JP2015081602A

JP2015081602A - ガス還元剤噴射制御システム

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Publication number: JP2015081602A
Application number: JP2014210349A
Authority: JP
Inventors: マルティ・ナラシンガ・ラオ・デヴァラコンダ; Narasinga Rao Devarakonda Maruthi
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2015-04-27
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: US9243534B2; CN104564271B; KR102265867B1; EP2865859A1; JP6466130B2; CN104564271A; KR20150047425A; US20150113962A1; EP2865859B1

Abstract

【課題】排気後処理のための尿素噴射制御システムを提供する。
【解決手段】選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒１３５は、エンジン１０５から生成される排気流と流体連通状態にある。酸化触媒（ＯＣ）１１５は、ＳＣＲ触媒１３５の上流にあり、排気流と流体連通状態にある。ガス還元剤インジェクタ１２５は、ＳＣＲ触媒１３５の上流でかつＯＣ１１５の下流にあり、排気流と流体連通状態にある。第１のガスセンサ１４５はＯＣの上流にあり、第２のガスセンサ１４５はＳＣＲ触媒１３５の下流にある。コントローラ１５５は、第１のガスセンサ１４５および第２のガスセンサ１４５によって排気流内で検出されるガス濃度を表す信号を受信し、ガス濃度から排気流内の酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ₂）の濃度を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、燃焼プロセスから汚染物質排出を低減することに関し、より詳細には、リーンバーンエンジンから生成される窒素酸化物（ＮＯ_X）またはアンモニア（ＮＨ₃）排出の排気後処理のためのガス還元剤噴射制御システムに関する。

ディーゼル駆動式および天然ガス駆動式車両、機器、および発電機によって使用されるような排気後処理エンジンは、リッチバーンエンジンと比較して高い空気燃料比で燃焼する。本来、リーンバーンエンジンは、同様のサイズのリッチバーンエンジンの同等の電力を生成しながら、少ない燃料を使用する。しかし、リーンバーンエンジンは、一般に燃料の希薄混合物（すなわち、燃料と共に導入される過剰な空気）に関連する遅い燃焼速度のため、ＮＯ_XおよびＮＨ₃排出が増加する。後処理オプションは、通常、リーンバーンエンジンの排気からＮＯ_XおよびＮＨ₃排出を低減するために使用される。

米国特許第８４１８４４２号明細書

本発明の一態様では、システムが提供される。本発明のこの態様では、システムはエンジンを備える。選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒は、エンジンから生成される排気流と流体連通状態にある。酸化触媒（ＯＣ）は、ＳＣＲ触媒の上流にあり、排気流と流体連通状態にある。ＳＣＲ触媒の上流でかつＯＣの下流のガス還元剤インジェクタは、排気流と流体連通状態にある。第１のガスセンサはＯＣの上流にあり、第２のガスセンサはＳＣＲ触媒の下流にある。コントローラは、第１のガスセンサ、第２のガスセンサ、およびガス還元剤インジェクタに動作可能に接続される。コントローラは、第１のガスセンサおよび第２のガスセンサによって排気流内で検出されるガス濃度を表す信号を受信し、第１のガスセンサおよび第２のガスセンサによって検出されるガス濃度に従って排気流内の酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ₂）の濃度を推定し、ＮＯおよびＮＯ₂の推定値に基づいてガス還元剤インジェクタによって排気流内に噴射されるガス還元剤の流量を決定する。

本発明の別の態様では、エンジンから生成される排気ガスの排気後処理のための尿素噴射制御システムが提供される。本発明のこの態様では、システムは、排気ガスと流体連通状態にある選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒を備える。酸化触媒（ＯＣ）はＳＣＲ触媒の上流で、排気ガスと流体連通状態にある。ＳＣＲ触媒の上流でかつＯＣの下流の尿素溶液インジェクタは排気ガス内に尿素を噴射する。ＯＣの上流の第１のガスセンサは、排気ガス内のガス濃度を検出する。ＳＣＲ触媒の下流の第２のガスセンサは、排気ガス内のガス濃度を検出する。排気流と流体連通状態にある複数のセンサは、エンジンの外の動作条件を検出する。コントローラは、第１のガスセンサ、第２のガスセンサ、複数のガスセンサ、および尿素溶液インジェクタに動作可能に接続される。コントローラは、第１のガスセンサおよび第２のガスセンサによって検出されるガス濃度ならびに複数のセンサによって検出される動作条件に従って排気ガス内の酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ₂）の濃度を推定する。コントローラは、ＮＯおよびＮＯ₂の推定値ならびに検出された動作条件に基づいて尿素溶液インジェクタによって排気ガス内に噴射される尿素の流量を決定する。

