DE112011104327T5

DE112011104327T5 - Abgassystem mit einer DOC-Regenerationsstrategie

Info

Publication number: DE112011104327T5
Application number: DE112011104327T
Authority: DE
Inventors: James J. Driscoll; Duncan J. Arrowsmith
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-10-10
Also published as: US20120144802A1; CN103261603A; WO2012078402A3; WO2012078402A2

Abstract

Ein Abgassystem (18) zum Verwenden mit einem Verbrennungsmotor (10) ist offenbart. Das Abgassystem kann einen Abgaskanal (26), der zum Empfangen eines Abgasstroms von dem Verbrennungsmotor ausgebildet ist, und einen Oxidationskatalysator (44), der in dem Abgaskanal angeordnet ist, aufweisen. Das Abgassystem kann auch einen Kraftstoffinjektor (38), der zum selektiven Einspritzen von Kraftstoff in das Abgas an einer Stelle stromaufwärts des Oxidationskatalysators, einen Temperatursensor (54), der zum Erzeugen eines Signals, das auf eine Temperatur des durch den Abgaskanal strömenden Abgases hinweist, und eine Steuerung (52), die in Verbindung mit dem Kraftstoffinjektor und dem Temperatursensor steht, aufweisen. Die Steuerung kann zum Vornehmen einer Bestimmung, dass sich eine Oxidschicht auf dem Oxidationskatalysator gebildet hat, basierend auf dem Signal und zum Regulieren des Betriebs des Kraftstoffinjektors zum Einspritzen von Kraftstoff und Reduzieren der Oxidschicht basierend auf der Bestimmung ausgebildet sein.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Abgassystem und insbesondere auf ein Abgassystem mit einer Strategie zum Regenerieren eines Dieseloxidationskatalysators (DOC) gerichtet.
Hintergrund
Dieseloxidationskatalysatoren (DOCs) werden gewöhnlich in den Abgassystemen von Verbrennungsmotor zum Ermöglichen unterschiedlicher Emissionsreduktionsprozesse verwendet. Beispielsweise können DOCs zum Erzeugen eines gewünschten Verhältnisses von NO zu NO₂ in einem Motorabgasstrom, was eine NO_x-Reduktion in einer stromabwärts angeordneten Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) erhöht, verwendet werden. In einem anderen Beispiel können DOCs zum Erhöhen einer Gesamtmenge von NO₂ in dem durch einen Dieselpartikelfilter (DPF) strömenden Abgasstrom zum Verringern einer Verbrennungstemperatur von in dem DPF eingefangenen Partikeln und dadurch zum Erhöhen einer passiven Regeneration des DPF verwendet werden.
Auch wenn DOCs wirksame Abgasbehandlungseinrichtungen sind, können DOCs unter einigen Bedingungen problematisch sein. So hat man herausgefunden, dass die aktiven katalytischen Materialien eines DOC, welche gewöhnlich teure Materialien wie Platin aufweisen, weniger aktiv werden können, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Demzufolge ist der DOC weniger in der Lage, NO₂ zu erzeugen, wenn der DOC nach dem Erreichen hoher Temperaturen abkühlt oder für eine verlängerte Zeitdauer bei den hohen Temperaturen betrieben wird.
Die verringerte Funktionalität eines DOC nach, wie oben erläutert, der Einwirkung hoher Temperaturen wird in einem Zeitschriftenartikel mit dem Titel „Inverse Hysteresis During The NO Oxidation an Pt Under Lean Conditions" besprochen, der von W. Hauptmann et al. geschrieben und am 16. September 2009 veröffentlicht wurde („der Hauptmann-Artikel”). In dem Hauptmann-Artikel wird auch ein Verfahren zum Regenerieren eines DOC besprochen. Insbesondere beschreibt der Hauptmann-Artikel, wie ein langsames Abkühlen des DOC über einen verlängerten Zeitraum in einem Abgasstrom, der eine hohe Konzentration von NO aufweist, die nachfolgende Leistung des DOC verbessern kann.
Zusammenfassung der Offenbarung
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Abgassystem zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor gerichtet. Das Abgassystem kann einen Abgaskanal, der zum Empfangen eines Abgasstroms von dem Verbrennungsmotor ausgebildet ist, und einen in dem Abgaskanal angeordneten Oxidationskatalysator aufweisen. Das Abgassystem kann ferner einen Kraftstoffinjektor, der zum selektiven Einspritzen von Kraftstoff in das Abgas an einer Stelle stromaufwärts des Oxidationskatalysators ausgebildet ist, einen Temperatursensor, der zum Erzeugen eines Signals, das auf eine Temperatur des durch den Abgaskanal strömenden Abgases hinweist, ausgebildet ist, und eine Steuerung, die in Verbindung mit dem Kraftstoffinjektor und dem Temperatursensor steht, aufweisen. Die Steuerung kann basierend auf dem Signal zum Vornehmen einer Bestimmung, dass sich eine Oxidschicht auf dem Oxidationskatalysator gebildet hat, und basierend auf der Bestimmung zum Regeln eines Betriebs des Kraftstoffinjektors zum Einspritzen von Kraftstoff und Reduzieren der Oxidschicht ausgebildet sein.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems gerichtet. Das Verfahren kann das Leiten von Abgas durch einen Oxidationskatalysator und das Vornehmen einer Bestimmung, dass sich eine Oxidschicht auf dem Oxidationskatalysator gebildet hat, aufweisen. Das Verfahren kann ferner das selektive Einleiten einer Kraftstoffsalve in das Abgas, das durch den Oxidationskatalysator geleitet wird, zum Reduzieren der Oxidschicht basierend auf der Bestimmung aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische und diagrammatische Darstellung eines beispielhaft offenbarten Leistungssystems, und
2 ist ein Diagramm, der einen Betrieb des Leistungssystems von 1 darstellt.
