das SCR-System nicht in der Lage ist, die NO_x-Emissionen in dem Abgasstrom auf eine Menge unter dem vorbestimmten Schwellwert zu reduzieren. Die Bestimmung, ob das SCR-System in der Lage ist, die NO_x-Emissionen in dem Abgasstrom auf eine Menge unter einem vorbestimmten Schwellwert zu reduzieren, kann mindestens teilweise auf der physikalischen Degradation des SCR-Katalysators basieren.
Bei einigen Implementierungen enthält das SCR-System einen in dem SCR-Katalysator eingebetteten NO_x-Sensor. Der SCR-Katalysator kann ein Paar beabstandete Katalysatorbetten enthalten, die sich über eine Länge des SCR-Katalysators erstrecken und zwischen den Betten einen Raum definieren. Der eingebettete NO_x-Sensor kann mindestens teilweise in dem Raum zwischen den Betten positioniert sein.
Durch diese Spezifikation hinweg impliziert eine Bezugnahme auf Merkmale, Vorteile oder eine ähnliche Sprache nicht, dass alle der Merkmale und Vorteile, die mit dem Gegenstand der vorliegenden Offenbarung realisiert werden können, sich in einer beliebigen einzelnen Ausführungsform befinden sollten oder befinden. Vielmehr soll eine sich auf die Merkmale und Vorteile beziehende Sprache bedeuten, dass ein spezifisches Merkmal, ein spezifischer Vorteil oder eine spezifische Charakteristik, in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Somit können sich eine Erörterung der Merkmale und Vorteile und eine ähnliche Sprache durch diese Spezifikation hinweg auf die gleiche Ausführungsform beziehen, brauchen dies aber nicht notwendigerweise.
Weiterhin können die beschriebenen Merkmale, Vorteile und Charakteristika des Gegenstands der vorliegenden Offenbarung auf eine beliebige geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. Der Fachmann erkennt, dass der Gegenstand ohne eines/einen oder mehrere der spezifischen Merkmale oder Vorteile einer bestimmten Ausführungsform praktiziert werden kann. In anderen Fällen können zusätzliche Merkmale und Vorteile in bestimmten Ausführungsformen erkannt werden, die nicht in allen Ausführungsformen vorliegen. Diese Merkmale und Vorteile ergeben sich umfassender aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen oder können durch die Ausübung des Gegenstands, wie im Folgenden dargelegt, in Erfahrung gebracht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Vorteile des Gegenstands besser verstanden werden mögen, erfolgt eine eingehendere Beschreibung des oben kurz beschriebenen Gegenstands durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In dem Verständnis, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen des Gegenstands darstellen und deshalb nicht als ihren Schutzbereich beschränkend angesehen werden sollen, wird der Gegenstand mit zusätzlicher Spezifität und Detail durch den Einsatz der Zeichnungen beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasnachbehandlungssystem gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
2 ein schematisches Blockdiagramm des Abgasnachbehandlungssystems von 1 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
3 ein schematisches Blockdiagramm eines Controllers des Abgasnachbehandlungssystems von 2 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
4 ein schematisches Blockdiagramm eines NO_x-Reduktionsmoduls des Controllers von 3 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
5A ein schematisches Blockdiagramm eines Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Moduls des Controllers von 3 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
5B ein schematisches Blockdiagramm eines Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Moduls des Controllers von 3 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
6 ein schematisches Blockdiagramm eines Reduktionsmittel-Soll-Moduls des Controllers von 3 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
7 ein schematisches Blockdiagramm eines Reduktionsmittelhydrolysemoduls des Reduktionsmittel-Soll-Moduls von 6 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
8 ein schematisches Blockdiagramm eines inversen Reduktionsmittelhydrolysemoduls des Reduktionsmittel-Soll-Moduls von 6 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
9 ein schematisches Flussdiagramm eines Steuersystems, das dahingehend betätigt werden kann, den Ammoniak- und Isocyansäurefluss in einen SCR-Katalysator gemäß einer Ausführungsform zu bestimmen;
10 ein schematisches Blockdiagramm eines Ammoniakspeichermoduls des Controllers von 3 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
11 ein schematisches Blockdiagramm eines aktuelles-Ammoniakspeicherkonzentration-Moduls des Ammoniakspeichermoduls von 10 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
12 ein schematisches Flussdiagramm eines Steuersystems, das dahingehend betrieben werden kann, die Speicherkonzentration von Ammoniak auf einem SCR-Katalysator zu bestimmen;
13 ein schematisches Flussdiagramm eines Steuersystems, das dahingehend betrieben werden kann, das Ausmaß des Ammoniakschlupfs von einem SCR-Katalysator zu bestimmen;
14 ein schematisches Blockdiagramm eines AMOX-Katalysator-Ammoniakumwandlungsmoduls des Controllers von 3 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
15 ein schematisches Blockdiagramm eines Reduktionsmittelmodifizierermoduls des Controllers von 3 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
16 ein schematisches Blockdiagramm eines korrigierten Endrohr-NO_x-Moduls des Reduktionsmittelmodifizierermoduls von 15 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform und
17 ein Verfahren zum Reduzieren von NO_x-Emissionen unter Verwendung eines Ammoniakspeichers auf einem SCR-Katalysator.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Viele der in dieser Spezifikation beschriebenen Funktionseinheiten wurden als Module bezeichnet, um insbesondere ihre Implementierungsunabhängigkeit hervorzuheben. Beispielsweise kann ein Modul als eine Hardwareschaltung implementiert sein, das kundenspezifische VLSI-Schaltungen oder Gatearrays, handelsübliche Halbleiter wie etwa Logikchips, Transistoren oder andere diskrete Komponenten umfasst. Ein Modul kann auch in programmierbaren Hardwarebauelementen wie etwa feldprogrammierbaren Gatearrays, einer programmierbaren Arraylogik, programmierbaren Logikbauelementen oder dergleichen implementiert sein.
Module können auch in Software zur Ausführung durch verschiedene Arten von Prozessoren implementiert sein. Ein identifiziertes Modul von ausführbarem Code kann beispielsweise ein oder mehrere physische oder logische Blöcke von Computeranweisungen umfassen, die beispielsweise als ein Objekt, eine Prozedur oder Funktion organisiert sein können. Dennoch brauchen die ausführbaren Dateien eines identifizierten Moduls nicht physisch beieinander angeordnet zu sein, sondern können disparate Anweisungen umfassen, die an verschiedenen Stellen gespeichert sind, die, wenn logisch miteinander verbunden, das Modul umfassen und den angegebenen Zweck für das Modul erreichen.
Tatsächlich kann ein Modul aus ausführbarem Code eine einzelne Anweisung oder viele Anweisungen sein und kann sogar über mehrere verschiedene Codesegmente, unter verschiedenen Programmen und über mehrere Speicherbauelemente verteilt sein. Ähnlich können Operationsdaten hierin in Modulen identifiziert und dargestellt werden und können in einer beliebigen geeigneten Form verkörpert und in einer beliebigen geeigneten Art von Datenstruktur organisiert werden. Die Operationsdaten können als ein einzelner Datensatz gesammelt werden oder können über verschiedene Stellen einschließlich verschiedene Speicherbauelemente verteilt sein und können mindestens teilweise lediglich als elektronische Signale auf einem System oder Netz existieren.
Die Bezugnahme in dieser Spezifikation auf „eine Ausführungsform” oder eine ähnliche Sprache bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Charakteristik, das oder die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit können sich alle Erscheinungen der Ausdrücke „bei einer Ausführungsform” und ähnliche Sprache in dieser Spezifikation auf die gleiche Ausführungsform beziehen, brauchen dies aber nicht notwendigerweise.
Weiterhin können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Charakteristika des hierin beschriebenen Gegenstands auf eine beliebige geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details vorgelegt, wie etwa Beispiele für Steuerungen, Strukturen, Algorithmen, Programmierung, Softwaremodule, Benutzerwahl, Netztransaktionen, Datenbankabfragen, Datenbankstrukturen, Hardwaremodule, Hardwareschaltungen, Hardwarechips usw., um ein eingehendes Verständnis von Ausführungsformen des Gegenstands zu vermitteln. Der Fachmann erkennt jedoch, dass der Gegenstand ohne eines oder mehrere der spezifischen Details oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen, Materialien oder Operationen nicht ausführlich gezeigt oder beschrieben, um ein Verdunkeln von Aspekten des offenbarten Gegenstands zu vermeiden.
Verbrennungsmotorsystem
1 zeigt eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotorsystems 10. Die Hauptkomponenten des Motorsystems 10 enthalten einen Verbrennungsmotor 11 und ein an den Motor gekoppeltes Abgasnachbehandlungssystem 100. Der Verbrennungsmotor 11 kann ein Selbstzündungs-Verbrennungsmotor sein wie etwa ein Dieselmotor oder ein Fremdzündungs-Verbrennungsmotor wie etwa ein magerbetriebener Benzinmotor. Das Motorsystem 10 enthält weiterhin einen Lufteinlass 12, einen Ansaugkrümmer 14, einen Abgasverteiler 16, eine Turboladerturbine 18, einen Turboladerverdichter 20, Temperatursensoren (z. B. Temperatursensor 24), Drucksensoren (z. B. Drucksensor 26) und einen Luftmengensensor 56. Der Lufteinlass 12 ist zur Atmosphäre belüftet und mit einem Einlass des Ansaugkrümmers 14 verbunden, damit Luft in den Ansaugkrümmer eintreten kann. Der Ansaugkrümmer 14 enthält einen Auslass, der operativ mit Verdichtungskammern des Verbrennungsmotors 11 gekoppelt ist, um Luft in die Verdichtungskammern einzuleiten.
Innerhalb des Verbrennungsmotors 11 wird die Luft aus der Atmosphäre mit Kraftstoff kombiniert, um den Motor anzutreiben. Die Verbrennung des Kraftstoffs und der Luft erzeugt ein Abgas, das operativ an den Abgasverteiler 16 entlüftet wird. Aus dem Abgasverteiler 16 kann ein Teil des Abgases zum Betreiben der Turboladerturbine 18 verwendet werden. Die Turbine 18 treibt den Turboladerverdichter 20 an, der mindestens einen Teil der in den Lufteinlass 12 eintretenden Luft verdichten kann, bevor sie zu dem Ansaugverteiler 14 und in die Verdichtungskammern des Motors 11 gelenkt wird.
Das Abgasnachbehandlungssystem 100 ist an den Abgasverteiler 16 des Motors 11 gekoppelt. Mindestens ein Teil des aus dem Abgasverteiler 16 austretenden Abgases kann das Abgasnachbehandlungssystem 100 durchlaufen. Bei gewissen Implementierungen enthält das Motorsystem 10 ein nicht gezeigtes Abgasrückführungsventil (AGR), das konfiguriert ist, zu öffnen, damit ein Teil des Abgases zurück in die Verdichtungskammern zirkulieren kann, um die Verbrennungseigenschaften des Motors 11 abzuändern.
Im Allgemeinen ist das Abgasnachbehandlungssystem 100 konfiguriert, in dem von dem Abgasverteiler 16 empfangenen und nicht in den Motor 11 rückgeführten Abgas vorliegende verschiedene Emissionen von chemischen Verbindungen und Partikeln zu beseitigen. Wie in 2 dargestellt, enthält das Abgasnachbehandlungssystem 100 einen Controller 130, einen Oxidationskatalysator 140, einen Partikelfilter (PM – Particulate Matter) 142, ein SCR-System 150 mit einem SCR-Katalysator 152 und einen Ammoniakoxidationskatalysator (AMOX) 160. Abgas kann in einer durch den Richtungspfeil 144 angegebenen Abgasströmungsrichtung von dem Abgasverteiler 16 durch den Oxidationskatalysator 140, durch den Partikelfilter 142, durch den SCR-Katalysator 152 und dann durch den AMOX-Katalysator 160 strömen und dann in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Mit anderen Worten ist der Partikelfilter 142 hinter dem Oxidationskatalysator 140 positioniert, ist der SCR-Katalysator 152 hinter dem Partikelfilter 142 positioniert und ist der AMOX-Katalysator 160 hinter dem SCR-Katalysator 152 positioniert. Allgemein enthält in dem Abgasnachbehandlungssystem 100 behandeltes und in die Atmosphäre freigesetztes Abgas folglich signifikant weniger Verunreinigungen wie etwa Dieselpartikel, NO_x, Kohlenwasserstoffe wie etwa Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, als unbehandeltes Abgas.
Bei dem Oxidationskatalysator 140 kann es sich um einen beliebigen von verschiedenen, in der Technik bekannten Durchflussdieseloxidationskatalysatoren (DOC – Diesel Oxidation Catalysts) handeln. Allgemein ist der Oxidationskatalysator 140 konfiguriert, mindestens etwas Partikelmaterie, zum Beispiel die lösliche organische Fraktion von Russ, in dem Abgas zu oxidieren und unverbrannte Kohlenwasserstoffe und CO in dem Abgas zu weniger umweltschädlichen Verbindungen zu reduzieren. Beispielsweise kann der Oxidationskatalysator 140 die Kohlenwasserstoff- und CO-Konzentrationen in dem Abgas ausreichend reduzieren, um die erforderlichen Emissionsnormen zu erfüllen.
Bei dem Partikelfilter 142 kann es sich um einen beliebigen von verschiedenen, in der Technik bekannten Partikelfilter handeln, der konfiguriert ist, Partikelmateriekonzentrationen, zum Beispiel Russ und Asche, in dem Abgas zu reduzieren, um erforderliche Emissionsnormen zu erfüllen. Der Partikelfilter 142 kann elektrisch an einen Controller wie etwa Controller 130 gekoppelt sein, der verschiedene Charakteristika des Partikelfilters wie etwa beispielsweise die Zeitsteuerung bzw. -regelung und Dauer von Filterregenerationsereignissen steuert bzw. regelt. Bei einigen Implementierungen sind der Partikelfilter 142 und das assoziierte Steuersystem ähnlich oder gleich den jeweiligen Partikelfiltern und Steuersystemen, die in den US-Patentanmeldungen Nr. 11/227,320; 11/227,403; 11/227,857 und 11/301,998 beschrieben sind, die durch Bezugnahme hier aufgenommen sind.
Das SCR-System 150 enthält ein Reduktionsmittelzufuhrsystem 151, das eine Reduktionsmittelquelle 170, eine Pumpe 180 und einen Zufuhrmechanismus 190 enthält. Die Reduktionsmittelquelle 170 kann ein Container oder Tank sein, der ein Reduktionsmittel wie etwa beispielsweise Ammoniak (NH₃), Harnstoff, Dieselkraftstoff oder Dieselöl halten kann. Die Reduktionsmittelquelle 170 befindet sich in einer Reduktionsmittel zuführenden Kommunikation mit der Pumpe 180, die konfiguriert ist, Reduktionsmittel von der Reduktionsmittelquelle zu dem Zufuhrmechanismus 190 zu pumpen. Der Zufuhrmechanismus 190 kann einen bei 192 schematisch gezeigten, vor dem SCR-Katalysator 152 positionierten Reduktionsmittelinjektor enthalten. Der Injektor kann selektiv gesteuert bzw. geregelt werden, um Reduktionsmittel direkt in den Abgasstrom zu injizieren, bevor er in den SCR-Katalysator 152 eintritt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Reduktionsmittel entweder Ammoniak oder Harnstoff sein, der sich zersetzt, um Ammoniak zu erzeugen. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, reagiert bei diesen Ausführungsformen das Ammoniak mit NO_x in Gegenwart des SCR-Katalysators 152, um das NO_x zu weniger schädlichen Emissionen wie etwa N₂ und H₂O zu reduzieren. Der SCR-Katalysator 152 kann ein beliebiger von verschiedenen, in der Technik bekannten Katalysatoren sein. Beispielsweise ist bei einigen Implementierungen der SCR-Katalysator 152 ein vanadiumbasierter Katalysator, und bei anderen Implementierungen ist der SCR-Katalysator ein zeolithbasierter Katalysator wie etwa ein Cu-Zeolith- oder ein Fe-Zeolith-Katalysator. Bei einer repräsentativen Ausführungsform ist das Reduktionsmittel wässriger Harnstoff, und der SCR-Katalysator 152 ist ein zeolithbasierter Katalysator.
Bei dem AMOX-Katalysator 160 kann es sich um einen beliebigen von verschiedenen Durchflusskatalysatoren handeln, der konfiguriert ist, mit Ammoniak zu reagieren und hauptsächlich Stickstoff zu produzieren. Allgemein wird der AMOX-Katalysator 160 genutzt, um Ammoniak zu beseitigen, das durch den SCR-Katalysator 152 hindurchgetreten oder aus diesem ausgetreten ist, ohne mit NO_x in dem Abgas zu reagieren. Unter gewissen Umständen kann das System 10 mit oder ohne AMOX-Katalysator betrieben werden. Wenngleich der AMOX-Katalysator 160 als eine von dem SCR-Katalysator 152 separate Einheit gezeigt ist, kann bei einigen Implementierungen der AMOX-Katalysator weiterhin mit dem SCR-Katalysator integriert werden, z. B. können sich der AMOX-Katalysator und der SCR-Katalysator innerhalb des gleichen Gehäuses befinden.