本発明の実施形態によるエンジンの排気後処理のためのガス還元剤噴射制御システムの略ブロック図である。本発明の実施形態による図１に示すシステムの動作を述べるフロー図である。

本発明の種々の実施形態は、リーンバーンエンジンなどのエンジンから生成される排気ガス内の酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ₂）、およびアンモニア（ＮＨ₃）を推定することであって、それにより、窒素酸化物（ＮＯ_X）およびＮＨ₃排出が低減されるように排気に関して後処理を実施する、推定することを対象とする。一実施形態では、エンジンから生成される排気流は、酸化触媒（ｏｘｉｄａｔｉｏｎｃａｔａｌｙｓｔ）（ＯＣ）および選択的触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｃａｔａｌｙｔｉｃｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）（ＳＣＲ）触媒に適用される。ガス還元剤インジェクタは、ＯＣとＳＣＲ触媒との間の排気流内にガス還元剤を噴射する。ＯＣの上流でかつＳＣＲ触媒の下流に配置されたガスセンサは、排気流内のガスの濃度の測定値を得る。ＯＣおよびＳＣＲ触媒のモデルを有する推定器を含むコントローラは、ガス濃度測定値を、エンジンの外の他の動作条件と共に受信する。一実施形態では、推定器は、ガス濃度測定値および動作条件に基づいて排気流内のＮＯおよびＮＯ₂の濃度を推定する。ＮＯおよびＮＯ₂を測定することが可能であるセンサが現在のところ存在しないため、推定器による排気流内でのこれらの濃度の推定は、これらのガスのバーチャル検知と同等である。コントローラ内の制御アルゴリズムは、その後、推定されたＮＯおよびＮＯ₂濃度を使用して、排気流内に噴射されるガス還元剤の流量を決定しうる。ガス還元剤インジェクタは、その後、所定の流量で排気流内にガス還元剤を噴射する。別の実施形態では、ガス濃度測定値および動作条件に基づいて排気流内のＮＨ₃の濃度を推定しうる。コントローラ内の制御アルゴリズムは、その後、推定されたＮＨ₃濃度を使用して、ガス還元剤インジェクタによって排気流内に噴射されるガス還元剤の流量を決定しうる。

排気流内のＮＯ、ＮＯ₂、ＮＨ₃濃度をこうして推定することは、本発明の種々の実施形態が、後処理制御システムによって流れからの有害な排出の最適な低減を促進する効果的なモデルベースガス還元剤制御戦略を提供することを可能にする。結果として、後処理制御システムにおいて使用されるセンサ数量は、最小化され、制御システムに関連する動作コストを下げうる。これらの技術的な効果は、本発明の種々の実施形態に関連する態様の一部を例証し、制限的であることは意図されない。

図１は、本発明の第１の実施形態による内燃エンジン１０５用のガス還元剤噴射制御システム１００の略ブロック図である。一実施形態では、エンジン１０５は、ディーゼルエンジンまたは天然ガスエンジンなどのリーンバーンエンジンでありうる。本明細書で使用されるように、リーンバーンエンジンは、燃焼される燃料の量に対して過剰の空気または他の希釈剤を有する任意の燃焼システムである。続く説明は、リーンバーンエンジンなどの内燃エンジン内の排気後処理のためのガス還元剤噴射制御システムに関するが、本発明の種々の実施形態が、ＮＯ_XおよびＮＨ₃などの排出について排気が処理される、固定燃焼機と可動燃焼機の両方を含む任意のリーンバーン燃焼機と共に使用するのに適する場合があることが理解されるべきである。例は、ディーゼルエンジンあるいは他の圧縮点火またはスパーク点火エンジンなどの、リーンバーンガス燃料レシプロエンジン、リーンバーン液体燃料レシプロエンジン、またはガスタービンを含む。