Detaillierte Beschreibung
1 stellt ein beispielhaftes Leistungssystem 10 dar. Zum Zwecke dieser Offenbarung ist das Leistungssystem 10 dargestellt und beschrieben als ein dieselbetriebener Verbrennungsmotor. Indes wird darauf hingewiesen, dass das Leistungssystem 10 als irgendein anderer Typ von Verbrennungsmotor wie, zum Beispiel, ein Benzinmotor oder ein gaskraftstoffbetriebener Motor, der verdichtetes oder verflüssigtes Erdgas, Propan oder Methan verbrennt, ausgeführt sein kann. Das Leistungssystem 10 kann einen Motorblock 12 aufweisen, der mindestens teilweise eine Mehrzahl von Verbrennungskammern 14 definiert, die über eine Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 15 mit Kraftstoff versorgt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass das Leistungssystem 10 irgendeine Anzahl von Verbrennungskammern 14 aufweisen kann und dass die Verbrennungskammern 14 in einer Reihen-Konfiguration, einer „V-Konfiguration” oder in irgendeiner anderen üblichen Konfiguration angeordnet sein können.
Mehrere separate Subsysteme können in dem Leistungssystem 10 aufgenommen sein. Beispielsweise kann das Leistungssystem 10 ein Lufteinlasssystem 16, ein Abgassystem 18 und ein Steuersystem 20 aufweisen. Das Lufteinlasssystem 16 kann zum Leiten von Luft in die Verbrennungskammern 14 des Leistungssystems 10 zum Mischen mit Kraftstoff von den Injektoren 15 für eine nachfolgende Verbrennung ausgebildet sein. Das Abgassystem 18 kann Nebenprodukte der Verbrennung in die Atmosphäre abgeben. Das Steuersystem 20 kann die Betriebe der Lufteinlass- und Abgassysteme 16, 18 zum Verringern der Erzeugung von regulierten Bestandteilen und/oder deren Abgabe in die Atmosphäre regeln.
Das Lufteinlasssystem 16 kann mehrere Komponenten aufweisen, die zum Behandeln und Einleiten von verdichteter Luft in die Verbrennungskammern 14 zusammenwirken. Beispielsweise kann das Lufteinlasssystem 16 einen Luftkühler 22, der stromabwärts von einem oder mehreren Kompressoren 24 angeordnet ist, aufweisen. Die Kompressoren 24 können zum Verdichten von Einlassluft, die durch den Kühler 22 geleitet wird, verbunden sein. Ein Drosselventil (nicht gezeigt) kann stromaufwärts und/oder stromabwärts von den Kompressoren zum selektiven Regeln (das heißt, Begrenzen) des Einlassluftstroms in das Leistungssystem 10 angeordnet sein. Eine Begrenzung des Einlassluftstroms kann zu weniger Luft, die in das Leistungssystem 10 eintritt, führen und dadurch ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Leistungssystems 10 beeinflussen. Es wird darauf hingewiesen, dass das Lufteinlasssystem 16 unterschiedliche oder zusätzliche Komponenten als die oben beschriebenen aufweisen kann wie beispielsweise variable Ventilaktuatoren, die jeder Verbrennungskammer 14 zugeordnet sind, Filterkomponenten, Kompressorbypasskomponenten und andere bekannte Komponenten, die, wenn gewünscht, zum Beeinflussen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Leistungssystems 10 selektiv gesteuert werden können. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Kompressoren 24 und/oder der Kühler 22 weggelassen werden können, wenn ein selbstansaugendes Leistungssystem 10 gewünscht ist.
Das Abgassystem 18 kann mehrere Komponenten, die Abgas behandeln und von den Verbrennungskammern 14 in die Atmosphäre leiten, aufweisen. Beispielsweise kann das Abgassystem 18 einen Abgasdurchgang 26, eine oder mehrere Turbinen 28, die durch Abgas, das durch den Kanal 26 strömt, angetrieben wird, und eine Mehrzahl von Abgasbehandlungsvorrichtungen, die in Fluidverbindung in dem Kanal 26 an einer Stelle stromabwärts der Turbinen 28 stehen, aufweisen. Es wird darauf hingewiesen, dass das Abgassystem 18 unterschiedliche oder zusätzliche Komponenten als die oben beschriebenen aufweisen kann wie beispielsweise, wenn gewünscht, Abgasrückführ-(AGR)Komponenten, Bypasskomponenten, eine Abgasverdichtungs- oder Begrenzungsbremse, eine Dämpfungsvorrichtung und andere bekannte Komponenten.