Das Abgasnachbehandlungssystem 100 enthält verschiedene Sensoren, wie etwa Temperatursensoren 124A–F, Drucksensoren 126, Sauerstoffsensor 162, NO_x-Sensoren 164A–D, NH₃-Sensoren 166A–C, nichtgezeigte Doppel-Ammoniak-/NO_x-Sensoren und dergleichen, die in dem Abgasnachbehandlungssystem angeordnet sind. Die verschiedenen Sensoren können mit dem Controller 130 in elektrischer Kommunikation stehen, um Betriebsbedingungen zu überwachen und das Motorsystem 10 einschließlich dem Abgasnachbehandlungssystem 100 zu steuern bzw. regeln. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält das Abgasnachbehandlungssystem 100 den NO_x-Sensor 164A vor dem Oxidationskatalysator 140, den an einen zentralen Abschnitt des SCR-Katalysators 152 gekoppelten oder darin eingebetteten NO_x-Sensor 164B, den No_x-Sensor 164C zwischen dem SCR-Katalysator und dem AMOX-Katalysator 160, den NO_x-Sensor 164D hinter dem AMOX-Katalysator und den NO_x-Sensor 164E hinter dem PM-Filter 142 und vor dem Reduktionsmittelinjektor 192. Weiterhin enthält das dargestellte Abgasnachbehandlungssystem 100 den NH₃-Sensor 166A vor dem SCR-Katalysator 125, den in dem SCR-Katalysator 152 eingebetteten NH₃-Sensor 166B und den NH₃-Sensor 166C hinter dem AMOX-Katalysator 160.
Wenngleich das gezeigte Abgasnachbehandlungssystem 100 einen Oxidationskatalysator 140, einen Partikelfilter 142, einen SCR-Katalysator 152 und einen AMOX-Katalysator 160 zeigt, die an bestimmten Stellen relativ zueinander entlang des Abgasströmungswegs positioniert sind, kann in anderen Ausführungsformen das Abgasnachbehandlungssystem mehr als einen von beliebigen der verschiedenen Katalysatoren enthalten, die in einer beliebigen von verschiedenen Positionen relativ zueinander entlang des Abgasströmungswegs positioniert sind, wie erwünscht. Weiterhin sind der Oxidationskatalysator 140 und der AMOX-Katalysator 160 zwar nichtselektive Katalysatoren, doch können bei einigen Ausführungsformen der Oxidations- und AMOX-Katalysator selektive Katalysatoren sein.
Der Controller 130 steuert bzw. regelt den Betrieb des Motorsystems 10 und der assoziierten Teilsysteme wie etwa des Motors 11 und des Abgasnachbehandlungssystems 100. Der Controller 130 ist in 2 als eine einzelne physische Einheit dargestellt, doch kann er, falls gewünscht, bei einigen Ausführungsformen zwei oder mehr physisch getrennte Einheiten oder Komponenten enthalten. Allgemein empfängt der Controller 130 mehrere Eingaben, verarbeitet die Eingaben und überträgt mehrere Ausgaben. Zu den mehreren Eingaben können erfassende Messungen von den Sensoren und verschiedene Benutzereingaben zählen. Die Eingaben werden von dem Controller 130 verarbeitet, wobei verschiedene Algorithmen, gespeicherte Daten und andere Eingaben verwendet werden, um die gespeicherten Daten zu aktualisieren und/oder Ausgangswerte zu generieren. Die generierten Ausgangswerte und/oder Befehle werden zu anderen Komponenten des Controllers und/oder zu einem oder mehreren Elementen des Motorsystems 10 übertragen, um das System zu steuern bzw. zu regeln, gewünschte Ergebnisse zu erreichen, und insbesondere gewünschte Abgasemissionen zu erreichen.
Der Controller 130 enthält verschiedene Module zum Steuern des Betriebs des Motorsystems 10. Beispielsweise enthält der Controller 130 ein oder mehrere Module zum Steuern des Betriebs des Partikelfilters 142, wie oben beschrieben. Der Controller 130 enthält auch ein oder mehrere Module zum Steuern des Betriebs des SCR-Systems 150. Der Controller 130 enthält ferner ein oder mehrere Module zum Steuern des Betriebs des Motors 11. Außerdem kann für den Fall, dass der Oxidationskatalysator 140 und der AMOX-Katalysator 160 selektiv gesteuert bzw. geregelt werden können, der Controller 130 ein oder mehrere Module zum Steuern des Betriebs des jeweiligen Oxidations- und AMOX-Katalysators enthalten.
Bei bestimmten Ausführungsformen enthalten die Steuerungen des SCR-Systems 150 drei Hauptkomponenten: (1) eine Mitkopplungskomponente, die ausgelegt ist zum Berechnen einer Reduktionsmitteldosierrate für den stationären Betrieb des Motors 11; (2) eine Komponente vom Rückkopplungstyp, die ausgelegt ist zum Kompensieren der Mitkopplungskomponente hinsichtlich einer etwaigen langfristigen Degradation des SCR- und AMOX-Katalysators 152, 160; (3) eine Ammoniakspeicherkomponente, die ausgelegt ist zum Berechnen einer Reduktionsmitteldosierrate, die erforderlich ist, um Ammoniakspeicherstellen auf dem SCR-Katalysator 152 zu füllen, um einen instationären Betrieb des Motors 11 zu berücksichtigen. Bei bestimmten Implementierungen kann die Komponente vom Rückkopplungstyp ein SCR-Katalysator-Degradationsfaktormodul, ein NO_x-Reduktionseffizienzmodul und/oder ein AMOX-NH₃-Umwandlungseffizienzmodul enthalten, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
Unter Bezugnahme auf 3 und gemäß einer Ausführungsform enthält der Controller 130 mehrere Module zum Erreichen der obigen drei Hauptkomponenten und Steuern des Betriebs des SCR-Systems 150, um beim instationären und stationären Betrieb eine effiziente Reduktion von NO_x zu erzielen, während Ammoniakschlupf aus dem Endrohr reduziert wird. Insbesondere enthält der Controller 130 ein NO_x-Reduktions-Soll-Modul 300, mindestens ein Ammoniak-Soll-Modul (z. B. Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310 und Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344), ein Reduktionsmittel-Soll-Modul 330, ein NH₃-Speichermodul 350, ein AMOX-NH₃-Umwandlungsmodul 380, ein Reduktionsmittelbegrenzungsmodul 390 und ein korrigiertes-Endrohr-NO_x-Modul 397. Allgemein werden die Module unabhängig und/oder in Kooperation betrieben, um eine optimale NO_x-Umwandlungseffizienz auf dem SCR-Katalysator 152 zu erreichen und dabei den Ammoniakschlupf und den Harnstoffverbrauch zu minimieren. Der Controller 130 kann in Daten empfangender und/oder übertragender Kommunikation mit mehreren Teilsystemen des Motorsystems 10, wie etwa Motorsteuerungen 167, PM-Filtersystemsteuerungen 168 und SCR-Systemsteuerungen bzw. -regelungen 169, kommunizieren.
NO_x-Reduktions-Soll-Modul
Unter Bezugnahme auf 4 kann das NO_x-Reduktions-Soll-Modul 300 dahingehend betrieben werden, eine NO_x-Reduktionsanforderung 304 zu bestimmen. Die NO_x-Reduktionsanforderung stellt die NO_x-Menge dar, die aus dem Abgasstrom auf dem SCR-Katalysator 152 reduziert werden sollte, um eine vorbestimmte Abgasemissionsgrenze zu erreichen. Mit anderen Worten bestimmt das NO_x-Reduktions-Soll-Modul 300 die NO_x-Reduktionsanforderung 304, die erforderlich ist, um das gewünschte Endrohr-NO_x-Niveau 306 zu erreichen. Die gewünschte Menge von NO_x am Endrohr, zum Beispiel gewünschtes Endrohr-NO_x-Niveau 306 (siehe 4 und 16), ist repräsentativ für die NO_x-Menge, die gemäß gesetzlich geregelter Emissionsnormen aus dem Endrohr austreten darf.
Allgemein wird die NO_x-Reduktionsanforderung 304 als der zu reduzierende Anteil des NO_x in dem Abgasstrom ausgedrückt. Die NO_x-Reduktionsanforderung kann auch als NO_x-Reduktionsrate oder die Rate, bei der NO_x reduziert werden sollte, um die vorbestimmte Abgasemissionsgrenze zu erreichen, ausgedrückt werden. Bei gewissen Implementierungen kann das NO_x-Reduktions-Soll-Modul 300 in Daten empfangender Kommunikation mit dem NO_x-Sensor 164A kommunizieren, um die in dem Abgasstrom vorliegende NO_x-Menge zu bestimmen, bevor er in den SCR-Katalysator 152 eintritt. Alternativ oder zusätzlich kann bei einigen Implementierungen die in dem Abgasstrom vorliegende NO_x-Menge über den Betrieb eines Motorbetriebsbedingungsmoduls 302 geschätzt werden. Das Motorbetriebsbedingungsmoduls 302 vergleicht die Betriebsbedingungen des Motors 11 mit einer gespeicherten Betriebskarte, die vorbestimmte Abgas-NO_x-Niveaus für verschiedene Betriebsbedingungen des Motors enthält, um eine geschätzte NO_x-Menge in dem Abgasstrom zu bestimmen. Das NO_x-Reduktions-Soll-Modul 300 vergleicht die tatsächliche oder geschätzte NO_x-Menge in dem Abgasstrom am Motorauslass mit einem gewünschten NO_x-Niveau 306, in dem aus dem Endrohr emittierten Abgas, um die NO_x-Reduktionsanforderung 304 zu bestimmen.
Ammoniak-Soll-Modul
Der Controller 130 enthält ein Ammoniak-Soll-Modul, das dahingehend betrieben werden kann, eine Ammoniakzusatzanforderung zu bestimmen. Wie hierin definiert, ist die Ammoniakzusatzanforderung die Ammoniakmenge, die dem Abgasstrom zugesetzt werden sollte, um das NO_x in dem Abgasstrom auf das gewünschte Niveau zu reduzieren, um die Emissionsnormen zu erfüllen. Bei bestimmten Ausführungsformen enthält der Controller 130 das Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310 zum Bestimmen einer Ammoniakzusatzanforderung 326 unter Verwendung einer Mitkopplungsmethodik (siehe 5A). Bei anderen Ausführungsformen enthält der Controller 130 das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 zum Bestimmen einer Ammoniakzusatzanforderung 348 unter Verwendung einer Rückkopplungsmethodik (siehe 5B). Bei noch anderen Ausführungsformen enthält der Controller 130 sowohl das Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310 als auch das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344.
Zuerst unter Bezugnahme auf 5A empfängt das Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310 als Eingabe die NO_x-Reduktionsanforderung 304 von dem NO_x-Reduktions-Soll-Modul 311 (siehe 4), einen NH₃-Speichermodifizierer 352 von dem NH₃-Speichermodul 350 (siehe 10) und eine aktuelle-SCR-Katalysatoreinlass-NH₃-Strömungsrate 335 von dem Reduktionsmittelhydrolysemodul 333 (siehe 7) und genutzt von dem Modul 310, um die Ammoniakzusatzanforderung 326 zu bestimmen. In der repräsentativen dargestellten Ausführungsform enthält das Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310 ein NO_x-Reduktionseffizienzmodul 312, ein SCR-Katalysatoreinlass-NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 314, ein SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 316, ein SCR-Katalysatorbetttemperatur-Modul 318, ein SCR-Katalysatoreinlass-NO_x-Modul 320, ein SCR-Katalysatorraumgeschwindigkeitsmodul 322 und ein NO_x-Reduktionsreaktionsratenmodul 324.
Das NO_x-Reduktionseffizienzmodul 312 kann dahingehend betrieben werden, die maximale Effizienz der NO_x-Reduktion auf dem SCR-Katalysator 152 zu bestimmen. Allgemein betrachtet bzw. bestimmt das NO_x-Reduktionseffizienzmodul 312 eine gewünschte NO_x-Umwandlungseffizienz und den Zustand des SCR-Katalysators.
Bei der gewünschten NO_x-Umwandlungseffizienz kann es sich um eine beliebige von verschiedenen Effizienzen handeln, und sie kann von der Differenz zwischen der NO_x-Menge in dem Abgasstrom an dem Motorauslass und der gewünschten NO_x-Menge in dem Abgasstrom an dem Endrohrauslass abhängen. Beispielsweise kann bei einigen Implementierungen die gewünschte NO_x-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators 152 die Effizienz sein, die erforderlich ist, um an dem SCR-Katalysatorauslass das gewünschte Endrohr-NO_x-Niveau 306 zu erreichen. Bei Ausführungsformen mit einem AMOX-Katalysator jedoch kann die gewünschte NO_x-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators 152 niedriger sein, als wenn kein AMOX-Katalysator verwendet wird, weil der AMOX-Katalysator das aus dem SCR-Katalysator entweichende Ammoniak reduzieren kann. Bei einigen Ausführungsformen kann das NO_x-Reduktionseffizienzmodul 312 die maximale NO_x-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators 152 bestimmen, wie in der am 5. Dezember 2008 eingereichten anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/120,297 beschrieben, die durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Dementsprechend kann das NO_x-Reduktionseffizienzmodul 312 dahingehend betrieben werden, die gewünschte NO_x-Umwandlungseffizienz mit der maximalen NO_x-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators 152 zu vergleichen und die kleinere der beiden Effizienzen an das Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310 auszugeben. Das Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310 nutzt dann die kleinere der von dem NO_x-Reduktionseffizienzmodul 312 bestimmten gewünschten und größten NO_x-Umwandlungseffizienz, um die Ammoniakzusatzanforderung 326 zu bestimmen. Allgemein ist die kleinere NO_x-Umwandlungseffizienz umso niedriger, je niedriger die Ammoniakzusatzanforderung 326 ist. Das NO_x-Reduktionseffizienzmodul 312 kann die größte NO_x-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators 152 auf unterschiedliche Weisen bestimmen.
Der Zustand des SCR-Katalysators 152 beeinflusst die Effizienz des SCR-Katalysators. Je degradierter der Zustand des SCR-Katalysators ist, umso niedriger ist die größte Effizienz der NO_x-Reduktion auf dem SCR-Katalysator 152. Der Zustand des SCR-Katalysators 152 kann auch durch einen SCR-Katalysatordegradationsfaktor angegeben werden. Der SCR-Katalysatordegradationsfaktor kann durch ein SCR-Katalysatordegradationsfaktormodul, wie etwa das unten in Relation zu 11 beschriebene Modul 368, gemäß beliebigen von verschiedenen Wegen bestimmt werden. Beispielsweise kann das SCR-Katalysatordegradationsfaktormodul den SCR-Katalysatordegradationsfaktor auf eine Weise bestimmen, die ähnlich der ist, die in der am 5. Dezember 2008 eingereichten anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/120,283 beschrieben ist, die durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Das SCR-Katalysatoreinlass-NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 314 kann betrieben werden, das NO₂/NO_x-Verhältnis des Abgases in dem Abgasstrom an dem Einlass des SCR-Katalysators 152 vorherzusagen. Bei einigen Implementierungen wird das NO₂/NO_x-Verhältnis als das folgende Verhältnis ausgedrückt:
wobei NO die Massenkonzentration von Stickstoffmonoxid in einem vorbestimmten Abgasvolumen ist und NO₂ die Massenkonzentration von Stickstoffdioxid in dem vorbestimmten Abgasvolumen ist.
Das SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 316 kann betrieben werden, verschiedene Eigenschaften des Abgases an dem Einlass des SCR-Katalysators 152 zu bestimmen. Zu den Eigenschaften können beispielsweise der Massenstrom des Abgases und die Temperatur des Abgases zählen. Bei einigen Implementierungen werden die Abgaseigenschaften auf der Basis von vorbestimmten Abgaseigenschaftswerten für vorbestimmte Betriebsbedingungen des Motorsystems 10 vorhergesagt. Beispielsweise kann das SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 316 eine Abgaseigenschaftenkarte, eine Abgaseigenschaftentabelle oder einen Abgaseigenschaftenvektor enthalten, die oder der vorbestimmte Abgaseigenschaftswerte mit Motorsystembetriebsbedingungen wie etwa der Betriebslast und/oder der Drehzahl des Motors 11 vergleicht. Bei bestimmten Implementierungen bestimmt das SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 316 die Abgaseigenschaften durch Verarbeiten einer Eingabe von einem beliebigen der verschiedenen, in der Technik bekannten Sensoren wie etwa Massenstrom- und Temperatursensoren.