エンジン１０５は、ＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃を含む窒素酸化物（ＮＯ_X）を含有しうるガスの排気流１１０を生成する。排気流１１０は、ガス還元剤噴射制御システム１００内でＯＣ１１５に入る。ＯＣ１１５は、ディーゼル粒子状物質（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｍａｔｔｅｒ）（ＰＭ）の可溶性有機成分（ｓｏｌｕｂｌｅｏｒｇａｎｉｃｆｒａｃｔｉｏｎ）（ＳＯＦ）を含む一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を酸化して、二酸化炭素（ＣＯ₂）および水（Ｈ₂Ｏ）にし、酸化済み排気流１２０をもたらしうる。一実施形態では、ＯＣ１１５は、ディーゼル用酸化触媒（ｄｉｅｓｅｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｃａｔａｌｙｓｔ）（ＤＯＣ）を含みうる。

一実施形態では、ガス還元剤インジェクタ１２５は、ガス還元剤を酸化済み排気流１２０内に噴射し、還元剤に富む排気流１３０を生成し、その排気流１３０は、ＮＯ_Xが窒素（Ｎ₂）およびＨ₂Ｏに変換される排気流の後続の還元反応を促進する。一実施形態では、ガス還元剤インジェクタ１２５は、尿素（ＮＨ₂ＣＯＮＨ₂）の溶液を酸化済み排気流１２０内に噴射して、尿素に富む排気流を生成する尿素溶液インジェクタ（たとえば、投与モジュール）である。尿素の溶液は、尿素およびＨ₂Ｏの水性混合物を含みうる。動作中、尿素溶液インジェクタは、排気流を搬送するパイプまたは導管を通して尿素溶液を酸化済み排気流１２０内に噴射しうる。尿素は、その後、ＮＨ₃およびＣＯ₂に分解しうる。ＮＨ₃およびＣＯ₂は、その後、排気流と混合して、ＮＯ_XがＮ₂およびＨ₂Ｏに変換される、排気流の後続の還元反応を促進しうる。ガス還元剤としての尿素の使用が、例に過ぎず、本明細書で述べる本発明の種々の実施形態の範囲を制限することが意図されないことが理解される。たとえばＮＨ₃などの他のガス還元剤が、本発明の実施形態で使用するのに適することを当業者は認識するであろう。

図１に示すように、還元剤に富む排気流１３０は、ＳＣＲ触媒１３５に入り、そこで、還元反応が起こり、ＮＯ_XをＮ₂およびＨ₂Ｏに変換させる。一実施形態では、ＳＣＲ触媒１３５は、通過する排気ガスが複数の触媒部位と相互作用するように、ハニカムで配列された金属ゼオライトを含有しうる。こうして、還元剤に富む排気流１３０は、ＳＣＲ触媒１３５内に押し流され、そこで、ガス還元剤が、ＮＨ₃およびＣＯ₂に分解する。ＳＣＲ触媒１３５の内部に入ると、窒素酸化物は、金属ゼオライトの圧力下でＮＨ₃と反応して、窒素ガス（Ｎ₂）および水蒸気を生成する。洗浄済み排気流１４０は、その後、ＳＣＲ触媒１３５を出る。尿素溶液が、尿素溶液インジェクによって排気流内に噴射される実施形態では、尿素に富む排気は、同様にＳＣＲ触媒１３５内に押し流されうる。尿素は、ＮＨ₃およびＣＯ₂に分解する。ＳＣＲ触媒１３５の内部で、窒素酸化物は、金属ゼオライトの圧力下でＮＨ₃と反応して、窒素ガスおよび水蒸気を生成する。