Jede Turbine 28 kann zum Empfangen von Abgas, das von den Verbrennungskammern 14 abgegeben wird, angeordnet sein und kann mit einem oder mehreren Kompressoren 24 des Lufteinlasssystems 16 durch eine gemeinsame Welle 30 zum Bilden eines Turboladers verbunden sein. Wenn die heißen Abgase, die das Leistungssystem 10 verlassen, sich durch die Turbine 28 bewegen und gegen dessen Schaufeln (nicht gezeigt) expandieren, kann die Turbine 28 rotieren und den verbundenen Kompressor zum Verdichten von Einlassluft antreiben. In einer Ausführungsform kann die Turbine 28 eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) sein oder eine Kombination von Turbinen mit variabler und festgelegter Geometrie aufweisen. VGTs sind ein Typ von Turboladern, die eine Geometrie aufweisen, die zum Erlangen unterschiedlicher Querschnittsverhältnisse einstellbar sind, sodass genügend Ladedruck zu den Verbrennungskammern 14 über einen Bereich von Betriebsbedingungen zugeführt werden kann. Wenn sich eine Strömungsfläche der Turbine 28 verändert, kann sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und damit das Betriebsverhalten des Leistungssystems 10 ebenso verändern. Alternativ können, wenn gewünscht, Turbolader mit festgelegter Geometrie mit oder ohne ein elektronisch gesteuertes Wastegate aufgenommen werden.
Die Behandlungsvorrichtungen des Abgassystems 18 können Abgas von der Turbine 28 empfangen und Bestandteile des Abgases reduzieren oder entfernen. In einem Beispiel können die Abgasbehandlungsvorrichtungen ein oder mehrere Dieselpartikelfilter (DPF) 32 und eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) 34 aufweisen. Ein Partikelfilter ist eine Vorrichtung, die zum Einfangen von Partikeln aufgebaut ist, und besteht typischerweise aus einem Drahtgeflecht oder einem keramischen Honigwabenmedium. Wenn mit Partikeln beladenes Abgas durch den Filter strömt, werden die Partikel durch den Filter blockiert und aus dem Abgasstrom zurückbehalten. Die SCR-Vorrichtung 34 kann ein Katalysatorsubstrat 36, das stromabwärts von einem Injektor 38 angeordnet ist, aufweisen. Ein verdichtetes gasförmiges oder flüssiges Reduktionsmittel, sehr häufig Harnstoff (NH₂)₂CO oder ein Wasser-Harnstoff-Gemisch, kann in das Abgas stromaufwärts des Katalysatorsubstrats 36 durch den Injektor 38 selektiv gefördert werden. Eine integrierte Reduktionsmittelzufuhr 40 und eine Verdichtungsvorrichtung 42 können dem Injektor 38 zum Bereitstellen des verdichteten Reduktionsmittels zugeordnet sein. Wenn das eingespritzte Reduktionsmittel auf einer Oberfläche des Katalysatorsubstrats 36 adsorbiert wird, kann das Reduktionsmittel mit NOx (NO und NO₂) in dem Abgas zum Bilden von Wasser (H₂O) und zweiatomigem Stickstoff (N₂) reagieren.
Die Leistung der Partikelfalle 32 und/oder der SCR-Vorrichtung 34 kann durch einen stromaufwärts angeordneten Dieseloxidationskatalysator (DOC) 44 erhöht werden. Insbesondere können, wenn der DPF 32 im Betrieb ist, sich darin Partikel ansammeln und, wenn unberücksichtigt, gegebenenfalls den Abgasstrom durch den DPF 32 um eine unerwünschte Menge begrenzen. Demzufolge kann der DPF 32 zum Reduzieren der Menge der angesammelten Partikel selektiv regeneriert werden. Zum Initiieren der Regeneration des DPF 32 muss die Temperatur der in dem DPF 32 enthaltenen Partikel über eine Verbrennungsschwellwerttemperatur, bei welcher die gefangenen Partikel weggebrannt werden, beispielsweise über ungefähr 600°C, erhöht werden. Unter den meisten Bedingungen wird indes diese Schwellwerttemperatur natürlich nicht erreicht. Der DOC 44 kann, wie unten detaillierter beschrieben werden wird, eine Menge von NO₂ in dem Abgasstrom, der durch den DPF 32 strömt, erzeugen, was dabei hilft, die Verbrennungsschwellwerttemperatur zu einem Level, das die Verbrennung von eingefangenen Partikeln unter normalen Betriebsbedingungen erlaubt, zu senken. Dieser Typ von Regeneration kann als passive Regeneration bekannt sein. Gleichermaßen kann der Reduktionsprozess, der durch die SCR-Vorrichtung 34 durchgeführt wird, am effizientesten sein, wenn eine Konzentration von NO zu NO₂, die zu der SCR-Vorrichtung zugeführt wird, ungefähr 1:1 ist und der DOC 44 kann dabei helfen, diese Konzentration bereitzustellen.