Das SCR-Katalysatorbetttemperatur-Modul 318 kann betrieben werden, die Betttemperatur des SCR-Katalysators 152 zu bestimmen. Die Betttemperatur des SCR-Katalysators 152 kann auf der Basis von einem oder mehreren, in dem SCR-Katalysator eingebetteten Temperatursensoren, wie etwa dem Temperatursensor 124D, bestimmt oder durch ein Modul vorhergesagt werden (siehe z. B. AMOX-Katalysatorbetttemperatur-Modul 386 von 13), das verschiedene Betriebsparameter des Systems wie etwa die Abgasmassenströmungsrate und die Abgastemperatur vor und nach dem SCR-Katalysator 152 verwendet. Wenngleich die dargestellten Ausführungsformen einen SCR-Katalysatorbetttemperatur-Sensor 124D zum Bestimmen der Temperatur des SCR-Katalysatorbetts verwenden, wird dementsprechend bei anderen Ausführungsformen der Sensor durch ein SCR-Katalysatorbetttemperatur-Modul ersetzt oder ergänzt, das betätigt werden kann, die Temperatur des SCR-Katalysatorbetts vorherzusagen oder zu schätzen.
Das SCR-Katalysatoreinlass-NO_x-Modul 320 kann betätigt werden, die Konzentration von NO_x in dem Abgas am Einlass des SCR-Katalysators 152 zu bestimmen. Die NO_x-Konzentration kann auf der Basis von vorbestimmten Abgasbedingungen entsprechend vorbestimmten Betriebsbedingungen des Motorsystems 10 vorhergesagt werden. Beispielsweise kann das Modul 320 auf eine Abgaseigenschaftenkarte, eine Abgaseigenschaftentabelle oder einen Abgaseigenschaftenvektor zugreifen wie etwa die oder den oben beschriebenen, um die NO_x-Konzentration in dem Abgas zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann die Konzentration von NO_x in dem Abgas beim Eintritt in den SCR-Katalysator 152 unter Einsatz des vor dem SCR-Katalysator positionierten ersten NO_x-Sensors 164A gemessen werden.
Das SCR-Katalysatorraumgeschwindigkeits-Modul 322 kann betätigt werden, die Raumgeschwindigkeit des SCR-Katalysators 152 zu bestimmen. Allgemein stellt die Raumgeschwindigkeit des SCR-Katalysators 152 die NO_x-Menge in dem Abgasstrom dar, die innerhalb des SCR-Katalysators über eine gegebene Zeit reagieren kann. Dementsprechend wird die Raumgeschwindigkeit des SCR-Katalysators 152 in der Regel als pro Zeiteinheit dargestellt, z. B. 1/Stunde, 1000/Stunde usw. Die Raumgeschwindigkeit des SCR-Katalysators 152 basiert auf verschiedenen Abgas- und Katalysatorzuständen. Beispielsweise kann die Raumgeschwindigkeit mindestens teilweise auf dem Volumen und/oder der Reaktion oder dem Bett, dem Flächeninhalt des SCR-Katalysators und der Dichte, Viskosität und/oder Durchflussmenge des Abgases basieren. Bei einigen Implementierungen bestimmt das SCR-Katalysatorraumgeschwindigkeits-Modul 322 die Raumgeschwindigkeit des SCR-Katalysators 152 durch Empfangen von Eingaben hinsichtlich Betriebsbedingungen des Motorsystems 10 und, auf der Basis der Betriebsbedingungen, Erhalten der Raumgeschwindigkeit des SCR für die gegebenen Bedingungen durch Zugreifen auf eine in dem Modul gespeicherte Tabelle oder Karte. Die Tabelle kann verschiedene vorbestimmte Raumgeschwindigkeiten enthalten, die über experimentelle Tests und Kalibrierung für einen gegebenen SCR-Katalysator erhalten wurden, der unter den verschiedenen, von dem Motorsystem 10 erreichbaren Betriebsbedingungen arbeitet.
Das NO_x-Reduktionsreaktionsraten-Modul 324 kann betätigt werden, die Rate vorherzusagen, mit der Ammoniak mit NO_x auf dem SCR-Katalysator 152 reagiert und es reduziert. Die vorhergesagte NO_x-Reaktionsrate hängt mindestens teilweise von der NO_x-Zusammensetzung oder -Konzentration des Abgases und der Häufigkeit der verschiedenen Arten von NO_x-Reduktionsreaktionen, die auf dem SCR-Katalysator 152 stattfinden, ab. Allgemein wird NO_x durch Ammoniak in einer der folgenden drei aktivsten stöchiometrischen chemischen Reaktionen reduziert: NH₃ + 1 / 2NO + 1 / 2NO₂ → N₂ → 3 / 2H₂O (2) NH₃ + NO + 1 / 4O₂ → N₂ + 3 / 2H₂O (3) NH₃ + 3 / 4 NO₂ → 7 / 8 N₂ + 3 / 2 H₂O(4)
Die vorhergesagte NO_x-Reaktionsrate hängt ebenfalls mindestens teilweise von der Ammoniakkonzentrationsrate, der Betttemperatur des SCR-Katalysators 152 und der Raumgeschwindigkeit des SCR-Katalysators ab. Weiterhin hängt bei einigen Implementierungen die vorhergesagte NO_x-Reaktionsrate auch mindestens teilweise von dem Degradationsfaktor oder dem Zustand des SCR-Katalysators 152 ab. Die vorhergesagte NO_x-Reaktionsrate kann als die Summe einer vorhergesagten NO_x-Reaktionsrate zum Reduzieren von NO gemäß Gleichung 2 und 3 oben und einer vorhergesagten NO_x-Reaktionsrate zum Reduzieren von NO₂ gemäß Gleichungen 3 und 4 oben ausgedrückt werden.
Mindestens teilweise auf der Basis der gewünschten NO_x-Umwandlungseffizienz, des NO₂/NO_x-Verhältnisses des Abgases, der Abgasdurchflussmenge, der Temperatur und des Zustandes des Betts des SCR-Katalysators 152, der Menge an NO_x und NH₃ am Einlass des SCR-Katalysators und der NO_x-Reduktionsreaktionsrate bestimmt das Ammoniak-Soll-Modul die Ammoniakzusatzanforderung 326. Bei einigen Ausführungsformen basiert die Ammoniakzusatzanforderung 326 auch mindestens teilweise auf einem durch ein NH₃-Speichermodul 350 bestimmten NH₃-Speichermodifizierer 352, wie unten ausführlicher beschrieben werden wird (siehe 7).
Gemäß einer in 5B gezeigten weiteren Ausführungsform kann die Ammoniakzusatzanforderung, z. B. Ammoniakzusatzanforderung 348, durch das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 bestimmt werden. Das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 empfängt als Eingabe das gewünschte Endrohr-NO_x-Niveau 306, die aus dem Endrohr austretende NH₃-Menge nach Erfassung durch den Endrohr-NH₃-Sensor 166C, den NH₃-Speichermodifizierer 352 und einen korrigierten Endrohr-NO_x-Wert 399 (siehe 16). Weiterhin enthält das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 ein Abgasströmungseigenschaften-Modul 345 und ein Endrohr-NO_x-Rückkopplungs-Modul 347. Im Gegensatz zu dem Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310 basiert das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 hauptsächlich auf den Eigenschaften des Abgasstroms nach dem Durchtritt durch den SCR-Katalysator 152 und justiert die Reduktionsmitteldosierrate, um Fehler und Unstimmigkeiten in dem SCR-System 150 zu kompensieren.
Das Abgasströmungseigenschaften-Modul 345 kann betrieben werden, verschiedene Zustände des Abgasstroms, z. B. Temperatur, Durchflussmenge usw., auf eine Weise ähnlich der zu bestimmen, die oben in Relation zu dem SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 316 beschrieben ist.
Das Endrohr-NO_x-Rückkopplungs-Modul 347 kann betätigt werden, einen Endrohr-NO_x-Rückkopplungswert zu bestimmen, der von dem Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 genutzt werden kann, um die Ammoniakzusatzanforderung 348 zu bestimmen. Der Endrohr-NO_x-Rückkopplungswert berücksichtigt Unstimmigkeiten im SCR-System 150 wie etwa Modulierungsfehler, Katalysatoralterung, Sensoralterung, Reduktionsmittelkonzentrationsvariationen, Reduktionsmittelinjektorverzögerungen, die die Effizienz des Systems reduzieren können. Deshalb kann das Endrohr-NO_x-Rückkopplungs-Modul 396 betrieben werden, den Endrohr-NO_x-Rückkopplungswert zu modulieren, um die Effizienz des SCR-Systems 150 zu steigern und die gewünschte NO_x-Umwandlungseffizienz trotz Unstimmigkeiten, die im System vorliegen können, zu erreichen.
Das Endrohr-NO_x-Rückkopplungsmodul 347 generiert den Endrohr-NO_x-Rückkopplungswert durch Vergleichen der erfassten NO_x-Menge nach Detektion durch den Endrohr-NO_x-Sensor 164D mit der gewünschten oder angestrebten Endrohr-NO_x-Menge 306. Dementsprechend hängt der Endrohr-NO_x-Rückkopplungswert mindestens teilweise von der Differenz zwischen dem erfassten Endrohr-NO_x und dem angestrebten oder erwünschten Endrohr-NO_x 306 ab. Allgemein gilt, je größer die Differenz zwischen dem erfassten Endrohr-NO_x und dem angestrebten Endrohr-NO_x 306, umso größer ist die Ammoniakzusatzanforderung 348. Falls beispielsweise die erfasste Menge an Endrohr-NO_x im Vergleich zu dem angestrebten Endrohr-NO_x 306 relativ hoch ist, dann kann das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 die Ammoniakzusatzanforderung 348 erhöhen. Wie unten ausführlicher erläutert wird, kann eine Erhöhung der Ammoniakzusatzanforderung 348 dazu führen, dass dem Abgasstrom für eine erhöhte NO_x-Umwandlung auf dem SCR-Katalysator 152 mehr Reduktionsmittel zugesetzt wird. Falls umgekehrt die erfasste Menge an Endrohr-NO_x im Vergleich zu dem angestrebten Endrohr-NO_x 306 relativ niedrig ist, dann kann das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 die Ammoniakzusatzanforderung senken, was folglich dazu führen kann, dass dem Abgasstrom weniger Reduktionsmittel zugesetzt wird, um Reduktionsmittel einzusparen, und um somit die Effizienz des SCR-Systems 150 zu erhöhen.
Wegen der Querempfindlichkeit einiger NO_x-Sensoren zu Ammoniak wird bei bestimmten Ausführungsformen das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 von dem SCR-System 150 dazu benutzt, die Ammoniakzusatzanforderung nur dann zu generieren, wenn kein Ammoniak aus dem SCR-System 150 entweicht, das heißt aus dem Endrohr entweicht. Ob Ammoniak aus dem Endrohr entweicht, kann von dem Endrohr-NH₃-Sensor 166C erfasst und/oder von dem AMOX-NH₃-Umwandlungsmodul 380 vorhergesagt werden, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
Der Controller 130 enthält bei bestimmten Ausführungsformen einen nichtgezeigten Steuerlogikwahlalgorithmus, der konfiguriert ist, eine der Ammoniakzusatzanforderungen 326, 348 zu wählen, um als die Ammoniakzusatzanforderung für das SCR-System 150 zu wirken, basierend mindestens teilweise darauf, ob NH₃ aus dem Endrohr entweicht. Mit anderen Worten kann das zum Bestimmen der Ammoniakzusatzanforderung für das SCR-System 150 verwendete Modul auf der Basis dessen geschaltet werden, ob das SCR-System in einem Endrohr-NH₃-Schlupfmodus oder in einem Endrohr-NH₃-Nicht-Schlupf-Modus arbeitet. Wenn insbesondere NH₃ aus dem Endrohr entweicht, wird die von dem Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310 bestimmte Ammoniakzusatzanforderung 326 an das Reduktionsmittel-Soll-Modul 330 gemeldet und bei der Bestimmung der Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 verwendet (siehe 8). Wenn umgekehrt kein NH₃ aus dem Endrohr entweicht, wird die von dem Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 bestimmte Ammoniakzusatzanforderung 348 an das Reduktionsmittel-Soll-Modul 330 gemeldet und bei der Bestimmung der Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 verwendet. Bei einigen Implementierungen bestimmt der Steuerlogikwahlalgorithmus des Controllers 130 die Ammoniakzusatzanforderung auf der Basis einer Kombination, z. B. eines Mittelwerts, der Ammoniakzusatzanforderungen 326, 348 ungeachtet dessen, ob Ammoniak aus dem Endrohr entweicht. Bei bestimmten Implementierungen kann die Ammoniakzusatzanforderung 326 gemäß der Ammoniakzusatzanforderung 348 justiert werden.
Bei einigen Ausführungsformen enthält das Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 einen nichtgezeigten Signalkorrekturalgorithmus, der konfiguriert ist, das Signal von dem Endrohr-NO_x Sensor 164D derart zu filtern, dass sich das Signal dazu eignet, eine präzisere NO_x-Konzentration am Endrohr zu liefern, wenn Ammoniak aus dem Endrohr entweicht. Dementsprechend kann die von dem Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 generierte Ammoniakzusatzanforderung 348 während des Betriebs in dem Endrohr-NH₃-Schlupf- oder Nicht-Schlupf-Modus an das Reduktionsmittel-Soll-Modul 330 gemeldet werden.
Wie oben beschrieben kann der Controller 130 mit dem Mitkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 310, dem Rückkopplungs-Ammoniak-Soll-Modul 344 oder beiden eine Ammoniakzusatzanforderung für das SCR-System 150 bestimmen. Nach der Bestimmung wird die Ammoniakzusatzanforderung, z. B. Ammoniakzusatzanforderung 326, Ammoniakzusatzanforderung 348 oder eine Kombination aus beiden, an das Reduktionsmittel-Soll-Modul 330 oder genauer an das inverse Reduktionsmittelhydrolysemodul 334 des Reduktionsmittel-Soll-Moduls gemeldet. Wie im Folgenden verwendet, wird die an das Reduktionsmittel-Soll-Modul 330 gemeldete Ammoniakzusatzanforderung als die Ammoniakzusatzanforderung 326 bezeichnet. Dennoch ist zu erkennen, dass jede Bezugnahme auf die Ammoniakzusatzanforderung 326 mit der Ammoniakzusatzanforderung 348 oder einer Kombination aus den Ammoniakzusatzanforderungen 326, 348 substituiert werden kann.
Reduktionsmittel-Soll-Modul
Unter Bezugnahme auf 6 enthält das Reduktionsmittel-Soll-Modul 330 ein Reduktionsmittelhydrolysemodul 333 und ein inverses Reduktionsmittelhydrolysemodul 334. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, kann das Reduktionsmittelhydrolysemodul 333 betätigt werden, eine aktuelle SCR-Katalysatoreinlass-NH₃-Durchflussmenge 335 und eine aktuelle SCR-Katalysatoreinlass-HNCO-Durchflussmenge 336 auf der Basis der aktuellen Reduktionsmitteldosierrate zu bestimmen (siehe 7). Die aktuelle SCR-Katalysatoreinlass-NH₃-Durchflussmenge 335 und die aktuelle SCR-Katalysatoreinlass-HNCO-Durchflussmenge 336 werden dann an andere verschiedene Module des Steuersystems 150 gemeldet. Im Gegensatz zu dem Reduktionsmittelhydrolysemodul 333 kann das inverse Reduktionsmittelhydrolysemodul 334 betätigt werden, die Ammoniakzusatzanforderung 326 von dem Ammoniak-Soll-Modul 310 zu empfangen und eine Reduktionsmittelinjektionsanforderung oder Dosierrate 332 zu bestimmen, d. h. die Menge an Reduktionsmittel, die erforderlich ist, um die Ammoniakzusatzanforderung 326 zu erreichen (siehe 8). Auf der Basis der Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 befiehlt der Controller 130 den SCR-Systemsteuerungen bzw. -regelungen, eine der Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 entsprechende Menge an Reduktionsmittel zu injizieren. Bei einigen Ausführungsformen wird die Reduktionsmittelinjektionsanforderung modifiziert, wie in der am 5. Dezember 2008 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/120,304 beschrieben, die durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Bei dem Reduktionsmittel kann es sich um ein beliebiges von verschiedenen, in der Technik bekannten Reduktionsmitteln handeln. Beispielsweise ist bei einer Implementierung das Reduktionsmittel Ammoniak. Bei anderen Implementierungen ist das Reduktionsmittel Harnstoff, das in Ammoniak und andere Komponenten zerfällt, wie unten ausführlicher beschrieben werden wird.
Reduktionsmittelhydrolysemodul
Wieder unter Bezugnahme auf 7 enthält das Reduktionsmittelhydrolysemodul 333 eine NH₃-Umwandlungseffizienztabelle 337, eine Isocyansäure-(HNCO-)Umwandlungseffizienztabelle 338 und ein SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 339. Das SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 339 kann betätigt werden, den Massenstrom des Abgasstroms auf eine Weise zu bestimmen, die ähnlich der ist, die oben in Relation zu dem SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 316 von 5 beschrieben wurde. Das Reduktionsmittelhydrolysemodul 333 kann in datenempfangender Kommunikation mit dem Reduktionsmittelzuführmechanismus 190, um eine aktuelle Reduktionsmitteldosierrate 383 zu empfangen, und dem Abgastemperatursensor 124B, um die Temperatur des Abgases zu empfangen, kommunizieren.