ゼオライトが、還元反応を促進せるための触媒として述べられるが、ＮＨ₃およびＣＯ₂の窒素およびＨ₂Ｏへの変換を促進させるための、ＳＣＲ触媒１３５に関連する選択的還元プロセスで使用されうるいくつかの知られている触媒が存在することを当業者は認識するであろう。たとえば、触媒は、限定することなく、バナジウム、鉄、または銅の化合物、および、卑金属交換ゼオライトを含みうる。

ガス還元剤噴射制御システム１００は、エンジン１０５から生成される排気流の周りに配置されたガスセンサ１４５を含みうる。一実施形態では、ガスセンサ１４５は、ＯＣ１１５の上流に配置されて、排気流１１０内で検出されるガス濃度を測定しうる。別のガスセンサ１４５は、ＳＣＲ触媒１１５の下流に配置されて、洗浄済み排気流１４０内で検出されるガス濃度を測定しうる。一実施形態では、ガスセンサ１４５は、ＮＯ_Xセンサでありうる。他の実施形態では、ガスセンサ１４５は、排気流内のアンモニアの濃度を測定または検出するＮＨ₃センサでありうる。さらに別の実施形態では、ガスセンサ１４５は、１つのＮＯ_Xセンサおよび１つのＮＨ₃センサの組合せでありうる。限定はしないがＮＯ、ＮＯ₂、またはＮＨ₃を含む、排気後処理によって制御される１つまたは複数のガスに敏感な任意のガスセンサが、本発明の種々の実施形態と共に使用するのに適することを当業者は認識するであろう。

他のガスセンサ１５０は、エンジンの外の場所で排気流１１０の周りに配置される。特に、センサ１５０は、排気流と流体連通状態にあり、各センサは、エンジン１０５の外の動作条件を検出する。一実施形態では、センサ１５０は、排気ガスの流量を検出する流量センサ、排気ガスの温度を検出する温度センサ、および、排気ガスの圧力を検出する圧力センサを含みうる。他のセンサが、排気流１１０の周りに配置されるかまたは排気流１１０と流体連通状態になって、還元剤に富む排気流１３０および洗浄済み排気流１４０を含む排気流に関連する他の動作条件（たとえば、空気流量）を測定しうることを当業者は認識するであろう。さらに、ある測定パラメータ（たとえば、負荷、速度）を測定するためにエンジン１０５の周りに配置される他のセンサが存在する場合がある。

コントローラ１５５は、ガスセンサ１４５によって排気流内で検出されるガス濃度を表す信号、および、センサ１５０によって検出される動作条件を表す信号を受信する。一実施形態では、コントローラ１５５は、これらの信号を使用して、ＳＣＲ触媒１３５の上流で、エンジン１０５から生成される排気流内のＮＯおよびＮＯ₂の濃度を推定しうる。別の実施形態では、コントローラ１５５は、その信号を使用して、ＳＣＲ触媒１３５の上流で、エンジン１０５から生成される排気流内のＮＨ₃の濃度を推定しうる。

コントローラ１５５は、その後、ＮＯおよびＮＯ₂の推定値またはＮＨ₃の推定値に基づいてガス還元剤インジェクタ１２５によって排気流内に噴射されるガス還元剤（たとえば、尿素溶液）の流量を決定しうる。決定された流量を使用して、コントローラ１５５は、その後、酸化済み排気流１２０内に噴射されるガス還元剤の流量を調整しうる。特に、コントローラ１５５は、ガス還元剤（たとえば、尿素溶液）が酸化済み排気流１２０内に噴射される流量を増減して、洗浄済み排気流１４０内のＮＯ、ＮＯ₂、ＮＨ₃排出を最小にしうる。結果として、コントローラ１５５は、ＮＯ_XおよびＮＨ₃排出を最小にしながら、最適なガス還元剤噴射レートが使用されることを保証しうる。