Der DOC 44 kann eine porige keramische Honigwabenstruktur oder ein Metalldrahtsubstrat, die/das mit einem Material, beispielsweise eine Grundierung, beschichtet ist, die wertvolle Metalle beinhalten, die eine chemische Reaktion zum Verändern der Zusammensetzung des Abgases katalysieren, aufweisen. Beispielsweise kann der DOC 44 eine Grundierung von Palladium, Platin, Vanadium oder eine Mischung davon aufweisen, die die Umwandlung eines Teils des NO, das bereits in dem Abgasstrom des Leistungssystems 10 vorhanden ist, zu NO₂ ermöglichen. Der Abgasstrom mit einer erhöhten Menge an NO₂ kann dann in den DPF 32 zum Ermöglichen einer passiven Regeneration darin und/oder in die SCR-Vorrichtung 34 zum Ermöglichen der Reduktion von NO_x geleitet werden.
Wie oben beschrieben, können die wertvollen Metalle/aktive Katalysatorkomponenten eines DOC weniger aktiv werden, nachdem sie hohen Temperaturen ausgesetzt waren. Insbesondere wurde festgestellt, dass, wenn ein DOC für eine verlängerte Zeitdauer hohen Temperaturen ausgesetzt ist, dieser mit einer Oxidschicht aufgrund des von diesem erzeugten NO₂ beschichtet sein kann und die Oxidschicht zu einer verringerten Leistung des DOC führt. Dieses Phänomen ist in 2 dargestellt. Insbesondere zeigt 2 eine erste Kurve 200, die einen Betrieb eines typischen DOC während eines Startbetriebs einer entsprechenden Leistungsquelle, wenn die Leistungsquelle sich erwärmt, darstellt, und eine zweite Kurve 210, die einen Betrieb desselben DOC nach einer längeren Zeitdauer bei höheren Temperaturen und während des Abkühlens der Leistungsquelle darstellt. Wie aus dem Vergleich dieser Kurven ersichtlich ist, wird der typische DOC zu Beginn gut arbeiten und eine zunehmende Menge von NO zu NO₂ umwandeln bis die Abgastemperaturen ungefähr 180°C erreichen. Wenn die Abgastemperaturen ungefähr 180°C erreichen und sich weiter erhöhen, kann sich indes die Umwandlungseffizienz des typischen DOC verringern. Zudem sinkt die Umwandlungseffizienz deutlich, wenn der DOC nach dem verlängerten Betrieb bei erhöhten Temperaturen abkühlt. Beispielsweise kann beim Abkühlen von ungefähr 250°C zu ungefähr 200°C die Effizienz, die in Kurve 210 dargestellt ist, ungefähr die Hälfte der Starteffizienz, die in Kurve 200 dargestellt ist, sein. Wenn ferner der typische DOC wiedererwärmt wird bevor genügend Kühlung stattgefunden hat, wird die Effizienz eher der reduzierten Effizienzkurve 210 als der Kurve 200 folgen.
Um dabei zu helfen, einen verlängerten Betrieb des DOC 44 bei einem gewünschten Level sicherzustellen, kann ein Injektor 46 an einer Stelle stromaufwärts des DOC 44 angeordnet und zum selektiven Einspritzen von Salven eines Kohlenwasserstoffs, zum Beispiel Dieselkraftstoff, in den Abgaskanal 26 ausgebildet sein. Wenn der Kohlenwasserstoff in Kontakt mit der Sauerstoffschicht auf dem metallischen Substrat des DOC 44 gelangt, kann eine chemische Reaktion stattfinden, die die Oxidschicht entfernt oder anderweitig verringert. Eine integrierte Kohlenwasserstoffzufuhr 48 und eine Verdichtungsvorrichtung 50 können mit dem Injektor 46 zum Bereitstellen des verdichteten Kohlenwasserstoffs verbunden sein.
Das Steuersystem 20 kann Komponenten aufweisen, die zum Regeln der Behandlung des Abgases von dem Leistungssystem 10 vor der Abgabe in die Atmosphäre ausgebildet sind. Insbesondere kann das Steuersystem 20 eine Steuerung 52, die in Verbindung mit einem oder mehreren Abgassensoren 54, dem Injektor 38 und dem Injektor 46 steht, aufweisen. Basierend auf einer Eingabe von dem Abgassensor 54 und/oder anderer Eingabe, kann die Steuerung 52 eine Menge von NO_x, die durch das Leistungssystem 10 produziert wird, eine Leistung der SCR-Vorrichtung 34, die Bildung der Oxidschicht auf dem DOC 44, eine gewünschte Menge von Harnstoff, die durch den Injektor 38 in den Abgasstrom gesprüht werden sollte, eine gewünschte Menge von Kohlenwasserstoff, die durch den Injektor 46 in den Abgasstrom gesprüht werden sollte, und/oder andere ähnliche Steuerparameter bestimmen. Die Steuerung 52 kann dann den Betrieb der Injektoren 38 und 46 regeln, sodass die gewünschten Mengen von Harnstoff und Kohlenwasserstoff in den Abgasstrom stromaufwärts von dem Katalysatorsubstrat 36 bzw. dem DOC 44 gesprüht werden.