Wie oben beschrieben kann bei Implementierungen, wo das Reduktionsmittel Harnstoff ist, das Reduktionsmittelhydrolysemodul 333 betrieben werden, die in den SCR-Katalysator 152 eintretende Menge an Ammoniak und Isocyansäure zu bestimmen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Reduktionsmittelhydrolysemodul 333 betätigt werden, dem schematischen Flussdiagramm 400 von 9 zu folgen, um die aktuellen SCR-Katalysatoreinlass-NH₃- bzw. HNCO-Durchflussmengen 335, 336 zu bestimmen. Die Abgastemperatur wird bei 410 etwa durch den Temperatursensor 124B erfasst oder geschätzt, und der Abgasmassenstrom wird von dem SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 339 bei 420 geschätzt. Mindestens teilweise auf der Basis der bei 410 bestimmten Abgastemperatur und dem bei 420 bestimmten Abgasmassenstrom wird die Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu NH₃ bei 430 und die Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu Isocyansäure (HNCO) bei 440 bestimmt. Dementsprechend sind die Umwandlungseffizienzen von Harnstoff zu NH₃ und Isocyansäure eine Funktion der Abgastemperatur und des Massenstroms. Die NH₃- und HNCO-Umwandlungseffizienzen werden bestimmt, indem die Abgastemperatur und der Massenstrom mit einem oder mehreren vorbestimmten Effizienzwerten verglichen werden, die auf NH₃- bzw. HNCO-Umwandlungseffizienznachschlagetabellen 337, 338 stehen.
Gemäß der durch das SCR-Einlass-Ammoniak- und -Isocyansäure-Modul 360 von dem Reduktionsmittel-Soll-Modul 330 empfangenen Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 wird Harnstoff durch einen Harnstoffinjektor bei 450 in den Abgasstrom injiziert. Der Harnstoff vermischt sich mit dem durch ein Abgasrohr strömenden Abgasstrom zwischen dem Harnstoffinjektor und der Oberfläche des SCR-Katalysators 152. Während der Harnstoff entlang dem Abgasrohr strömt, reagiert er mit dem Abgas unter Ausbildung von NH₃ bei 460 und HNCO bei 470. Das NH₃ und HNCO in dem Abgasstrom treten dann als die aktuelle SCR-Katalysatoreinlass-NH₃-Durchflussmenge 335 bzw. die aktuelle SCR-Katalysatoreinlass-HNCO-Durchflussmenge 336 in den SCR-Katalysator 152 ein. Nachdem die HNCO in den SCR-Katalysator 152 eingetreten ist, fördert das Katalysatorbett eine Reaktion zwischen mindestens einem Teil der HNCO und Wasser (H₂O) in dem Abgasstrom, um bei 480 zusätzliches NH₃ auszubilden. Die aktuelle SCR-Katalysatoreinlass-NH₃-Durchflussmenge 335 und die aktuelle HNCO-zu-NH₃-Durchflussmenge 341, d. h. das NH₃ von der Umwandlung von HNCO zu NH₃, die innerhalb des SCR-Katalysators 152 bei 480 stattfindet, werden kombiniert, um eine Schätzung der Ammoniakgesamtmenge innerhalb des SCR-Katalysators zu liefern, d. h. die aktuelle SCR-Katalysator-NH₃-Durchflussmenge 343. Die geschätzte HNCO-Menge, die bei 480 nicht in NH₃ umgewandelt wurde, strömt mit einer SCR-Katalysatorauslass-HNCO-Durchflussmenge 349 durch den SCR-Katalysator 152 und aus diesem heraus.
Wie oben erörtert hängt die in NH₃ umgewandelte Harnstoffmenge mindestens teilweise von der NH₃-Umwandlungseffizienz ab. In einer Idealsituation beträgt die NH₃-Umwandlungseffizienz 100%, so dass aller Harnstoff in zwei Teile Ammoniak und einen Teil Kohlendioxid ohne irgendeine Zwischenumwandlung in HNCO gemäß der folgenden Gleichung umgewandelt wird: NH₂-CO-NH₂(aq) + H₂O → 2NH₃(g) + CO₂ (5)
Tatsächlich liegt die NH₃-Umwandlungseffizienz in der Regel unter 100%, so dass der Harnstoff in Ammoniak und Isocyansäure gemäß der folgenden Gleichung übergeht: NH₂-CO-NH₂(s) → NH₃(g) + HNCO(g) (6)
Die restliche Isocyansäure geht entsprechend der HNCO-Umwandlungseffizienz in Ammoniak und Kohlendioxid CO₂ über. In idealen Situationen beträgt die HNCO-Umwandlungseffizienz 100%, so dass alle Isocyansäure innerhalb des SCR-Katalysators 152 in einen Teil Ammoniak und einen Teil Kohlendioxid gemäß der folgenden Gleichung übergeht. HNCO(g) + H₂O(g) → NH₃(g) + CO₂(g) (7)
Die HNCO-Umwandlungseffizienz liegt jedoch in der Regel unter 100%, so dass ein Teil der HNCO in Ammoniak und Kohlendioxid übergeht und der restliche Teil der HNCO innerhalb des SCR-Katalysators 152 nicht umgesetzt wird.
Die Durchflussmenge von NH₃ in dem SCR-Katalysator 152 (ṅ_NH₃(s)) pro Durchflussmenge an injiziertem Harnstoff (ṅ_Harnstoff(s)) wird gemäß der folgenden Gleichung geschätzt:
wobei τ die Mischzeitkonstante, s eine für die Laplace-Transformationen verwendete komplexe Variable, L die charakteristische Mischlänge, x der Abstand von dem Harnstoffinjektor zu dem SCR-Katalysatoreinlass oder der SCR-Katalysatorfläche und ☐_NH₃ die NH₃-Umwandlungseffizienz von Harnstoff ist, die auf dem Massenstrom (ṁ) und der Temperatur (T) des Abgases basiert. Die komplexe Variable s kann als σ + jω ausgedrückt werden, wobei σ die Amplitude und ω die Frequenz einer mit einer gegebenen Harnstoffdosierrateneingabe assoziierten sinusförmigen Welle darstellt. Die Mischzeitkonstante wird mindestens teilweise auf der Basis des Heavy Duty Transient Cycle des FTP (Federal Test Procedure) für die Emissionsprüfung von Hochleistungsstraßenmotoren im Voraus bestimmt. Unter der Annahme einer Umwandlungseffizienz von 100% wird die Mischzeitkonstante mit den FTP-Daten abgestimmt, um vorübergehende Fehlanpassungen zu eliminieren. Die charakteristische Länge L ist als die lineare Hauptabmessung des Abgasrohrs definiert, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Abgasstrom verläuft. Bei einem zylindrischen Abgasrohr beispielsweise ist die lineare Hauptabmessung der Durchmesser des Rohrs. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der Abstand von dem Harnstoffinjektor zu der SCR-Katalysatorfläche x zwischen etwa dem 5- und 15-fachen der charakteristischen Länge. Bei spezifischen Implementierungen beträgt der Abstand x etwa das 10-fache der charakteristischen Länge.
Analog wird die Durchflussmenge von Isocyansäure (HNCO) in den SCR-Katalysator 152 (ṅ_HNCO(s)) pro Durchflussmenge an injiziertem Harnstoff (ṅ_Harnstoff(s)) gemäß der folgenden Gleichung geschätzt:
wobei η_HNCO die Effizienz der Umwandlung von HNCO aus Harnstoff ist. Die Umwandlungseffizienzen von Harnstoff zu Ammoniak (η_NH₃) und Harnstoff zu Isocyansäure (η_HNCO) wird auf der Basis von Betriebsparametern des Motorsystems 10 im Voraus bestimmt. Bei einigen Implementierungen werden die Umwandlungseffizienzen abgestimmt, indem eine Messung des NH₃ und HNCO an dem Einlass des SCR-Katalysators 152 mit der erwarteten Menge an NH₃ und HNCO auf der Basis der stöchiometrischen Reaktion von Gleichung 6 verglichen wird, während Harnstoff mit spezifischen Massenströmen und Temperaturen in das Abgas dosiert wird.
Inverses Reduktionsmittelhydrolysemodul
Nunmehr unter Bezugnahme auf 8 kann mindestens teilweise auf der Basis der von dem Ammoniak-Soll-Modul 310 empfangenen Ammoniakzusatzanforderung 326 das inverse Reduktionsmittelhydrolysemodul 334 des Reduktionsmittel-Soll-Moduls 330 betätigt werden, die Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 zu bestimmen, um die von dem Ammoniak-Soll-Modul 310 generierte Ammoniakzusatzanforderung 326 zu erzielen. Bei einigen Implementierungen ist der von dem inversen Reduktionsmittelhydrolysemodul 334 zum Bestimmen der Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 verwendete Prozess ähnlich dem im Flussdiagramm 400 dargestellten Prozess, aber invertiert. Mit anderen Worten können die gleichen Techniken, wie sie im Flussdiagramm 400 zum Bestimmen der aktuellen SCR-Katalysatoreinlas-NH₃-Durchflussmenge 335 verwendet werden, dazu eingesetzt werden, die Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 zu bestimmen, aber in einer anderen Reihenfolge.
Beispielsweise ist in dem Flussdiagramm 400 die tatsächliche Harnstoffdosierrate bekannt und wird zum Bestimmen des Flusses von NH₃ in dem SCR-Katalysator 152 verwendet. Im Gegensatz dazu ist bei dem durch das inverse Reduktionsmittelhydrolysemodul 334 verwendeten Prozess die Ammoniakzusatzanforderung 326, zum Beispiel der gewünschte oder geschätzte Fluss von NH₃ in dem SCR-Katalysator 152, bekannt und wird zum Bestimmen der entsprechenden Reduktionsmittelinjektionsanforderung, zum Beispiel Dosierrate, verwendet, die erforderlich ist, um die gewünschte NH₃-Durchflussmenge zu erreichen. Die Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 wird bestimmt, indem die Hydrolyseraten und Umwandlungseffizienzen von Harnstoff zu NH₃ und HNCO auf der Basis der Temperatur und des Massenstroms des Abgasstroms vorhergesagt werden. Beispielsweise kann das inverse Reduktionsmittelhydrolysemodul 334 eine NH₃-Umwandlungseffizienztabelle, eine HNCO-Umwandlungseffizienztabelle und ein SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul ähnlich dem Reduktionsmittelhydrolysemodul 333 enthalten. Alternativ kann das inverse Reduktionsmittelhydrolysemodul 334 auf die NH₃-Umwandlungseffizienztabelle 337, die HNCO-Umwandlungseffizienztabelle 338 und den Ausgang des SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Moduls 339 des Reduktionsmittelhydrolysemoduls 333 zugreifen.
Bei einigen Implementierungen wird, wenn die gewünschte Durchflussmenge von NH₃ in den SCR-Katalysator 152 (ṅ_NH₃(s)), z. B. die Ammoniakzusatzanforderung, bekannt ist, die Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 aus Gleichung 8 oben bestimmt, indem nach der Durchflussmenge von injiziertem Harnstoff ṅ_Harnstoff(s) gelöst wird. Bei einer spezifischen Implementierung ist die als mL/hr ausgedrückte Reduktionsinjektionsanforderung 332 etwa gleich: mL / hrUrea ≈ 1.85·f(a)·ṁNO_x (10) wobei ṁNO_x gleich dem Massenstrom der NO_x-Gesamtmenge in dem Abgasstrom ausgedrückt als Gramm/Stunde ist und f(a) eine dimensionslose stückweise Funktion ist, wo a gleich dem oben in Gleichung 1 ausgedrückten NO₂/NO_x-Verhältnis ist. Wenn NO größer oder gleich NO₂ ist, d. h. NO₂/NO_x ≤ 0,5, ist f(a) etwa gleich eins, und wenn NO kleiner oder gleich NO₂ ist, d. h. NO₂/NO_x ≥ 0,5, dann ist f(a) gleich: 2(a + 1) / 3 (11)
Bei einer weiteren spezifischen Ausführungsform wird die Reduktionsinjektionsanforderung 332 auf der Basis der idealen stöchiometrischen Umwandlung von Harnstoff zu Ammoniak und der idealen stöchiometrischen Reduktion von NO_x auf dem SCR-Katalysator 152 bestimmt. Wenn die Konzentration von NO in dem Abgasstrom größer oder gleich der Konzentration von NO₂ in dem Abgas ist, wird die Harnstoffmenge zum Reduzieren eines Gramms von NO_x durch Gleichung 12 unten dargestellt. Wenn die Konzentration von NO in dem Abgas kleiner oder gleich der Konzentration von NO₂ in dem Abgas ist, wird die Harnstoffmenge zum Reduzieren von einem Gramm NO_x durch Gleichung 13 unten dargestellt, wobei a gleich dem oben in Gleichung 1 ausgedrückten NO₂/NO_x-Verhältnis ist. MW_Harnstoff ist, wie in Gleichung 12 und 13 ausgedrückt, das Molgewicht des zu injizierenden Harnstoffs und
das Molgewicht von NO_x in dem Abgasstrom.
Auf der Basis der Gleichungen 12 und 13 kann die Durchflussmenge von Harnstoff als Gramm pro Sekunde als der Massenstrom von
in dem Abgasstrom ausgedrückt werden. Wenn beispielsweise die NO-Menge in dem Abgasstrom größer oder gleich der NO₂-Menge in dem Abgasstrom ist, kann die Durchflussmenge von Harnstoff gemäß der folgenden Gleichung ausgedrückt werden:
wobei MW_Harstoff das Molgewicht von Harnstoff und
das Molgewicht von NO_x in dem Abgasstrom ist. Wenn die NO-Menge in dem Abgasstrom kleiner oder gleich der NO₂-Menge in dem Abgasstrom ist, kann die Durchflussmenge von Harnstoff gemäß der folgenden Gleichung ausgedrückt werden:
Bei einigen Implementierungen kann das inverse Reduktionsmittelhydrolysemodul 334 in datenempfangender Kommunikation mit dem Reduktionsmittelmodifizierermodul 390 kommunizieren, um eine Reduktionsmittelmodifiziereranforderung 342 zu empfangen (siehe 15). Wie unten ausführlicher beschrieben wird, enthält die Reduktionsmittelmodifiziereranforderung 342 Anweisungen zum Erhöhen oder Senken der Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 auf der Basis dessen, ob eine oder mehrere reduktionsmittelbegrenzende Bedingungen vorliegen. Dementsprechend kann das inverse Reduktionsmittelhydrolysemodul 334 betätigt werden, die Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 gemäß der Reduktionsmittelmodifiziereranforderung 342 zu modifizieren.
Ammoniakspeichermodul
Unter Bezugnahme auf 10 kann das NH₃-Speichermodul 350 betätigt werden, einen Ammoniakspeichermodifizierer oder Speicherkompensationsbefehl 352 zu bestimmen. Allgemein enthält der Ammoniakspeichermodifizierer 352 Informationen hinsichtlich des Zustands des Ammoniakspeichers auf dem SCR-Katalysator 152. Insbesondere enthält der Ammoniakspeichermodifizierer 352 Anweisungen darüber, ob das in den SCR-Katalysator 152 eintretende Ammoniak erhöht oder abgesenkt werden sollte, ob z. B. die Ammoniakzusatzanforderung erhöht oder abgesenkt werden sollte. Das Ammoniak-Soll-Modul 310 kann in datenempfangender Kommunikation mit dem NH₃-Speichermodul 350 kommunizieren, um den Ammoniakspeichermodifizierer 352 als einen Eingangswert zu empfangen. Auf der Basis des Ammoniakspeichermodifizierers 352 kann das Ammoniak-Sollmodul 310 betätigt werden, die Ammoniakzusatzanforderung 326 zu justieren, z. B. zu erhöhen oder zu reduzieren, um Modulationen bei der Ammoniakspeicherkonzentration auf dem SCR-Katalysator 152 zu kompensieren und eine ausreichende Menge von gespeichertem NH₃ auf dem SCR-Katalysator für vorübergehende Operationen des Motors 11 beizubehalten.