コントローラ１５５は、ガスセンサ１４５によって排気流内で検出されるガス濃度およびセンサ１５０によって検出される動作条件を受信し、排気流内のＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃の濃度を推定する推定器１６０または観測器を含みうる。一実施形態では、推定器１６０は、ＯＣ１１５内の酸化反応をリアルタイムにモデル化するＯＣモデルおよびＳＣＲ触媒１３５内の触媒反応をリアルタイムにモデル化するＳＣＲ触媒モデルを含みうる。推定器１６０はまた、エンジン１０５の排気流内で生成する排出濃度をモデル化する排出モデルを得るように構成されうる。ＯＣモデル、ＳＣＲ触媒モデル、および排出モデルが、当技術分野でよく知られており、制御および線形システム理論に基づく原理を使用して推定器１６０内に埋め込まれうることを当業者は認識するであろう。

動作中、推定器１６０は、ガスセンサ１４５によって排気流内で検出されるガス濃度およびセンサ１５０によって検出される動作条件を、ＯＣモデル、ＳＣＲ触媒モデル、および排出モデル（またはマップ）に適用して、排気流内のＮＯおよびＮＯ₂の濃度を推定しうる。推定器１６０は、排気流内のＮＯおよびＮＯ₂の濃度を推定しうる。その理由は、数学ベースのＯＣおよびＳＣＲモデルが、種の保存、質量移動、反応化学に基づいて、関連する種の濃度（ＮＯ、ＮＯ₂、ＮＨ₃）をモデル化するからである。入力としての、エンジンの外のＮＯ_Xセンサの読みおよびＳＣＲ後の外のＮＯ_Xセンサの読みならびに質量流量および温度などの関連する排気データに基づいて、推定器１６０は、ＳＣＲ入口におけるＮＯおよびＮＯ₂の濃度をガス還元剤インジェクタ（たとえば、尿素噴射制御システム）に提供しうる。米国特許第８，２３０，６７７号は、推定器１６０によって展開されるＯＣおよびＳＣＲモデルにおいて使用されうる方程式の詳細を提供する。

上述した方法で動作することによって、推定器１６０は、本質的に線形観測器または非線形観測器として働きうる。すなわち、推定器１６０は、ガスセンサ１４５によって生成されるガス濃度、およびセンサ１５０によって生成される動作条件を観測し、ＯＣモデル、ＳＣＲ触媒モデル、および排出モデルを使用して、ＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃の推定値を生成する。一実施形態では、拡張カルマンフィルタが使用されて、ＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃の濃度を推定する線形観測器または非線形観測器を実装しうる。

図１に示すように、コントローラ１５５は、推定器１６０からＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃の濃度推定値を受信する制御アルゴリズム１６５をさらに含みうる。制御アルゴリズム１６５は、その後、ガス還元剤インジェクタ１２５によって排気流内に噴射されるガス還元剤（たとえば、尿素溶液）の流量を決定しうる。特に、制御アルゴリズム１６５は、推定器１６０が推定したＳＣＲ触媒内のＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃の状態を考慮することによって流量を決定しうる。本質的に、制御アルゴリズム１６５は、排気流内でＮＯ_XおよびＮＨ₃排出を最小にするために付加されるべきガス還元剤の最適量を決定する。こうして制御アルゴリズム１６５によるコントローラ１５５が使用されて、排気内のどんな条件を保証するかに応じて排気流内に噴射されるガス還元剤（たとえば、尿素）の量を増減しうる。

コントローラ１５５は、１つまたは複数の弁の動作に関連する制御ロジックを含む電子デバイスまたはコンピュータ実装式デバイスを備えうる。この制御ロジックおよび／またはコントローラ１５５によってモニタリングされる１つまたは複数の動作パラメータに従って、コントローラは、電子信号をガス還元剤インジェクタ１２５に送信し、それにより、ガス還元剤が排気流内に噴射される流量を制御しうる。