Die Steuerung 52 kann als ein einzelner oder mehrere Mikroprozessoren, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), Digitalsignalprozessoren (DSPs) etc., die ein Mittel zum Steuern eines Betriebs des Leistungssystems 10 in Reaktion auf Signale, die von den unterschiedlichen Sensoren empfangen wurden, aufweisen, ausgeführt werden. Zahlreiche kommerziell verfügbare Mikroprozessoren können zum Durchführen der Funktionen der Steuerung 52 ausgebildet sein. Es sollte beachtet werden, dass die Steuerung 52 ohne Weiteres als ein Mikroprozessor, der separat von jenem, der andere nicht-abgasbezogene Leistungssystemfunktionen steuert, vorgesehen ist, oder die Steuerung 52 integral mit einem allgemeinen Leistungssystemmikroprozessor und in der Lage zum Steuern einer Vielzahl von Leistungssystemfunktionen und Betriebsarten ausgeführt sein könnte. Wenn die Steuerung 52 separat von dem allgemeinen Leistungssystemmikroprozessor ist, kann die Steuerung 52 mit dem allgemeinen Leistungssystemmikroprozessor über Datenverbindungen oder andere Verfahren kommunizieren. Unterschiedliche andere bekannte Schaltungen können der Steuerung 52 zugeordnet sein, einschließlich Leistungszufuhrschaltungen, Signalbehandlungsschaltungen, Aktuatoransteuerungsschaltungen (das heißt, Schaltungen, die Magnete, Motoren oder Piezoaktuatoren aktivieren), Kommunikationsschaltungen und andere geeignete Schaltungen.
Der Abgassensor 54 des Steuersystems 20 kann zum Erzeugen eines Signals, das auf die Bildung der Oxidschicht auf dem metallischen Substrat des DOC 44 hinweist, ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann der Abgassensor 54 ein Temperatursensor sein, der zum Erzeugen eines Signals, das mit einer Temperatur des Abgases, das durch den DOC 44 strömt, korrespondiert, und Senden dieses Signals zu der Steuerung 52 ausgebildet sein. In diesem Beispiel kann, wenn das Signal mit einer Abgastemperatur über einer Schwellwerttemperatur korrespondiert, die Steuerung 52 eine Bestimmung vornehmen, dass es wahrscheinlich ist, dass die Oxidschicht sich gebildet hat. Die Schwellwerttemperatur kann bei ungefähr 180–250°C liegen und mit ungefähr 60–100% des Substrats des DOC 44, das mit der Oxidschicht bedeckt ist, korrespondieren. In einem anderen Beispiel kann, wenn das Signal darauf hinweist, dass die Abgastemperatur über der Schwellwerttemperatur für eine Schwellwertzeitdauer angehalten hat, die Steuerung 52 die Bestimmung vornehmen, dass die Oxidschicht sich gebildet hat. Die Schwellwertzeitdauer kann ungefähr 2–30 Sekunden sein. Es wird darauf hingewiesen, dass der Abgassensor 54 ein Sensortyp sein kann, der, wenn gewünscht, sich von einem Temperatursensor unterscheidet und dass die Steuerung 52 zum gleichermaßen Vornehmen der Bestimmung bezüglich der Bildung der Oxidschicht basierend auf dem/den korrespondierenden Signal(en) von diesem Sensor ausgebildet sein kann. Zum Beispiel könnte der Abgassensor 54 alternativ als ein NO_x-Sensor ausgeführt sein, der zum Erfassen einer Menge von NO und/oder NO₂ in dem den DOC 44 verlassenden Abgas ausgebildet sein, mit der Steuerung 52, die dann zum Bestimmen der Bildung der Oxidschicht basierend auf der gemessenen Umwandlungsleistung des DOC 44 ausgebildet ist. In einem anderen Beispiel könnte der Abgassensor 54 alternativ als ein Partikelfiltersensor ausgeführt sein, der zum Erzeugen von Signalen, die auf niedrigere als erwartete Regenerationsraten des DPF 32 hinweisen, wenn eine Menge von Ruß in oder vor dem DPF 32 und/oder eine Druckdifferenz über den DPF 32 bestimmt wird, ausgebildet ist.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass der Sensor 54 alternativ als ein virtueller Sensor ausgeführt sein kann. Ein virtueller Sensor kann eine modellgetriebene Abschätzung basierend auf einem oder mehreren bekannten oder gemessenen Betriebsparametern des Leistungssystems 10 und/oder des DOC 44 erzeugen. Beispielsweise kann, basierend auf einer bekannten Betriebsgeschwindigkeit, Last, Temperatur, Ladedruck, Umgebungsbedingungen (Feuchtigkeit, Druck, Temperatur) und/oder anderen Parametern des Leistungssystems 10, auf ein Modell zum Festellen der Bildung der Oxidschicht auf dem DOC 44 Bezug genommen werden. Gleichermaßen kann, basierend auf einer bekannten oder geschätzten NOx-Erzeugung des Leistungssystems 10, einem Durchfluss des das Leistungssystem 10 verlassenden Abgases und/oder einer Temperatur des Abgases auf das Modell zum Festellen der Bildung der Oxidschicht Bezug genommen werden. Als ein Ergebnis kann, wenn gewünscht, das Signal, das von dem Sensor 54 zu der Steuerung 52 geleitet wird, auf berechneten und/oder geschätzten Werten anstatt auf direkte Messungen basieren. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn gewünscht, anstatt eines separaten Elements, diese virtuellen Messfunktionen durch die Steuerung 52 ausgeführt werden können.