Wie oben erörtert wird die Leistung des SCR-Systems 150 durch die Umwandlungseffizienz von NO_x in dem Abgasstrom und die Ammoniakmenge definiert, die aus dem Endrohr sowohl über stationäre als auch instationäre Tastverhältnisse bzw. Arbeitszyklen ausgetreten ist. Während instationären Tastverhältnissen bzw. Arbeitszyklen sind die Antwort von herkömmlichen Steuersystemen, die nur die NO_x-Konzentration am Endrohrauslass überwachen, durch die Dynamik des Reduktionsmitteldosiersystems, die Querempfindlichkeit des NO_x-Sensors zu NH₃ und andere Faktoren begrenzt. Dementsprechend können herkömmliche Steuersysteme während instationären Tastverhältnissen bzw. Arbeitszyklen möglicherweise instabile Rückkopplungssteuerungen bzw. -regelungen aufweisen. Um die Antwort und die Rückkopplungssteuerungen bzw. -regelungen während instationärer Tastverhältnisse bzw. Arbeitszyklen zu verbessern, nutzt das SCR-System 150 das auf dem SCR-Katalysator gespeicherte NH₃, um instationäre NO_x-Spitzen zu handhaben, die während eines instationären Betriebs oder instationärer Zyklen des Motors 11 auftreten können. Weiterhin kann das auf dem SCR-Katalysator 152 gespeicherte NH₃ dazu verwendet werden, NO_x zu reduzieren, wenn Motorsystembetriebsbedingungen wie etwa niedrige SCR-Katalysatorbetttemperaturen eine Reduktion oder Eliminierung der Reduktionsmitteldosierung erfordern. Das NH₃-Speichermodul 350 ist konfiguriert, die auf dem SCR-Katalysator 152 gespeicherte Ammoniakmenge zu überwachen und zu regeln, so dass eine ausreichende Menge an gespeichertem NH₃ auf dem SCR-Katalysator gehalten wird, um instationäre NO_x-Variationen und niedrige Katalysatorbetttemperaturen zu berücksichtigen und NH₃-Schlupf zu reduzieren.
Das NH₃-Speichermodul 350 enthält ein aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 und ein Soll-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 356. Die Module 354, 356 verarbeiten eine oder mehrere von dem NH₃-Speichermodul 350 empfangene Eingaben, wie unten ausführlicher erläutert wird.
Aktuelle-Ammoniak-Speicherkonzentrations-Modul
Unter Bezugnahme auf 11 kann das aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 in datenempfangender Kommunikation mit mehreren Sensoren kommunizieren, um von den Sensoren erfasste Daten zu empfangen. In der dargestellten Ausführungsform beinhalten die mehreren Sensoren mindestens den SCR-Katalysatorbetttemperatur-Sensor 124C, die NH₃-Sensoren 166A–C und die NO_x-Sensoren 164A–D. Das aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 kann auch einen Wert der AMOX-NH₃-Umwandlungsfähigkeit 382 und einen korrigierten Endrohr-NO_x-Wert 399 empfangen, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
Das aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 enthält auch ein SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 358, ein NH₃-Fluss-Modul 364, ein SCR-Katalysatoreinlass-NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 366, ein SCR-Katalysatordegradationsfaktor-Modul 368, ein SCR-Katalysator-NH₃-Schlupfmodul 369 und ein NH₃-Desorptions-Modul 375. Auf der Basis der von den Sensoren 124C, 166A–C, 164A–D empfangenen Eingabe, der AMOX-NH₃-Umwandlungsfähigkeit 382 (falls ein AMOX-Katalysator verwendet wird), dem Endrohr-NO_x-Rückkopplungswert 399 und dem Betrieb der Module 358, 364, 366, 368, 369, 375 kann das aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 betrieben werden, die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 (z. B. einen Schätzwert der auf dem SCR-Katalysator 152 gespeicherten aktuellen NH₃-Menge mindestens teilweise auf der Basis der SCR-Katalysatorbetttemperatur), den aktuellen NH₃-Schlupf 372 (z. B. einen Schätzwert der aus dem SCR-Katalysator austretenden aktuellen NH₃-Menge) und die größte NH₃-Speicherkapazität 374 (z. B. einen Schätzwert der maximalen NH₃-Menge, die auf dem SCR-Katalysator gespeichert werden kann, basierend unter aktuellen Bedingungen) zu bestimmen. Der Anteil des zur Verfügung stehenden Speichers auf dem SCR-Katalysator, der gefüllt ist, kann bestimmt werden, indem die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 durch die größte NH₃-Speicherkapazität 374 dividiert wird.
Das SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 358 ist ähnlich dem SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 316 des Ammoniak-Soll-Moduls 310. Beispielsweise kann das Abgaseigenschaften-Modul 358 betätigt werden, verschiedene Eigenschaften des Abgases wie etwa die Temperatur und die Durchflussmenge des Abgases zu bestimmen.
Das NH₃-Flussmodul 364 kann betätigt werden, die Rate zu bestimmen, mit der NH₃ in den SCR-Katalysator 152 fließt. Das NH₃-Flussmodul 364 kann auch Daten hinsichtlich der an dem Endrohrauslass vorliegenden NH₃-Menge nach Erfassung durch den NH₃-Sensor 166C verarbeiten. Der NH₃-Sensor 166C an dem Endrohrauslass unterstützt die Messung und Steuerung des Endrohr-NH₃-Schlupfs durch Bereitstellen von Informationen über den Endrohr-NH₃-Schlupf an verschiedene Module des Controllers 130. Bei einigen Fällen justieren die Module, z. B. das Soll-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 356 und das Reduktionsmittelmodifizierermodul 390, die Harnstoffdosierrate und die Ammoniakspeicher-Solls mindestens teilweise auf der Basis der von dem NH₃-Sensor empfangenen Endrohr-NH₃-Schlupfinformationen.
Das SCR-Katalysatoreinlass-NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 366 ist ähnlich dem SCR-Katalysatoreinlass-NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 314 des Ammoniak-Soll-Moduls 310. Beispielsweise kann das SCR-Katalysatoreinlass-NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 366 betätigt werden, das NO₂/NO_x-Verhältnis des Abgases in dem Abgasstrom nach Gleichung 1 vorherzusagen.
Das SCR-Katalysatordegradationsfaktor-Modul 368 kann betätigt werden, um einen Degradationsfaktor oder einen Zustand des SCR-Katalysators 152 auf eine Weise zu bestimmen, die gleich oder ähnlich dem NO_x-Reduktionseffizienz-Modul 312 des oben beschriebenen Ammoniak-Soll-Moduls 310 ist.
Gemäß einer Ausführungsform bestimmt das aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 die geschätzte aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 mindestens teilweise durch Nutzen des aktuellen Zustands des SCR-Katalysatorbetts, der Größe und Eigenschaften des SCR-Katalysatorbetts und des in den SCR-Katalysator eintretenden Ammoniakflusses. Unter Bezugnahme auf 12 und gemäß einem Ausführungsbeispiel nutzt das NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 das schematische Flussdiagramm 500, um die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 auf dem SCR-Katalysator 152 zu bestimmen. Das Reduktionsmittel-Soll-Modul 330 kann betätigt werden, bei 510 die Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332, z. B. die Harnstoffdosierrate, zu bestimmen. Alternativ kann das aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 in datenempfangender Kommunikation mit dem Reduktionszufuhrmechanismus 190 kommunizieren, um die aktuelle Reduktionsmitteldosierrate 383 zu empfangen. Der SCR-Katalysatorbetttemperatur-Sensor 124C erfasst, oder ein Betttemperaturmodul schätzt, die Temperatur der SCR-Katalysatorbetttemperatur bei 520.
Mindestens teilweise auf der Basis der Temperatur des SCR-Katalysatorbetts, wie bei 520 bestimmt, wird die maximale NH₃-Speicherkapazität 374 bei 530 von dem aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 generiert. Die maximale NH₃-Speicherkapazität 374 hängt von der Temperatur des SCR-Katalysatorbetts ab und kann bestimmt werden, indem die SCR-Katalysatorbetttemperatur mit einer vorkalibrierten Nachschlagetabelle verglichen wird. Die Harnstoffdosierrate, die dem in den SCR-Katalysator 152 eintretenden Ammoniakfluss entspricht, und die SCR-Katalysatorbetttemperatur werden verwendet, um eine NH₃-Auffüll- oder Adsorptionszeitkonstante zu bestimmen, und die SCR-Katalysatorbetttemperatur und der NO_x-Fluss werden zum Bestimmen einer NH₃-Beseitigungs- oder Desorptionszeitkonstante verwendet. Die Zeitkonstanten können aus jeweiligen, beispielsweise auf dem aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 gespeicherten Nachschlagetabellen 540, 550 abgerufen werden.
Eine Bestimmung des SCR-Katalysatormodus erfolgt bei 560. Auf der Basis dessen, ob sich der SCR-Katalysator 152 in einem NH₃-Auffüllmodus oder einem NH₃-Beseitigungsmodus befindet, wird die entsprechende Zeitkonstante (τ) verwendet, um bei 570 die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration (NH₃Storage) gemäß der folgenden Dynamikgleichung erster Ordnung zu berechnen: NH₃Storage = NH₃Storage_MAX( 1 / τs+1) (16) wobei NH₃Storage_MAX die maximale NH₃-Speicherkapazität 374 des SCR-Katalysators 152 und s die für die Laplace-Transformationen verwendete komplexe Variable ist. Mit anderen Worten, falls bei 560 bestimmt wird, dass mehr Ammoniak auf dem SCR-Katalysator 152 gespeichert werden sollte, wird in Gleichung 16 die bei 540 bestimmte NH₃-Adsorptionszeitkonstante verwendet, um die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 zu bestimmen. Falls alternativ bei 560 bestimmt wird, dass Ammoniak aus dem SCR-Katalysator 152 beseitigt werden sollte, wird in Gleichung 16 die bei 550 bestimmte NH₃-Desorptionszeitkonstante verwendet, um die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 zu bestimmen. Dementsprechend basiert die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 mindestens teilweise auf dem Ammoniakfluss, der Temperatur des Katalysators und der Degradation des Katalysators.
Bei mindestens einer Ausführungsform wird der Speichermodus, z. B. Auffüll- oder Beseitigungsmodus, des SCR-Katalysators 152 von dem NH₃-Speichermodul 350 durch Vergleichen der maximalen NH₃-Speicherkapazität 374 mit der aktuellen NH₃-Speicherkonzentration 370 bestimmt. Falls die maximale NH₃-Speicherkapazität 374 unter der aktuellen NH₃-Speicherkonzentration 370 liegt, dann befindet sich der SCR-Katalysator 152 im Desorptionsmodus. Falls analog die maximale NH₃-Speicherkapazität 374 über der aktuellen NH₃-Speicherkonzentration 370 liegt, dann befindet sich der SCR-Katalysator 152 im Adsorptionsmodus.
Die bei 540, 550 verwendeten Nachschlagetabellen enthalten eine Liste der Adsorptions- bzw. Desorptionszeitkonstanten entsprechend verschiedenen möglichen Harnstoffdosierraten und SCR-Katalysatorbetttemperaturen. Bei bestimmten Implementierungen können die Adsorptionszeitkonstanten über stationäres Testen kalibriert werden. Beispielsweise kann der Motor 11 mit spezifischen stationären Modi laufen, so dass die Temperatur des SCR-Katalysatorbetts eine jedem Modus entsprechende spezifische Temperatur erreicht und auf dieser gehalten wird. Vor dem Erreichen jedes Modus ist der SCR-Katalysator 152 sauber, so dass das Katalysatorbett kein gespeichertes Ammoniak enthält, das heißt, die aus dem Motor kommende NO_x-Menge ist gleich der aus dem SCR-Katalysator kommenden NO_x-Menge. Für jeden jeweiligen Modus kann das Reduktionsmittel-Soll-Modul 330 betätigt werden, an den Reduktionsmittelzufuhrmechanismus 190 zu kommunizieren, eine zum Erreichen einer 100%igen Umwandlung von NO_x erforderliche Menge an Reduktionsmittel zu injizieren. Die Reduktionsmittelmenge kann für verschiedene stöchiometrische Reaktionsraten variieren, die beispielsweise im Bereich zwischen etwa 0,5 und etwa 2,0 liegen. Die Zeitdauer zwischen der anfänglichen Reduktionsmitteldosierung und dem Ammoniakschlupf aus dem SCR-Katalysator 152 wird für jeden Modus bei jeder stöchiometrischen Reaktionsdosierrate bestimmt und zum Kalibrieren der Adsorptionszeitkonstanten in der NH₃-Auffüllzeitkonstantentabelle verwendet.
Die Desorptionszeitkonstanten in der NH₃-Beseitigungszeitkonstantentabelle können während des gleichen Tests, der für das Kalibrieren der Adsorptionszeitkonstanten verwendet wird, kalibriert werden. Beispielsweise werden nach dem Beginn des Austretens von NH₃ aus dem SCR-Katalysator 152 wie oben beschrieben der NH₃-Schlupf und das den SCR-Katalysator verlassende NO_x überwacht, bis sie sich stabilisieren oder konstant werden. Nachdem der NH₃-Schlupf und das SCR-Katalysatorauslass-NO_x stabil sind, wird die Harnstoffdosierung unterbrochen und die Zeitdauer zwischen der Unterbrechung der Harnstoffdosierung und dem SCR-Katalysatorauslass-NO_x zum Angleichen des Motorauslass-NO_x wird für jeden Modus bei jeder stöchiometrischen Reaktionsdosierrate bestimmt.
Falls gewünscht, können die Adsorptions- und Desorptionszeitkonstanten weiter kalibriert werden, um einen instationären Betrieb des Motors 11 zu kompensieren. Beispielsweise können FTIR-Messungen (Fourier Transform Infrared) von Ammoniakschlupfwerten und die Zeit zwischen dem Beginn eines instationären FTP-Zyklus und dem Schlupf aus dem SCR-Katalysator zum Feinabstimmen der Adsorptions- und Desorptionszeitkonstanten verwendet werden. Insbesondere können die Zeitkonstanten auf der Basis eines Ansatzes der kleinsten Quadrate justiert werden, der das beste, an die instationären Daten angepasste Modell erster Ordnung liefern kann.
Das Soll-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 356 kann betätigt werden, eine Soll-NH₃-Speicherkonzentration mindestens teilweise auf der Basis der von dem aktuellen-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 bestimmten größten NH₃-Speicherkapazität 374 zu bestimmen. Allgemein bestimmt das Soll-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 356 die Soll-NH₃-Speicherkonzentration durch Multiplizieren der größten NH₃-Speicherkapazität 374 mit einem Ammoniakspeicherkapazitätsanteil. Der Ammoniakspeicherkonzentrationsanteil kann ein beliebiger von verschiedenen Anteilen wie etwa 50%, 75%, 90% oder 100% sein. Der Ammoniakspeicherkonzentrationsanteil wird mindestens teilweise auf der Basis des SCR-Katalysatordegradationsfaktors und des benutzerdefinierten größten zulässigen Ammoniakschlupfs bestimmt.
Nachdem die aktuelle NH₃-Speicherkapazität 370 und die Soll-NH₃-Speicherkonzentration bestimmt sind, verwendet das NH₃-Speichermodul 350 die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 als Rückkopplung und vergleicht die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration und die Soll-NH₃-Speicherkonzentration. Falls die aktuelle-NH₃-Speicherkonzentration unter der Soll-NH₃-Speicherkonzentration liegt, wird der Ammoniakspeichermodifizierer 352 auf einen positiven Wert gesetzt. Falls die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 über der Soll-NH₃-Speicherkonzentration liegt, wird der Ammoniakspeichermodifizierer 352 auf einen negativen Wert gesetzt. Die positiven und negativen Werte können je nach dem variieren, wieviel niedriger oder höher die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 im Vergleich zur Soll-NH₃-Speicherkonzentration ist. Der Ammoniakspeichermodifizierer 352 wird an das Ammoniak-Soll-Modul 310 kommuniziert (siehe 5). Ein Ammoniakspeichermodifizierer 352 mit einem positiven Wert zeigt dem Ammoniak-Soll-Modul 310 an, dass die Ammoniakzusatzanforderung 326 entsprechend heraufgesetzt werden sollte. Im Gegensatz dazu zeigt ein Ammoniakspeichermodifizierer 352 mit einem negativen Wert dem Ammoniak-Soll-Modul 310 an, dass die Ammoniakzusatzanforderung 326 entsprechend herabgesetzt werden sollte.
Das Ausmaß der NH₃-Speicherung auf dem Katalysator 152 kann gesteuert bzw. geregelt werden, indem eine beliebige der verschiedenen Eingaben in das SCR-System 150 gesteuert bzw. geregelt wird. Beispielsweise hängt unter Bezugnahme auf 12 das Ausmaß der Ammoniakspeicherung auf dem SCR-Katalysator 152 von den folgenden, getrennt steuerbaren bzw. regelbaren Faktoren ab: die Harnstoffdosierrate, die SCR-Katalysatorbetttemperatur und die größte SCR-Katalysatorkapazität. Dementsprechend kann der Controller 130 betätigt werden, die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration auf dem SCR-Katalysator 152 selektiv oder kooperativ zu steuern bzw. zu regeln.