一実施形態では、コントローラ１５５によって実施される処理動作は、全体的にハードウェアの実施形態またはハードウェア要素とソフトウェア要素の両方を含む実施形態の形態で実装されうる。たとえば、全体のシステムレベル制御用の主または中央プロセッサセクション、ならびに、中央プロセッサセクションの制御下で種々の異なる特定の組合せ、機能、および他のプロセスを実施することに専用の別個のセクションを有する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの単一の専用集積回路が使用されうる。コントローラ１５５はまた、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの適切にプログラムされた汎用コンピュータ、あるいは、中央処理ユニット（ＣＰＵ）またはマイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）などの他のプロセスデバイスを、単独でまたは１つまたは複数の周辺データおよび信号処理デバイスと共に使用して実装されうる。一般に、コントローラ１５５によって実施される種々のプロセス機能を表すロジックフローを有限状態機械がそこで実装することが可能な任意のデバイスまたは同様のデバイスが使用されうる。コントローラ１５５はまた、ディスクリート要素回路を含む実配線の電子またはロジック回路などの種々の別個の専用のまたはプログラマブルな集積回路またはデバイスあるいは他の電子回路またはデバイス、あるいは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、プログラマブルアレイロジックデバイス（ＰＡＬ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、または同様なものなどのプログラマブルロジックデバイスを使用して実装されうる。

一実施形態では、コントローラ１５５によって実施される処理機能は、限定はしないが、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含むソフトウェアで実装されうる。さらに、コントローラ１５５によって実施される処理機能は、コンピュータまたは任意の命令実行システム（たとえば、処理ユニット）が使用するためまたはそれに関連して使用するために、プログラムコードを提供するコンピュータ使用可能媒体またはコンピュータ可読媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形態をとりうる。この説明のために、コンピュータ使用可能媒体またはコンピュータ可読媒体は、コンピュータまたは命令実行システムが使用するためまたはそれに関連して使用するためにプログラムを収容または記憶しうる任意のコンピュータ可読記憶媒体でありうる。

コンピュータ可読媒体は、電子システム、磁気システム、光システム、電磁システム、赤外線システム、または半導体システム（あるいは装置またはデバイス）でありうる。コンピュータ可読媒体の例は、半導体または固体メモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、リジッド磁気ディスク、および光ディスクを含む。光ディスクの現在のところの例は、コンパクトディスク−読出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク−読出し／書込み（Ｒ／Ｗ）およびデジタルビデオディスク（ＤＶＤ）を含む。

図２は、本発明の実施形態による図１に示すシステム１００の動作を述べるフロー図２００である。図２に示すように、センサの読みは、２０５にて、エンジンの排気流から得られる。これは、ガスセンサ１４５から得られるガス濃度およびエンジン１０５（図１）の外に配置されるセンサ１５０からの動作条件を得ること含みうる。

フロー図２００を続けると、ＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃の濃度が、２１０にて推定される。これは、ガスセンサ１４５およびセンサ１５０から得られるデータを、推定器１６０に記憶されたＯＣモデル、ＳＣＲ触媒モデル、および排出濃度モデルに適用することであって、それにより、上述した方法でＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃の濃度を推定する、適用することを含みうる。

排気流内に噴射されるガス還元剤の流量は、その後、２１５にて決定されうる。特に、ＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃の推定された濃度が、制御アルゴリズム１６５（図１）によって使用されて、ガス還元剤インジェクタ１２５（図１）によって排気流内に噴射されるガス還元剤の流量を決定しうる。

ガス還元剤インジェクタ１２５は、その後、２２０にて決定された流量で排気流内にガス還元剤（たとえば、尿素）を噴射しうる。こうして、ガス還元剤は、連続的に、増加されるか、減少されるか、または、条件が流量の変化を保証しない場合、その現在のレートで維持されうる。結果として、最適量のガス還元剤が、排気流内に噴射され、それが、ＮＯ_XおよびＮＨ₃排出の最小化を促進する。

先の図２のフローチャートは、ガス還元剤噴射制御システム１００を使用することに関連する処理機能の一部を示す。この点に関して、図の各ブロックは、排気後処理システム１００の機能を実施することに関連するプロセス行為を示す。いくつかの代替の実装態様では、ブロックで述べられる行為が、図で述べられる順序からはずれて起こる場合がある、またはたとえば、関係する行為に応じて、実際には、実質的に同時にまたは逆の順序で実施される場合があることも留意されるべきである。処理機能を述べるさらなるブロックが付加される場合があることを当業者は認識するであろう。