Wenn die Steuerung 52 bestimmt, dass es wahrscheinlich ist, dass sich die Oxidschicht auf dem Substrat des DOC 44 gebildet hat, kann die Steuerung 52 den Injektor 46 selektiv dazu bringen, eine oder mehrere Salven von Kohlenwasserstoff in das Abgas an einer Stelle stromaufwärts des DOC 44 einzuspritzen. Beispielsweise kann, nachdem die Temperatur des Abgases bei dem DOC 44 180°C überschreitet und/oder über 180°C für mindestens 2 Sekunden verbleibt, die Steuerung 52 den Injektor 46 zum Einspritzen einer Menge von Kohlenwasserstoff, die notwendig ist zum Entfernen oder anderweitig Verringern der entsprechenden Oxidschicht, aktivieren. In einer Ausführungsform kann die Menge von Kohlenwasserstoff, die während eines einzelnen Oxidauflösungsvorgangs eingespritzt wird, ungefähr 100–1000 ppm oder ungefähr 1/100–1/1000 einer Gesamtmenge von durch das Leistungssystem 10 verbrauchtem Kraftstoff (das heißt, einschließlich Kraftstoff, der für normale Verbrennungszwecke verwendet wird) während des Vorgangs einspritzen und eine Einspritzdauer von ungefähr 5–300 Sekunden aufweisen. Diese Menge von Kohlenwasserstoff kann primär zum Entfernen eines Teils oder der gesamten Oxidschicht dienen und nur einen geringen Einfluss auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die Temperatur des Abgases in dem Kanal 26 haben. Zum Beispiel kann der eingespritzte Kohlenwasserstoff das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases in dem Kanal 26 um weniger als ungefähr 5% erhöhen und eine Temperatur des Abgases um weniger als ungefähr 30°C erhöhen. In einem Beispiel wurde gezeigt, dass in Abhängigkeit der Anwendung die Einspritzung von Kohlenwasserstoff zum Entfernen der Oxidschicht zu weniger als ungefähr 20% der Substratoberfläche des DOC 44 in so wenig wie ungefähr 5–300 Sekunden entfernt.
In einer Ausführungsform kann die Steuerung 52 die Einspritzung des Kohlenwasserstoffs verzögern, bis die Abgastemperaturen ihren Höchststand erreicht haben und ein Abkühlen des Abgases beobachtet wird. Dieses Abkühlen kann mit beispielsweise einem Leerlauf des Leistungssystems 10 oder eines bestimmten Abschnitts eines Grabungszyklus korrespondieren wie beispielsweise ein Deponie- oder Rückführabschnitt, der weniger Ausgabe von dem Leistungssystem 10 benötigt. Die Steuerung 52 kann bestimmen, dass die Temperaturen ihren Höchststand erreicht haben und das Abgas abkühlt, wenn die Steuerung 52 einen Temperaturabfall von ungefähr 5–20°C über eine einminütige Zeitdauer detektiert.
Unter einigen Bedingungen können die Abgastemperaturen des Leistungssystems 10 für verlängerte Zeitdauern erhöht bleiben. Während des Betriebs unter diesen Bedingungen kann die Steuerung 52, nachdem die Startkohlenwasserstoffeinspritzungen gemäß der oben beschriebenen Strategie ausgelöst wurden, fortfahren, Salven von Kohlenwasserstoff einzuspritzen, solange die Abgastemperaturen erhöht bleiben. Zum Beispiel kann nach der Startsalve von Kohlenwasserstoff, der Injektor 46 zum Einspritzen nachfolgender Salven von Kohlenwasserstoff ungefähr alle 5 Minuten gesteuert werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das Abgassystem der vorliegenden Offenbarung kann auf jegliches Leistungssystem mit einem Oxidationskatalysator anwendbar sein, bei dem eine fortwährende Leistung bei einem gewünschten Level wichtig ist. Die Leistung des DOC 44 kann durch selektive Einspritzungen von Kohlenwasserstoff in den Abgasstrom des Leistungssystems 10 an Stellen stromaufwärts des DOC 44 vergrößert werden, wenn festgestellt wird, dass es wahrscheinlich ist, dass sich eine Oxidschicht auf dem DOC 44 gebildet hat. Der Betrieb des Leistungssystems 10 wird jetzt beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 kann ein Lufteinlasssystem 16 Luft oder ein Gemisch von Luft und Kraftstoff verdichten und in die Verbrennungskammern 14 des Leistungssystems 10 für eine nachfolgende Verbrennung leiten. Das Kraftstoff- und Luftgemisch kann durch das Leistungssystem 10 zum Erzeugen einer mechanischen Arbeitsausgabe und eines Abgasstroms von heißen Gasen verbrannt werden. Der Abgasstrom kann ein komplexes Gemisch von Luftschadstoffen, die aus gasförmigen Stoffen, welche Stickoxide (NO_x) aufweisen können, bestehen, enthalten. Da dieser mit NO_x beladene Abgasstrom von den Verbrennungskammern 14 durch den Oxidationskatalysator 44 geleitet wird, kann ein Teil des NO in dem Strom zu NO₂ umgewandelt werden.