Auch der Ammoniakspeichermodifizierer 352 kann entsprechend dem aktuellen NH₃-Speicherschlupf 372, der Anwesenheit oder Abwesenheit eines AMOX-Katalysators wie etwa des AMOX-Katalysators 160 und, falls ein AMOX-Katalysator verwendet wird, der Umwandlungsfähigkeit 382 des AMOX-Katalysators justiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform bestimmt das SCR-Katalysatorammoniakschlupf-Modul 369 den geschätzten aktuellen NH₃-Schlupf 372 aus dem SCR-Katalysator 152, indem es mindestens teilweise das Ammoniak und den NO_x-Fluss, der in den Katalysator eintritt, die Größe und Eigenschaften des SCR-Katalysatorbetts und das Verhältnis von NO zu NO₂ verwendet. Unter Bezugnahme auf 13 und gemäß einem Ausführungsbeispiel nutzt das Ammoniakschlupf-Modul 369 das schematische Flussdiagramm 600, um den aktuellen NH₃-Schlupf 372 aus dem SCR-Katalysator 152 zu bestimmen. Die NO_x-Menge am Einlass des SCR-Katalysators 152 wird bei 610 bestimmt, und die NO_x-Menge am Auslass des SCR-Katalysators wird bei 614 bestimmt. Die NO_x-Einlassmenge kann von dem NO_x-Sensor 164A und/oder 164E erfasst werden, und die NO_x-Auslassmenge kann von dem NO_x-Sensor 164C oder dem NO_x-Sensor 164D erfasst werden. Bei bestimmten Implementierungen können die NO_x-Konzentrationen innerhalb des SCR-Katalysators nach Erfassung durch den NO_x-Sensor 164B von dem SCR-Katalysatorammoniakschlupf-Modul 369 verwendet werden, um eine noch genauere Schätzung des aus dem SCR-Katalysator 152 entweichenden Ammoniaks zu erhalten.
Der NO_x-Sensor 164B liefert, wenn er in den SCR-Katalysator 152 eingebettet ist, gegenüber Systemen nach dem Stand der Technik mehrere Vorteile. Beispielsweise verbessert das Platzieren des NO_x-Sensors 164B in dem SCR-Katalysator 152 das Überwachen des gespeicherten Ammoniak auf dem Katalysator durch Reduzieren des Signal-Rausch-Verhältnisses des NO_x-Sensors. Der NO_x-Sensor 164B kann mit anderen NO_x-Sensoren in dem Abgasnachbehandlungssystem 100 verwendet werden, zum Beispiel den NO_x-Sensoren 164C, 164E, um die räumliche Verteilung von gespeichertem Ammoniak auf dem SCR-Katalysator 152 zu quantifizieren. Bei bestimmten Ausführungsformen enthält der SCR-Katalysator 152 zwei beabstandete Keramikkatalysatorelemente oder -betten, die sich parallel zueinander erstrecken. Der eingebettete NO_x-Sensor 164B kann zwischen den Betten positioniert sein, z. B. innerhalb des Raums zwischen den Betten, an jeder Stelle entlang einer Länge des SCR-Katalysators 152. Bei bestimmten Fällen ist der eingebettete NO_x-Sensor 164B zwischen den Betten an einer etwa zentralen Stelle zwischen den Enden des SCR-Katalysators 152 positioniert.
Um eine etwaige Degradation des Sensors 164D zu berücksichtigen, kann die Ausgabe des NO_x-Sensors 164D wie oben beschrieben in Relation zu dem korrigierten-Endrohr-NO_x-Modul 362 korrigiert werden. Das Verhältnis von NO zu NO₂ in dem Abgasstrom am Einlass des SCR-Katalysators 152 wird bei 612 bestimmt, und das Verhältnis von NO zu NO₂ in dem Abgasstrom an dem Auslass des SCR-Katalysators wird bei 616 bestimmt. Bei einigen Implementierungen kann das SCR-Katalysator-NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 366 betätigt werden, die NO-zu-NO₂-Verhältnisse am Einlass bzw. Auslass des SCR-Katalysators 152 zu bestimmen.
Bei 620 wird die in dem SCR-Katalysator 152 verbrauchte Ammoniakmenge auf der Basis des Nettoverlustes, z. B. der Umwandlung, von NO und NO₂ aus dem Abgasstrom berechnet. Bei einigen Implementierungen wird die Berechnung durch das aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 durchgeführt. Mindestens teilweise auf der Basis des bei 630 bestimmten Stroms von NH₃ in den SCR-Katalysator 152 und der in dem SCR-Katalysator 152 verbrauchten Ammoniakmenge wird bei 640 die NH₃-Überschussmenge in dem SCR-Katalysator bestimmt. Wie oben beschrieben kann die in den SCR-Katalysator 152 strömende NH₃-Menge durch Verwenden des Flussdiagramms 400 von 10 bestimmt werden.
Weiterhin wird bei 660 mindestens teilweise auf der Basis der bei 650 bestimmten aktuellen NH₃-Speicherkonzentration 370, der bei 652 bestimmten Durchflussmenge des Abgasstroms in und durch den SCR-Katalysator 152 und der bei 653 bestimmten Temperatur des SCR-Katalysatorbetts die aus dem Bett des SCR-Katalysators 152 desorbierte Ammoniakmenge bestimmt. Allgemein tritt eine Desorption von Ammoniak auf, wenn es zu einer spezifischen Zunahme der Temperatur des SCR-Katalysatorbetts kommt. Das zum Bewirken einer Desorption von Ammoniak erforderliche Ausmaß des Temperaturanstiegs hängt mindestens teilweise von dem Zustand und dem Typ des verwendeten SCR-Katalysators ab. Wie in 11 gezeigt, kann das aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 das desorbierte-NH₃-Modul 375 enthalten, das betätigt werden kann, die aus dem Bett des SCR-Katalysators 152 desorbierte Ammoniakmenge zu schätzen. Bei bestimmten Implementierungen schätzt das NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 auf der Basis des für eine Reduktionsreaktion auf der SCR-Katalysatoroberfläche verfügbaren NO_x-Überschussflusses die aus dem SCR-Katalysatorbett desorbierte Ammoniakmenge.
Mindestens teilweise auf der Basis der NH₃-Überschussmenge in dem SCR-Katalysator 152, der aus dem SCR-Katalysatorbett desorbierten NH₃-Menge und der auf dem SCR-Katalysator relativ zu der größten NH₃-Speicherkapazität 374 des Katalysators gespeicherten NH₃-Menge, d. h. des von dem gespeicherten Ammoniak belegten Anteils des SCR-Katalysators, wird bei 680 die aus dem SCR-Katalysator entweichende NH₃-Menge geschätzt. Die von dem SCR-Katalysator 152 entweichende NH₃-Menge ist gleich der bei 640 bestimmten Summe der NH₃-Überschussmenge und der bei 660 bestimmten desorbierten NH₃-Menge. Der von gespeichertem Ammoniak belegte Anteil des SCR-Katalysators wird bei 670 bestimmt, indem das auf dem Katalysator nach Bestimmung bei 650 gespeicherte NH₃ durch die beispielsweise bei 530 des Flussdiagramms 500 bestimmte größte NH₃-Speicherkapazität dividiert wird. Falls die auf dem SCR-Katalysator 152 gespeicherte NH₃-Gesamtmenge größer ist als die größte NH₃-Speicherkapazität 374, d. h. der bei 670 bestimmte, ammoniakspeichernde Anteil größer als 1 ist, dann tritt allgemein ein Ammoniakschlupf aus dem Katalysator auf und das Ausmaß des Schlupfes wird bei 680 bestimmt. Falls die NH₃-Gesamtmenge in dem SCR-Katalysator unter der größten NH₃-Speicherkapazität 374 liegt, d. h. der ammoniakspeichernde Anteil kleiner als eins ist, dann tritt kein Ammoniakschlupf auf und das Ausmaß des Ammoniakschlupfes wird nicht bei 680 berechnet. Mit anderen Worten wird das zum Berechnen des Ammoniakschlupfs bei 680 verwendete Modell erst dann aktiv, wenn der SCR-Katalysator 152 voll mit Ammoniak ist oder die SCR-Katalysatorbetttemperatur und die Anstiegsrate der SCR-Katalysatorbetttemperaturen über vorbestimmten Schwellwerten liegen.
Das Ausmaß des NH₃-Schlupfes aus dem Katalysator 152 kann gesteuert bzw. geregelt werden, indem eine beliebige von verschiedenen Eingaben in das SCR-System 150 gesteuert bzw. geregelt wird. Beispielsweise hängt unter Bezugnahme auf 13 das Ausmaß des Ammoniakschlupfs aus dem SCR-Katalysator 152 von den folgenden, separat steuerbaren bzw. regelbaren Faktoren ab: der in SCR-Katalysator fließenden NH₃-Menge nach Bestimmung bei 630; der Abgasdurchflussmenge nach Bestimmung bei 652 und der aktuellen NH₃-Speicherkonzentration nach Bestimmung unter Verwendung des Flussdiagramms 500. Dementsprechend kann der Controller 130 betätigt werden, den NH₃-Schlupf aus dem SCR-Katalysator selektiv oder kooperativ zu steuern bzw. zu regeln.
Falls der aktuelle NH₃-Speicherschlupf 372 relativ hoch ist wie etwa, wenn die Temperatur des SCR-Katalysatorbetts eine vorbestimmte Höhe übersteigt, dann kann das NH₃-Speichermodul betätigt werden, den Ammoniakspeichermodifizierer 352 herabzusetzen. Falls im Gegensatz dazu der aktuelle NH₃-Speicherschlupf 372 relativ niedrig ist, kann das NH₃-Speichermodul dann betätigt werden, den Ammoniakspeichermodifizierer 352 heraufzusetzen oder konstant zu halten.
AMOX-Ammoniakumwandlungs-Modul
Gemäß einer in 14 gezeigten Ausführungsform bestimmt das AMOX-NH₃-Umwandlungs-Modul 380 eine AMOX-NH₃-Umwandlungsfähigkeit oder -effizienz 382, einen Endrohr-NH₃-Schlupf 384 und eine thermische AMOX-Katalysatormasse 385. Allgemein stellt die NH₃-Umwandlungsfähigkeit 382 einen Schätzwert der Fähigkeit des AMOX-Katalysators 160 zum Umwandeln von NH₃ zu N₂ und anderen weniger gefährlichen oder weniger schädlichen Komponenten dar. Der Endrohr-NH₃-Schlupf 384 stellt einen Schätzwert der aus dem AMOX-Katalysator 160 austretenden NH₃-Menge dar. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, ist die thermische AMOX-Masse 385 ein Maß für die Fähigkeit des AMOX-Katalysators, Wärme zu leiten und zu speichern.
Das AMOX-NH₃-Umwandlungs-Modul 380 empfängt eine Eingabe hinsichtlich der Abgasdurchflussmenge 700, die in den AMOX-Katalysator 160 eintritt, und der in den AMOX-Katalysator eintretenden NH₃-Menge. Bei einigen Implementierungen wird die Abgasdurchflussmenge 700 durch das SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 358 des aktuellen-NH₃-Speicherkonzentrations-Moduls 354 (siehe 11) oder ein anderes ähnliches Modul bestimmt. Die in den AMOX-Katalysator 160 eintretende NH₃-Menge kann durch eine NH₃-Eingabe 712 und/oder den aktuellen NH₃-Schlupf 372 dargestellt werden. Insbesondere kann bei einigen Implementierungen das AMOX-NH₃-Umwandlungs-Modul 380 in datenempfangender Kommunikation mit dem aktuellen-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 kommunizieren, um den aktuellen NH₃-Schlupf 372 zu empfangen. Bei diesen Implementierungen kann die in den AMOX-Katalysator 160 eintretende NH₃-Menge auf den aktuellen NH₃-Schlupf 372 gesetzt werden. Bei einigen Implementierungen kann das Steuersystem 150 einen NH₃-Sensor zwischen dem SCR-Katalysator 152 und dem AMOX-Katalysator 160 enthalten. Bei diesen Implementierungen kann die in den AMOX-Katalystor 160 eintretende NH₃-Menge auf die Ausgabe des NH₃-Sensors gesetzt werden. Alternativ kann in gewissen Fällen die in den AMOX-Katalysator 160 eintretende NH₃-Menge auf eine Kombination aus dem aktuellen NH₃-Schlupf 372 und der Ausgabe des NH₃-Sensors gesetzt werden, wie etwa einen Mittelwert des aktuellen NH₃-Schlupfs 372 und der Ausgabe des NH₃-Sensors. Auch das AMOX-NH₃-Umwandlungs-Modul 380 kann in datenempfangender Kommunikation mit verschiedenen anderen Sensoren wie etwa Temperatursensoren 124D, 124E und NO_x-Sensor 164C kommunizieren.
Das AMOX-NH₃-Umwandlungs-Modul 380 enthält mehrere Module einschließlich unter anderem einem AMOX-Katalysatorbetttemperatur-Modul 386, einem NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 387, einem AMOX-Katalysatordegradations-Modul 388 und einem Endrohr-NH₃-Schlupf-Soll-Modul 389.
Das AMOX-Katalysatorbetttemperatur-Modul 386 kann betätigt werden, die Temperatur des AMOX-Katalysatorbetts zu schätzen. Bei einer Implementierung verwendet das AMOX-Katalysatorbetttemperatur-Modul 386 die Eingabe von den Temperatursensoren 124D, 124E, um die Differenz zwischen der Temperatur des Abgases am Einlass des AMOX-Katalysators 160 und der Temperatur des Abgases am Auslass des AMOX-Katalysators zu bestimmen. Mindestens teilweise auf der Basis des Temperaturdifferentials und der Massenstromeigenschaften des Abgasstroms berechnet das AMOX-Katalysatorbetttemperatur-Modul 386 die Temperatur des AMOX-Katalysatorbetts. Alternativ oder zusätzlich zum Schätzen der AMOX-Katalysatorbetttemperatur wie oben beschrieben kann das SCR-System 150 einen an den AMOX-Katalysator 160 gekoppelten nichtgezeigten Temperatursensor enthalten. Das AMOX-Katalysatorbetttemperatur-Modul 386 kann die Ausgabe des AMOX-Katalysatortemperatursensors verwenden, um die Temperatur des AMOX-Katalysatorbetts zu bestimmen.
Ähnlich dem SCR-Katalysator-NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 366 des aktuellen-NH₃-Speicherkonzentrations-Moduls 354 kann das NO₂/NO_x-Verhältnis-Modul 387 des AMOX-NH₃-Umwandlungs-Moduls 380 betätigt werden, das Verhältnis von NO₂ zu NO_x gemäß obiger Gleichung 1 zu bestimmen, wobei NO₂ die Stickstoffdioxidmenge am Einlass des AMOX-Katalysators 160 ist und NO die Stickstoffoxidmenge am Einlass des AMOX-Katalysators ist, wie durch den NO_x-Sensor 164C bestimmt.
Analog dem SCR-Katalysatordegradationsfaktor-Modul 368 des aktuellen-NH₃-Speicherkonzentrations-Moduls 354 kann das AMOX-Katalysatordegradations-Modul 388 betätigt werden, einen AMOX-Katalysatordegradationsfaktor zu bestimmen, der den Zustand des AMOX-Katalysators anzeigt. Bei bestimmten Implementierungen wird der Katalysatordegradationsfaktor durch einen Algorithmus bestimmt, der die Umwandlungseffizienz des „gealterten” AMOX-Katalysators bei vorbestimmten Motorbetriebsbedingungen und Harnstoffdosierraten mit der Umwandlungseffizienz eines „frischen” AMOX-Katalysators unter den gleichen vorbestimmten Bedingungen und Dosierraten vergleicht.
Das Endrohr-NH₃-Schlupf-Soll-Modul 389 kann betätigt werden, ein Endrohr-NH₃-Schlupf-Soll zu bestimmen, d. h. die gewünschte NH₃-Menge, die aus dem AMOX-Katalysator 160 austreten darf. Das Endrohr-NH₃-Schlupf-Soll basiert mindestens teilweise auf einem gewünschten mittleren Ausmaß von NH₃-Schlupf aus dem AMOX-Katalysator und/oder einem gewünschten größten Ausmaß an NH₃-Schlupf aus dem AMOX-Katalysator. Bei einigen Fällen werden sowohl das gewünschte mittlere Ausmaß an NH₃-Schlupf aus dem AMOX-Katalysator als auch das gewünschte größte Ausmaß an NH₃-Schlupf aus dem AMOX-Katalysator verwendet, um sicherzustellen, dass die tatsächlichen Endrohr-Schlupf-Niveaus unter einem von Menschen detektierbaren Schwellwert bleiben. Weiterhin kann das Endrohr-NH₃-Schlupf-Soll auf anderen Faktoren wie etwa aktuellen Emissionsnormen und kundenbasierten Spezifikationen basieren.
Mindestens teilweise auf der Basis von mindestens der Abgasdurchflussmenge, NO_x, und/oder in den AMOX-Katalysator 160 eintretendem Ammoniak, der Temperatur des AMOX-Katalysatorbetts, des Verhältnisses von NO₂/NO_x am Einlass des AMOX-Katalysators, dem Katalysatordegradationsfaktor und/oder dem Endrohr-NH₃-Schlupf-Soll schätzt das AMOX-NH₃-Unmwandlungs-Modul 380 die AMOX-NH₃-Umwandlungsfähigkeit 382, den Endrohr-NH₃-Schlupf 384 und die thermische AMOX-Katalysatormasse 385. Beispielsweise hängen bei einigen Implementierungen die AMOX-NH₃-Umwandlungsfähigkeit 382 und der Endrohr-NH₃-Schlupf 384 von der in den AMOX-Katalysator eintretenden NO_x-Menge, der Temperatur des AMOX-Katalysators und einer Raumgeschwindigkeit des AMOX-Katalysators ab. Weiterhin basiert bei einigen Fällen die thermische AMOX-Katalysatormasse 385 mindestens teilweise auf den geometrischen Abmessungen des AMOX-Katalysators und den Materialeigenschaften des AMOX-Katalysators wie etwa der Wärmeleitfähigkeit und der volumetrischen Wärmekapazität des AMOX-Katalysators ab. In einigen Fällen können die AMOX-NH₃-Umwandlungsfähigkeit 382, der Endrohr-NH₃-Schlupf 384 und die thermische AMOX-Katalysatormasse 385 geschätzt werden, indem auf eine auf dem Controller 130 gespeicherte mehrdimensionale vorkalibrierte Nachschlagetabelle zugegriffen wird.
Je höher die AMOX-Katalysatorumwandlungsfähigkeit 382, umso mehr Toleranz besitzt das SCR-System 150 allgemein gegenüber aus dem SCR-Katalysator 152 entweichendem NH₃. Falls die AMOX-Katalysatorumwandlungsfähigkeit 382 relativ hoch ist, kann dementsprechend zugelassen werden, dass mehr NH₃ aus dem SCR-Katalysator 152 entweicht. Wenn mehr NH₃ aus dem SCR-Katalysator 152 entweicht, können jedoch mehr NH₃-Speicherstellen auf der Oberfläche des SCR-Katalysators 152 vakant sein, was eine Erhöhung der Ammoniakzusatzanforderung 326 erforderlich macht. In einem derartigen Fall kann das NH₃-Speicher-Modul 350 den Ammoniakspeichermodifizierer 352 heraufsetzen, was wiederum die Ammoniakzusatzanforderung 326 erhöhen kann. Wenn im Gegensatz dazu die AMOX-Katalysatorumwandlungsfähigkeit 382 relativ niedrig ist, wird weniger NH₃-Schlupf aus dem SCR-Katalysator 152 toleriert, was dazu führt, dass weniger NH₃ aus dem Speicher auf dem SCR-Katalysator beseitigt wird. Falls aus dem SCR-Katalysator 152 mehr NH₃ entweicht und die AMOX-Katalysatorumwandlungsfähigkeit 382 relativ niedrig ist, kann der Endrohr-NH₃-Schlupf dementsprechend steigen. Deshalb kann in diesen Fällen das NH₃-Speichermodul 350 den Ammoniakspeichermodifizierer 352 herabsetzen oder konstant halten, um die Ammoniakzusatzanforderung 326 herabzusetzen oder konstant zu halten, und/oder das AMOX-NH₃-Umwandlungs-Modul 380 kann die Effektivität des AMOX-Katalysators 160 modulieren, so dass der Endrohr-NH₃-Schlupf gesteuert bzw. geregelt wird.
Bei einigen Implementierungen hängt der Wert 385 der thermischen AMOX-Katalysatormasse von den Materialeigenschaften des AMOX-Katalysatorbetts wie etwa der Wärmeleitfähigkeit und der volumetrischen Wärmekapazität ab. Allgemein ist die thermische Masse 385 ein Maß für die Fähigkeit des AMOX-Katalysators, Wärme zu leiten und zu speichern. Das AMOX-NH₃-Umwandlungs-Modul 380 kann den Wert 385 der thermischen AMOX-Katalysatormasse an das NH₃-Speicher-Modul 350 kommunizieren, das den Wert der thermischen Masse bei seiner Bestimmung des Ammoniakspeichermodifizierers 352 verwenden kann.
Wie oben beschrieben wird die AMOX-NH₃-Umwandlungsfahigkeit und die thermische AMOX-Katalysatormasse 385 an andere Module des Controllers 130 kommuniziert und von diesen verarbeitet. Beispielsweise wird die AMOX-NH₃-Umwandlungsfahigkeit 382 und die thermische AMOX-Katalysatormasse 385 von dem NH₃-Speicher-Modul 350 empfangen und zum Bestimmen des Ammoniakspeichermodifizierers 352 verwendet (siehe 10). Weiterhin wird die AMOX-NH₃-Umwandlungsfähigkeit 382 von dem korrigierten-Endrohr-NO_x-Modul 399 verwendet, um den Endrohr-NO_x-Rückkopplungswert 399 zu bestimmen (siehe 16).
Der durch das AMOX-eingebettete-Modell-NH₃-Umwandlungs-Modul 380 bestimmte Endrohr-NH₃-Schlupf 384 kann an andere Module des Controllers 130 kommuniziert werden. Beispielsweise kann der bestimmte Endrohr-NH₃-Schlupf 384 an das Reduktionsmittelmodifizierermodul 390 (siehe 15) und das korrigierte-Endrohr-NO_x-Modul 397 (siehe 16) kommuniziert werden, um die von dem NH₃-Sensor 166C kommunizierte Endrohr-NH₃-Schlupfmesseingabe zu ersetzen oder zu ergänzen. Beispielsweise kann in bestimmten Fällen der Eingangswert für das Endrohr-NH₃ in die Module 390, 397 ein Mittelwert des bestimmten Endrohr-NH₃-Schlupfs 384 und der Endrohr-NH₃-Schlupfmessung vom Sensor 166C sein, um eine genauere Angabe der aus dem Endrohr entweichenden tatsächlichen NH₃-Menge zu liefern.
Reduktionsmittelmodifizierermodul
Unter Bezugnahme auf 15 kann das Reduktionsmittelmodifizierermodul 390 betätigt werden, mindestens teilweise auf der Basis davon eine Reduktionsmittelmodifiziereranforderung 342 zu bestimmen, ob irgendeine der verschiedenen reduktionsmittelbegrenzenden Bedingungen erfüllt worden sind. Das Reduktionsmittelmodifizierermodul 390 enthält ein Reduktionsmittelmodifiziererbedingungen-Modul 394 und ein SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 395. Allgemein kann das Reduktionsmittelmodifizierermodul 390 betätigt werden, entweder die Reduktionsmitteldosierung zu reduzieren, eine Reduktionsmitteldosierung zu verhindern oder die Reduktionsmitteldosierung unverändert zu lassen, wenn gewisse vorbestimmte Bedingungen des Abgasnachbehandlungssystems 100 erfüllt sind.
Das Reduktionsmittelmodifiziererbedingungen-Modul 394 kann betätigt werden, die Betriebsbedingungen des Motorsystems 10 zu überwachen und zu bestimmen, ob eine oder mehrere reduktionsmittelbegrenzende Bedingungen erfüllt sind. Bei einigen Ausführungsformen zählen zu den reduktionsmittelbegrenzenden Bedingungen unter anderem eine Abgastemperaturgrenze, eine Ammoniakschlupfreduktionsmittelratengrenze und eine SCR-Katalysatorbetttemperaturgrenze.
Die Reduktionsmitteldosierung bei hohen Abgastemperaturen kann das Entstehen von Cyanursäure und Polymeren (z. B. Melamin) auf den Injektor- und Abgasrohrwänden verursachen, was zu einer Leistungsverschlechterung und Beschädigung des Systems führen kann. Beispielsweise kann die Entstehung von Melamin die Düse verstopfen. Um das Entstehen von Cyanursäure zu verhindern, überwacht das Reduktionsmittelmodifizierermodul 390 mit dem Reduktionsmittelmodifiziererbedingungen-Modul 394 die Abgastemperatur und verhindert eine Reduktionsmitteldosierung, z. B. über Anweisungen in der Reduktionsmittelmodifiziereranforderung 342, falls die Abgastemperatur eine vorbestimmte Abgastemperaturgrenze übersteigt. Die aktuelle Abgastemperatur kann von mindestens einem der Temperatursensoren, z. B. Abgastemperatursensor 124C, erfasst und/oder von einem SCR-Katalysatoreinlass-Abgaseigenschaften-Modul 395 ähnlich dem Modul 358 vorhergesagt werden.
Reduktionsmitteldosierung bei hohen SCR-Katalysatorspeicherkapazitäten und SCR-Katalysatorbetttemperaturrampen können ein Entweichen von Ammoniak aus dem SCR-Katalysator 152 verursachen. Um in diesen Situationen den Ammoniakschlupf zu reduzieren, überwacht das Reduktionsmittelmodifizierermodul 390 die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 und die Modulationen der SCR-Katalysatorbetttemperatur gemäß Erfassung durch den Temperatursensor 124D (oder durch ein SCR-Katalysatorbetttemperatur-Modul vorhergesagt, wie oben beschrieben). Falls die aktuelle NH₃-Speicherkonzentration 370 eine mit NH₃-Schlupf assoziierte vorbestimmte NH₃-Speicherkonzentration übersteigt oder falls die Modulation bei der SCR-Katalysatorbetttemperatur eine vorbestimmte SCR-Katalysatorbetttemperaturänderung übersteigt, dann reduziert das Reduktionsmittelmodifizierermodul die Reduktionsmitteldosierrate, z. B. über Anweisungen in der Reduktionsmittelmodifiziereranforderung, so dass NH₃-Schlupf aus dem SCR-Katalysator 152 gesteuert bzw. geregelt wird.
Das Reduktionsmittelmodifizierermodul 390 kann auch betätigt werden, um eine Reduktionsmitteldosierung in dem Fall zu verhindern, dass eine oder mehrere spezifische Komponenten des SCR-Systems 150 eine Fehlfunktion aufweisen oder ansonsten nicht betriebsbereit sind.
Korrigiertes-Endrohr-NO_x-Modul
Unter Bezugnahme auf 16 kann das korrigierte-Endrohr-NO_x-Modul 397 des Controllers 130 betätigt werden, den korrigierten Endrohr-NO_x-Wert 399 zu bestimmen. Das korrigierte-Endrohr-NO_x-Modul 397 kann in datenempfangender Kommunikation mit dem Endrohr-NO_x-Sensor 164D und dem Endrohr-NH₃-Sensor 166C kommunizieren. Das korrigierte-Endrohr-NO_x-Modul 397 kann auch in datenempfangender Kommunikation mit dem aktuellen-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 kommunizieren, um den geschätzten aktuellen NH₃-Schlupf 372 oder die aus dem SCR-Katalysator 152 austretende geschätzte NH₃-Menge zu empfangen. Weiterhin kann das korrigierte-Endrohr-NO_x-Modul 397 in datenempfangender Kommunikation mit dem AMOX-NH₃-Umwandlungs-Modul 380 kommunizieren, um die AMOX-NH₃-Umwandlungsfähigkeit 382 zu empfangen. Das korrigierte-Endrohr-NO_x-Modul 397 enthält auch ein Sensordegradationsmodul 398, das betätigt werden kann, einen Endrohr-NO_x-Sensor-Degradationsfaktor mindestens teilweise auf der Basis des Typs von Sensor, des Alters des Sensors und Betriebsbedingungen des Motorsystems 10 zu bestimmen. In einigen Fällen wird der Endrohr-NO_x-Sensor-Degradationsfaktor durch einen Algorithmus bestimmt, der die NO_x-Sensormessungen bei vorbestimmten Betriebsbedingungen mit bekannten NO_x-Werten vergleicht. Der Degradationsfaktor gibt ein Ausmaß, z. B. einen Prozentsatz an, um den der gemessene NO_x-Sensorwert justiert werden sollte, um die Degradation des NO_x-Sensors und mit den Messungen des degradierten NO_x-Sensors assoziierte Ungenauigkeiten zu berücksichtigen. Bei einigen Implementierungen liegt der korrigierte Endrohr-NO_x-Wert um etwa 10% höher als der gemessene Endrohr-NO_x-Wert.
Das korrigierte-Endrohr-NO_x-Modul 397 verarbeitet die erfasste Endrohr-NO_x-Menge, die erfasste Endrohr-NH₃-Menge, den geschätzten NH₃-Schlupf 372, den NO_x-Sensor-Degradationsfaktor und die AMOX-Umwandlungsfähigkeit 382, um den korrigierten Endrohr-NO_x-Wert 399 zu bestimmen. Der korrigierte Endrohr-NO_x-Wert 399 kann die von dem Endrohr-NO_x-Sensor 164D detektierte erfasste NO_x Menge in der Berechnung der Reduktionsmittelmodifiziereranforderung 342 durch das Reduktionsmittelmodifizierermodul 390 durch eine genauere Angabe der das Endrohr verlassenden NO_x-Menge und eine genauere Reduktionsmittelmodifiziereranforderung ersetzen. Außerdem kann der korrigierte Endrohr-NO_x-Wert 399 an das aktuelle-NH₃-Speicherkonzentrations-Modul 354 kommuniziert und von diesem verarbeitet werden.
On-Board-Diagnosesystem
Bei einigen Ausführungsformen ist das SCR-System 150 an ein On-Board-Diagnosesystem (OBD) mit einer OBD-Schnittstelle 900 gekoppelt (siehe 2). Insbesondere ist der SCR-Systemcontroller 130 elektronisch an die OBD-Schnittstelle 900 gekoppelt und sendet ein Diagnosedatenpaket 920 (siehe 3) hinsichtlich der verschiedenen Komponenten des SCR-Systems 100 an die Schnittstelle. Bei einigen Implementierungen enthält die Schnittstelle 900 ein Indikatorelement, z. B. ein Warnlicht. Auf der Basis des Diagnosedatenpakets 920, falls zum Beispiel das Diagnosedatenpaket 920 kommuniziert, dass eine Komponente nicht ordnungsgemäß funktioniert, wird das Indikatorelement aktiviert, um einen Benutzer über die detektierte, nicht ordnungsgemäß funktionierende Komponente zu warnen. Bei einigen Implementierungen wird das Diagnosedatenpaket 920 an die Schnittstelle 900 kommuniziert, wenn dies von einem Operator angefordert wird. Beispielsweise kann die Schnittstelle 900 ein Verbinder sein, an den ein Abtastwerkzeug gekoppelt ist. Das Diagnosedatenpaket 920 oder assoziierte Diagnosedaten werden dann zur weiteren Auswertung zu dem Abtastwerkzeug hochgeladen.
Unter Bezugnahme auf 2 kann der Controller 130 ein OBD-Modul 910 enthalten, das konfiguriert ist, Diagnosedaten hinsichtlich des SCR-Systems 150 zu sammeln und ein Diagnosedaten darstellendes Diagnosedatenpaket 920 zu generieren. Allgemein empfängt das OBD-Modul 910 Daten von den Modulen 300, 310, 330, 344, 350, 380, 390, 397 hinsichtlich des Betriebs des SCR-Katalysators 152 und des Reduktionsmittelzufuhrsystems 151. Insbesondere bestimmt das OBD-Modul 910 auf der Basis der von den Modulen empfangenen Daten, ob der SCR-Katalysator 152 und das Reduktionsmittelzufuhrsystem 151 mit einer ordnungsgemäßen NO_x-Umwandlungskapazität oder -fähigkeit arbeiten. Das OBD-Modul 910 ist konfiguriert, eine Fehlfunktion des SCR-Systems zu detektieren, wenn die NO_x-Umwandlungskapazität des Systems 150 derart ist, dass die Endrohr-NO_x-Emissionen die geregelte Obergrenze um einen bestimmten geregelten Faktor wie etwa z. B. das 1,75-fache der geregelten Obergrenze übersteigen.
Wenn beispielsweise bei einer Ausführungsform die größte NO_x-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators 152 nach Bestimmung durch das NO_x-Reduktionseffizienzmodul 312 unzureichend ist, um die aus dem Endrohr entweichende NO_x-Menge auf eine Menge unter der geregelten Obergrenze multipliziert mit dem geregelten Faktor zu begrenzen, generiert das OBD-Modul 910 ein Diagnosedatenpaket 920, das eine Fehlfunktion des SCR-Systems anzeigt. Als ein weiteres Beispiel: wenn der Reduktionsmittelzufuhrmechanismus 190 ausreichend degradiert ist, so dass die von dem Zufuhrmechanismus injizierbare größte Reduktionsmittelmenge unzureichend ist, dass der SCR-Katalysator 152 das NO_x auf eine Menge unter der geregelten Obergrenze multipliziert mit dem geregelten Faktor reduzieren kann, generiert das OBD-Modul 910 auch ein Diagnosedatenpaket 920, das eine Fehlfunktion des SCR-Systems anzeigt. Wenngleich nur die Degradation des SCR-Katalysators 152 und des Zufuhrmechanismus 190 spezifisch als eine Ursache zum Anzeigen einer Fehlfunktion des SCR-Systems beschrieben sind, kann das OBD-Modul 910 bei anderen Ausführungsformen ein Diagnosedatenpaket 920 generieren, das eine Fehlfunktion des SCR-Systems anzeigt, wenn die Degradation oder Fehlfunktion irgendwelcher anderer Komponenten des Motorsystems 10 zu der Unfähigkeit des SCR-Systems 150 beitragen, die aus dem Endrohr entweichende NO_x-Menge auf eine Menge unter der geregelten Obergrenze multipliziert mit dem geregelten Faktor zu begrenzen. Zu solchen anderen Komponenten des Motorsystems 10 können das Lufthandhabungssystem, das Kraftstoffzufuhrsystem, das AGR-System, der Oxidationskatalysator, der PM-Filter und der AMOX-Katalysator zählen.