Nach dem Durchströmen des Oxidationskatalysators 44 kann der Abgasstrom, der eine erhöhte Menge von NO₂ enthält, durch den DPF 32 und den SCR 34 geleitet werden. Wenn das Abgas durch diese Behandlungsvorrichtungen strömt, können Partikel in dem Abgas durch den DPF 32 entfernt und NO_x in dem Abgas zu unschädlichen Substanzen reduziert werden. Wie oben beschrieben, kann die vergrößerte Menge von NO₂, die durch den DOC 44 erzeugt wird, eine passive Regeneration des DPF 32 und eine Erhöhung der Reduktion von NO_x in dem SCR 34 ermöglichen.
Wenn die Temperaturen des Abgasstroms, der durch den DOC 44 strömt, ungefähr 180°C erreichen und/oder erhöht über 180°C für mindestens 2 Sek. verbleiben, kann sich eine Oxidschicht auf dem metallischen Substrat des DOC 44 bilden. Diese Oxidschicht kann, wenn unberücksichtigt, das Betriebsverhalten des DOC 44 verringern. Zum Halten des gewünschten Betriebsverhaltenslevels in dem DOC 44, kann es nötig sein, das Substrat in dem DOC 44 selektiv zu regenerieren. Demzufolge kann die Steuerung 52 die Signale von dem Abgassensor 54 (Schritt 300) überwachen und bestimmen, ob die Abgastemperaturen über 180°C für mindestens 2 Sekunden (Schritt 310) verblieben sind. Wenn die Steuerung 52 bestimmt, dass die Bedingungen des Schritts 310 erfüllt wurden (Schritt 310: Ja), kann die Steuerung 52 den nächsten Abgasabkühlvorgang (das heißt, ein Vorgang, bei dem die Abgastemperaturen um ungefähr 5–20°C innerhalb einer einminütigen Zeitdauer abkühlen) abwarten (Schritt 310), und dann die Regeneration des DOC 44 dadurch starten, dass der Injektor 46 zum selektiven Einspritzen von Salven von Kohlenwasserstoff (das heißt, Dieselkraftstoff) in das Abgas des Kanals 26 an einer Stelle stromaufwärts des DOC 44 (Schritt 330) gebracht wird. Dieser eingespritzte Kohlenwasserstoff kann, wenn er in Kontakt mit der Oxidschicht gelangt, eine chemische Reaktion ermöglichen, die die Oxidschicht entfernt und die Funktionalität des DOC 44 wiederherstellt. Solange die Steuerung 52 bestimmt, dass die Abgastemperaturen erhöht bleiben (beispielsweise über 180°C), kann die Steuerung den Injektor 46 dazu bringen, zusätzliche Salven von Kohlenwasserstoff regelmäßig, zum Beispiel alle 5 Minuten (Schritt 340), einzuspritzen, ohne auf einen auftretenden Abkühlvorgang zu warten.
Viele Aspekte können dem Leistungssystem 10 zugeordnet sein. Beispielsweise kann die offenbarte Einspritzung von Kohlenwasserstoff in der Lage sein, die Oxidschicht auf einem DOC in einer sehr kurzen Zeitdauer mit sehr wenig Kohlenwasserstoff aufzulösen. Insbesondere wurde gezeigt, dass eine relativ geringe Einspritzung von Kohlenwasserstoff (das heißt, ungefähr 1/100–1/1000 einer Gesamtmenge von verbrauchtem Kraftstoff) die Oxidschicht in ungefähr 5–300 Sekunden auflösen kann und dies mit einer ungefähr zwanzigfach höheren Effizienz verglichen mit der alleinigen Verwendung einer erhöhten NO-Konzentrationen. Demzufolge ist das offenbarte System sehr reaktionsschnell und effizient. Zusätzlich können viele Leistungssysteme bereits mit einem im Abgas angeordneten Kraftstoffinjektor ausgestattet sein, der zum aktiven Regenerieren eines DPF und/oder Heizen einer SCR-Vorrichtung verwendet wird. Demzufolge kann die selektive Verwendung desselben Kraftstoffinjektors zum Regenerieren eines DOC nur wenige oder keine neuen Systemteile benötigen.
Fachmänner werden erkennen, dass unterschiedliche Modifikationen und Variationen an dem System der vorliegenden Offenbarung ohne Verlassen des Umfangs der Offenbarung gemacht werden können. Andere Ausführungsformen werden Fachmännern aus der Berücksichtigung der Beschreibung und der Anwendung des hier offenbarten Systems erkennbar sein. Beispielsweise wird darauf hingewiesen, dass zusätzlich zum Verwenden des Injektors 46 zum Erhöhen einer Menge von Kohlenwasserstoff, der durch den DOC 44 nach der Bildung der Oxidschicht strömt, die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Einstellvorrichtungen, die oben besprochen wurden (beispielsweise das Drosselventil, die variablen Ventilaktuatoren, das VGT etc.), auch zum Helfen beim Entfernen der Oxidschicht verwendet werden können. Ferner wird darauf hingewiesen, dass anstatt der Verwendung des Injektors 46 zum Einspritzen von Kraftstoff und selektiven Entfernen der Oxidschicht von dem DOC 44, die Kraftstoffinjektoren 15 zusätzlich verwendet werden können zum Einspritzen der kleinen Mengen von Kraftstoff, die benötigt werden zum Entfernen, zu einer Zeit, wenn der eingespritzte Kraftstoff nicht vollständig in den Zylindern 14 verbrennt (beispielsweise bei einer späten Nacheinspritzung oder während einer Einspritzung, wenn die entsprechenden Zylinder 14 deaktiviert sind). Wenn die Kraftstoffinjektoren 15 verwendet werden zum Regenerieren des DOC 44, können der Injektor 46, die Zufuhr 48 und die Vorrichtung 50 weggelassen werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, und auf ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre Äquivalente hingewiesen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Inverse Hysteresis During The NO Oxidation an Pt Under Lean Conditions” besprochen, der von W. Hauptmann et al. geschrieben und am 16. September 2009 [0004]

Claims

Abgassystem (18) für einen Verbrennungsmotor (10), mit: einem Abgaskanal (26), der zum Empfangen eines Abgasstroms von dem Verbrennungsmotor (10) ausgebildet ist, einem Oxidationskatalysator (44), der in dem Abgaskanal (26) angeordnet ist, einem Kraftstoffinjektor (38), der zum selektiven Einspritzen von Kraftstoff in das Abgas an einer Stelle stromaufwärts des Oxidationskatalysators (44) ausgebildet ist, einem Temperatursensor (54), der zum Erzeugen eines Signals, das auf eine Temperatur des durch den Abgaskanal (26) strömenden Abgases hinweist, ausgebildet ist, und einer Steuerung (52), die in Verbindung mit dem Kraftstoffinjektor (38) und dem Temperatursensor (54) steht, wobei die Steuerung (52) ausgebildet ist zum: Vornehmen einer Bestimmung, dass sich eine Oxidschicht auf dem Oxidationskatalysator (44) gebildet hat, basierend auf dem Signal, und Regeln des Betriebs des Kraftstoffinjektors (38) zum Einspritzen von Kraftstoff und Reduzieren der Oxidschicht basierend auf der Bestimmung.
Abgassystem (18) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (52) zum Vornehmen der Bestimmung, dass sich eine Oxidschicht gebildet hat, wenn das Signal darauf hinweist, dass eine Temperatur des Abgases, das durch den Abgaskanal (26) strömt, eine Schwellwerttemperatur überschritten hat, ausgebildet ist.
Abgassystem (18) nach Anspruch 2, wobei die Steuerung (52) zum Vornehmen der Bestimmung, dass sich eine Oxidschicht gebildet hat, wenn das Signal anzeigt, dass die Temperatur des Abgases, das durch den Abgaskanal (26) strömt, über der Schwellwerttemperatur für eine Schwellwertzeitdauer verblieben ist, ausgebildet ist.
Abgassystem (18) nach Anspruch 2, wobei die Schwellwerttemperatur eine Temperatur ist, bei welcher ungefähr 60–100% des Oxidationskatalysators (44) durch die Oxidschicht bedeckt ist.
Abgassystem (18) nach Anspruch 4, wobei der durch den Kraftstoffinjektor (38) eingespritzte Kraftstoff zum Reduzieren der Oxidschicht ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgasstroms um weniger als ungefähr 5% verändert.
Abgassystem (18) nach Anspruch 4, wobei der durch den Kraftstoffinjektor (38) eingespritzte Kraftstoff zum Reduzieren der Oxidschicht die Temperaturen um weniger als ungefähr 30°C erhöht.
Abgassystem (18) nach Anspruch 4, wobei der durch den Kraftstoffinjektor (38) eingespritzte Kraftstoff während einer einzelnen Salve in dem Abgasstrom zum Reduzieren der Oxidschicht ungefähr 100 bis 1000 ppm beträgt und die Steuerung (52) zum Fortsetzen der Einspritzungen in ungefähr fünf Minuten-Intervallen, solange die Temperatur des durch den Abgaskanal (26) strömenden Abgases über der Schwellwerttemperatur verbleibt, ausgebildet ist.
Abgassystem (18) nach Anspruch 2, wobei die Steuerung (52) zum Regeln des Betriebs des Kraftstoffinjektors (38) zum Einspritzen von Kraftstoff, wenn das Signal darauf hinweist, dass das durch den Abgaskanal (26) strömende Abgas sich abkühlt, ausgebildet ist.
Abgassystem (18) nach Anspruch 1, ferner mit einem Partikelfilter (32), der zum Regenerieren bei Vorhandensein von NO₂, das durch den Oxidationskatalysator (44) erzeugt wird, ausgebildet ist oder einer Reduktionsvorrichtung, die zum Reduzieren eines Bestandteils des Abgases bei Vorhandensein von NO und NO₂, das durch den Oxidationskatalysator (44) erzeugt wurde, ausgebildet und in dem Abgaskanal (26) stromabwärts von dem Oxidationskatalysator (44) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems (18), aufweisend: Leiten des Abgases durch einen Oxidationskatalysator (44), Vornehmen einer Bestimmung, dass sich eine Oxidschicht auf dem Oxidationskatalysator (44) gebildet hat, und selektives Einbringen einer Kraftstoffsalve in das Abgas, das durch den Oxidationskatalysator (44) geleitet wird, zum Reduzieren der Oxidschicht basierend auf der Bestimmung.