Beispielhaftes Verfahren zum Reduzieren von NO_x-Emissionen
Unter Bezugnahme auf 17 und gemäß einer repräsentativen Ausführungsform wird ein Verfahren 800 zum Reduzieren von NO_x-Emissionen unter Verwendung eines Ammoniakspeichers auf einem SCR-Katalysator gezeigt. Das Verfahren 800 beginnt bei 802 und beinhaltet das Bestimmen 804 einer NO_x-Reduktionsanforderung. Bei einigen Implementierungen beinhaltet das Bestimmen 804 einer NO_x-Reduktionsanforderung das Betätigen des NO_x-Reduktions-Soll-Moduls 300, die NO_x-Reduktionsanforderung 304 zu schätzen. Das Verfahren 800 beinhaltet auch das Bestimmen 806 einer Ammoniakzusatzanforderung. Bei einigen Implementierungen beinhaltet das Bestimmen 806 einer Ammoniakzusatzanforderung das Betätigen des Ammoniak-Soll-Moduls 310, um die Ammoniakzusatzanforderung 326 zu schätzen. Das Verfahren 800 beinhaltet weiterhin das Bestimmen 808 eines Ammoniakspeichermodifizierers. Bei einigen Implementierungen beinhaltet das Bestimmen 808 eines Ammoniakspeichermodifizierers das Betätigen des NH₃-Speichermoduls 350, um den Ammoniakspeichermodifizierer 352 zu schätzen.
Nachdem ein Ammoniakspeichermodifizierer bestimmt ist, beinhaltet das Verfahren 800 das Vergleichen 810 des Ammoniakspeichermodifizierers mit einem vorbestimmten Wert wie etwa null. Falls der Ammoniakspeichermodifizierer größer oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, dann beinhaltet das Verfahren 800 das Justieren 812, wie etwa durch Addieren, der bei 808 bestimmten Ammoniakzusatzanforderung um eine der Ammoniakspeichermodifizierermenge entsprechenden Menge. Falls der Ammoniakspeichermodifizierer etwa gleich dem vorbestimmten Wert ist, dann wird die bei 808 bestimmte Ammoniakzusatzanforderung nicht justiert. Das Verfahren 800 beinhaltet das Bestimmen 814 einer Reduktionsmittelinjektionsanforderung 814 entweder auf der Basis der bei 808 bestimmten Ammoniakzusatzanforderung oder der bei 812 bestimmten justierten Zusatzanforderung. Bei einigen Implementierungen beinhaltet das Bestimmen 814 einer Reduktionsmittelinjektionsanforderung das Betätigen des Reduktionsmittel-Soll-Moduls 330, um die Reduktionsmittelinjektionsanforderung 332 zu berechnen. Das Verfahren 800 kann auch das Bestimmen 815 einer AMOX-Katalysator-NH₃-Umwandlungsfähigkeit 382 durch Betätigen des AMOX-NH₃-Umwandlungs-Moduls 380 beinhalten.
Das Verfahren 800 beinhaltet weiterhin das Bestimmen 816 eines Reduktionsmittelmodifizierers. Bei einigen Implementierungen beinhaltet das Bestimmen 816 eines Reduktionsmittelmodifizierers das Betätigen des Reduktionsmittelmodifizierermoduls 390, um die Reduktionsmittelmodifiziereranforderung 342 zu berechnen. Nachdem ein Reduktionsmittelmodifizierer bestimmt ist, beinhaltet das Verfahren 800 das Vergleichen 820 des Reduktionsmittelmodifizierers mit einem vorbestimmten Wert wie etwa null. Falls der Reduktionsmittelmodifizierer größer oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, beinhaltet das Verfahren 800 dann das Justieren 822 der bei 816 bestimmten Reduktionsmittelinjektionsanforderung um eine der Reduktionsmittelmodifizierermenge entsprechende Menge. Falls der Reduktionsmittelmodifizierer etwa gleich dem vorbestimmten Wert ist, dann wird die bei 808 bestimmte Reduktionsmittelinjektionsanforderung nicht justiert. Das Verfahren beinhaltet das Injizieren 824 einer Reduktionsmittelmenge entsprechend der bei 816 oder 822 bestimmten Reduktionsmittelinjektionsanforderung in den Abgasstrom.
Die schematischen Flussdiagramme und schematischen Verfahrensdiagramme, die oben beschrieben sind, werden allgemein als logische Flussdiagramme dargelegt. Als solches zeigen die gezeigte Reihenfolge und die bezeichneten Schritte repräsentative Ausführungsformen an. Andere Schritte und Verfahren können ausgedacht werden, die hinsichtlich Funktion, Logik oder Effekt mit einem oder mehreren Schritten oder Abschnitten davon den in den Schemadiagrammen dargestellten Verfahren äquivalent sind. Außerdem werden das Format und die Symbole, die verwendet werden, bereitgestellt, um die logischen Schritte der Schemadiagramme zu erläutern, und sind nicht so zu verstehen, dass sie den Schutzbereich der durch die Diagramme dargestellten Verfahren beschränken. Wenngleich verschiedene Pfeilarten und Linienarten in den Schemadiagrammen verwendet worden sein können, versteht sich, dass sie den Schutzbereich der entsprechenden Verfahren nicht beschränken. Tatsächlich können einige Pfeile oder andere Verbindungsstücke verwendet werden, um nur den logischen Fluss eines Verfahrens anzugeben. Beispielsweise kann ein Pfeil eine Warte- oder Überwachungsperiode von unspezifizierter Dauer zwischen aufgezählten Schritten eines dargestellten Verfahrens anzeigen. Außerdem kann die Reihenfolge, in der ein bestimmtes Verfahren auftritt, sich streng oder nicht streng an die Reihenfolge der gezeigten entsprechenden Schritte halten.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert werden, ohne von ihrem Gedanken oder essentiellen Charakteristika abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeglicher Hinsicht nur als veranschaulichend und nicht restriktiv anzusehen. Der Schutzbereich der Erfindung wird deshalb durch die beigefügten Ansprüche anstatt durch die vorausgegangene Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs von Äquivalenz der Ansprüche liegen, sollen in ihrem Schutzbereich enthalten sein.
Zusammenfassung
Gemäß einer repräsentativen Ausführungsform enthält eine Vorrichtung (130) zum Reduzieren von NO_x-Emissionen in einem Motorabgasstrom eines Motorsystems (10) mit einem SCR-System (150) (Selective Catalytic Reduction) mit einem hinter einem Reduktionsmittelinjektor (192) positionierten SCR-Katalysator (152) ein NO_x-Reduktions-Soll-Modul (300) und ein Reduktionsmittelmodul (330). Das NO_x-Reduktions-Soll-Modul (300) ist konfiguriert, eine NO_x-Reduktionsanforderung (304) zu bestimmen. Das Reduktionsmittelmodul ist konfiguriert, die dem Abgasstrom hinzuzufügende Menge an Reduktionsmittel zu bestimmen, um die NO-x-Reduktionsanforderung zu erfüllen. Die dem Abgasstrom zugesetzte Menge an Reduktionsmittel ist eine Funktion mindestens einer Ammoniakspeichercharakteristik des SCR-Katalysators, mindestens einer Reduktionsmittel-zu-Ammoniak-Umwandlungscharakteristik und einer Umwandlungsfähigkeit eines AMOX-Katalysators (160) in abgasempfangender Kommunikation mit dem SCR-Katalysator.

Claims

Vorrichtung zum Reduzieren von NO_x-Emissionen in einem Motorabgasstrom eines Motorsystems mit einem selektiven katalytischen Reduktionssystem (SCR-System) mit einem hinter einem Reduktionsmittelinjektor positionierten SCR-Katalysator, aufweisend: ein NO_x-Reduktions-Soll-Modul, das konfiguriert ist, eine NO_x-Reduktionsanforderung zu bestimmen, wobei die NO_x-Reduktionsanforderung eine auf dem SCR-Katalysator zu reduzierende Menge an NO-x in dem Abgasstrom aufweist; und ein Reduktionsmittelmodul, das konfiguriert ist, die dem Abgasstrom hinzuzufügende Menge an Reduktionsmittel zu bestimmen, um die NO_x-Reduktionsanforderung zu erfüllen; wobei eine dem Abgasstrom zugesetzte Menge an Reduktionsmittel eine Funktion mindestens einer Ammoniakspeichercharakteristik des SCR-Katalysators, mindestens einer Reduktionsmittel-zu-Ammoniak-Umwandlungscharakteristik und einer Umwandlungsfähigkeit eines AMOX-Katalysators in abgasempfangender Kommunikation mit dem SCR-Katalysator ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Ammoniakspeichercharakteristik eine auf dem SCR-Katalysator gespeicherte geschätzte Ammoniakmenge, eine aus dem SCR-Katalysator entweichende geschätzte Ammoniakmenge und/oder eine geschätzte größte Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Reduktionsmittel-zu-Ammoniak-Umwandlungscharakteristik den Abstand zwischen dem SCR-Katalysator und dem Reduktionsmittelinjektor, die Umwandlungseffizienz des Reduktionsmittels zu Ammoniak und/oder die Umwandlungseffizienz des Reduktionsmittels zu anderen Bestandteilen als Ammoniak umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umwandlungsfähigkeit des AMOX-Katalysators eine Funktion der Temperatur des AMOX-Katalysators, eines AMOX-Katalysatordegradationsfaktors und/oder eines Endrohrammoniakschlupf-Solls ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die dem Abgasstrom zugesetzte Menge an Reduktionsmittel eine Funktion eines physikalischen Zustands des SCR-Katalysators ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der physikalische Zustand des SCR-Katalysators durch einen Degradationsfaktor des SCR-Katalysators und/oder eine größte NO_x-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators dargestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Board-Diagnosemodul, das konfiguriert ist, zu bestimmen, ob eine größte NO_x-Reduktionseffizienz des SCR-Katalysators unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt.
Verfahren zum Reduzieren von NO_x-Emissionen in einem Motorabgasstrom eines Motorsystems, der von einem Motor des Motorsystems zu einem Endrohr des Motorsystems strömt, wobei das Motorsystem einen SCR-Katalysator und einen Harnstoffinjektor vor dem SCR-Katalysator aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmen einer NO_x-Reduktionsanforderung, wobei die NO_x-Reduktionsanforderung eine auf einem SCR-Katalysator zu reduzierende Menge an NO_x in dem Abgasstrom umfasst; Bestimmen einer AMOX-Katalysatorumwandlungsfähigkeit; Bestimmen eines Ammoniakspeichermodifizierers; Bestimmen einer Ammoniakzusatzanforderung, wobei die Ammoniakzusatzanforderung eine dem Abgasstrom zugesetzte Menge an Ammoniak umfasst, um die NO_x-Reduktionsanforderung zu erfüllen, wobei die Ammoniakzusatzanforderung mindestens teilweise von der AMOX-Katalysatorumwandlungsfähigkeit und dem Ammoniakspeichermodifizierer abhängt; Bestimmen von Harnstoff-zu-Ammoniak- und Harnstoff-zu-Isocyansäure-Umwandlungsfaktoren; Bestimmen einer Harnstoffinjektionsanforderung mindestens teilweise auf der Basis der Harnstoff-zu-Ammoniak- und Harnstoff-zu-Isocyansäure-Umwandlungsfaktoren, wobei die Harnstoffinjektionsanforderung eine dem Abgasstrom zugesetzte Harnstoffmenge umfasst, um die Ammoniakzusatzanforderung zu erfüllen; Bestimmen, ob die mindestens eine harnstoffbegrenzende Bedingung erfüllt ist, und Modifizieren der Harnstoffinjektionsanforderung, falls die mindestens eine harnstoffbegrenzende Bedingung erfüllt ist; und Injizieren von Harnstoff in den Abgasstrom gemäß der Harnstoffinjektionsanforderung.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Ammoniakspeichermodifizierer mindestens teilweise auf der auf dem SCR-Katalysator gespeicherten geschätzten Ammoniakmenge, der aus dem SCR-Katalysator austretenden geschätzten Ammoniakmenge und der geschätzten größten Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators basiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Harnstoff-zu-Ammoniak- und Harnstoff-zu-Isocyansäure-Umwandlungsfaktoren mindestens teilweise auf dem Abstand zwischen dem SCR-Katalysator und dem Harnstoffinjektor, einer Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu Ammoniak und einer Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu Isocyansäure basieren.
Motorsystem, aufweisend: einen Verbrennungsmotor, der einen Abgasstrom erzeugt; ein SCR-System, das einen SCR-Katalysator umfasst, der NO_x-Emissionen in dem Abgasstrom in Gegenwart von Ammoniak reduziert; einen Reduktionsmittelinjektor, der Reduktionsmittel in den Abgasstrom vor dem SCR-Katalysator injiziert, wobei das Reduktionsmittel das Ammoniak liefert; einen Controller, der Folgendes aufweist: eine Mitkopplungskomponente, die konfiguriert ist, eine Reduktionsmitteldosierrate entsprechend einem gewünschten Niveau an NO_x-Reduktion auf dem SCR-Katalysator während stationärer Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors zu bestimmen; eine Komponente vom Rückkopplungstyp, die konfiguriert ist, die Reduktionsmitteldosierrate auf der Basis mindestens teilweise einer physikalischen Degradation des SCR-Katalysators zu modifizieren; und eine Ammoniakspeicherkomponente, die konfiguriert ist, die Reduktionsmitteldosierrate auf der Basis mindestens teilweise einer gewünschten Ammoniakspeicherkonzentration auf dem SCR-Katalysator zu modifizieren, wobei die gewünschte Ammoniakspeicherkonzentration eine Ammoniakspeicherkonzentration darstellt, die vorübergehende Änderungen bei NO_x-Emissionen während vorübergehenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors berücksichtigt.
System nach Anspruch 11, weiterhin aufweisend einen AMOX-Katalysator hinter dem SCR-Katalysator, wobei die Komponente vom Rückkopplungstyp weiterhin konfiguriert ist, die Reduktionsmitteldosierrate auf der Basis mindestens teilweise einer physikalischen Degradation des AMOX-Katalysators zu modifizieren.
System nach Anspruch 11, wobei das Reduktionsmittel Harnstoff ist, wobei der Harnstoff teils zu Ammoniak und teils zu Isocyansäure reduziert, bevor er in den SCR-Katalysator eintritt, und wobei die Harnstoffdosierrate mindestens teilweise auf einer ersten Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu Ammoniak und einer zweiten Umwandlungseffizienz von Harnstoff zu Isocyansäure basiert.
System nach Anspruch 11, wobei die Komponente vom Rückkopplungstyp weiterhin konfiguriert ist, die Reduktionsmitteldosierrate auf der Basis mindestens teilweise des Auftretens mindestens einer reduktionsmittelbegrenzenden Bedingung zu modifizieren.
System nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine reduktionsmittelbegrenzende Bedingung eine Abgastemperaturgrenze, eine Ammoniakschlupfgrenze und/oder eine SCR-Katalysatorbetttemperaturgrenze aufweist.
System nach Anspruch 11, wobei die gewünschte Ammoniakspeicherkonzentration mindestens teilweise auf einer größten Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators basiert.
System nach Anspruch 12, wobei die gewünschte Ammoniakspeicherkonzentration mindestens teilweise auf einer größten Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators und einer größten NH₃-Umwandlungsfähigkeit des AMOX-Katalysators basiert.
System nach Anspruch 11, wobei der Controller eine On-Board-Diagnosekomponente (OBD) aufweist, die konfiguriert ist, zu bestimmen, ob das SCR-System in der Lage ist, die NO_x-Emissionen in dem Abgasstrom auf eine Menge unter einem vorbestimmten Schwellwert zu reduzieren.
System nach Anspruch 18, weiterhin umfassend eine OBD-Schnittstelle, die in elektrischer Kommunikation mit dem Controller kommunizieren kann, wobei der Controller die OBD-Schnittstelle wart, wenn die OBD-Komponente bestimmt, dass das SCR-System nicht in der Lage ist, die NO_x-Emissionen in dem Abgasstrom auf eine Menge unter dem vorbestimmten Schwellwert zu reduzieren.
System nach Anspruch 18, wobei die Bestimmung, ob das SCR-System in der Lage ist, die NO_x-Emissionen in dem Abgasstrom auf eine Menge unter einem vorbestimmten Schwellwert zu reduzieren, mindestens teilweise auf der physikalischen Degradation des SCR-Katalysators basiert.
System nach Anspruch 11, wobei das SCR-System einen in dem SCR-Katalysator eingebetteten NO_x-Sensor aufweist.
System nach Anspruch 21, wobei der SCR-Katalysator ein Paar beabstandeter Katalysatorbetten umfasst, die sich entlang einer Länge des SCR-Katalysators erstrecken, wobei die Katalysatorbetten zwischen den Betten einen Raum definieren und wobei der eingebettete NO_x-Sensor mindestens teilweise in dem Raum zwischen den Betten positioniert ist.