本明細書で述べたように、本発明の種々の実施形態は、尿素溶液などのガス還元剤の消費を最小にしながら、燃焼プロセスからＮＯ_XおよびＮＨ₃排出を最小化するためのシステムを提供する。特に、本発明の種々の実施形態は、排気流内に噴射されるガス還元剤の最適量を決定するために、排気流内のＮＯ、ＮＯ₂、およびＮＨ₃の濃度を推定することを対象とする。これは、排気後処理制御システムによって取除かれうる有害な排出の低減になる。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を述べるためだけのものであり、本開示を制限することを意図されない。本明細書で使用するとき、単数形「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数形も含むことが意図される。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、本明細書で使用されるとき、述べる特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／またはコンポーネントの存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、および／またはそのグループの存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。用語「前の（ｆｒｏｎｔ）」および「後の（ｂａｃｋ）」が、制限的であることを意図されず、適切である場合、交換可能であることを意図されることがさらに理解される。
本開示が、本開示の好ましい実施形態に関連して、特に示され述べられたが、変形および修正が当業者の心に浮かぶことが認識されるであろう。したがって、添付特許請求の範囲が、本開示の真の趣旨に入る全てのこうした修正および変更を包含することを意図されることが理解される。

１００ガス還元剤噴射制御システム
１０５内燃エンジン
１１０排気流
１１５ＤＯＣ
１２０酸化済み排気流
１２１蒸気タービン内のＬＰタービンセクション
１２２腹水ポンプ
１２３蒸気タービン内のＩＰタービンセクション
１２４ボイラフィーダポンプ
１２５ガス還元剤インジェクタ
１３０還元剤に富む排気流
１３５ＳＣＲ触媒
１４０洗浄済み排気流
１４５ガスセンサ
１５０センサ
１５５コントローラ
１６０推定器
１６５制御アルゴリズム
２００フロー図
２０５〜２２０フローチャート内のプロセス行為

Claims

システムであって、
エンジンと、
前記エンジンから生成される排気流と流体連通状態にある選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒と、
前記ＳＣＲ触媒の上流の、前記排気流と流体連通状態にある酸化触媒（ＯＣ）と、
前記ＳＣＲ触媒の上流でかつ前記ＯＣの下流の、前記排気流と流体連通状態にあるガス還元剤インジェクタと、
前記ＯＣの上流の第１のガスセンサと、
前記ＳＣＲ触媒の下流の第２のガスセンサと、
前記第１のガスセンサ、前記第２のガスセンサ、および前記ガス還元剤インジェクタに動作可能に接続されたコントローラとを備え、前記コントローラは、前記第１のガスセンサおよび前記第２のガスセンサによって前記排気流内で検出されるガス濃度を表す信号を受信し、前記第１のガスセンサおよび前記第２のガスセンサによって検出される前記ガス濃度に従って前記排気流内の酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ₂）の濃度を推定し、前記ＮＯおよびＮＯ₂の推定値に基づいて前記ガス還元剤インジェクタによって前記排気流内に噴射されるガス還元剤の流量を決定するシステム。
前記第１のガスセンサおよび前記第２のガスセンサは、窒素酸化物（ＮＯ_X）センサ、アンモニアセンサ、およびその組合せのうちの１つを備える請求項１記載のシステム。
前記コントローラは、ＯＣモデルおよびＳＣＲ触媒モデルを備える請求項１記載のシステム。
前記コントローラは、前記エンジンの前記排気流内で生成される排出濃度を表す排出モデルを得るように構成される請求項３記載のシステム。
前記排気流と流体連通状態にある複数のセンサであって、それぞれのセンサが前記エンジンの外の動作条件を検出する、複数のセンサをさらに備える請求項４記載のシステム。
前記複数のセンサは、流量センサ、温度センサ、および圧力センサを含む請求項５記載のシステム。
前記コントローラは、前記第１のガスセンサおよび前記第２のガスセンサによって検出される前記ガス濃度ならびに前記複数のセンサによって検出される前記エンジンの外の前記動作条件に従って前記ＮＯおよびＮＯ₂の濃度を推定する請求項５記載のシステム。
前記コントローラは、前記第１のガスセンサおよび前記第２のガスセンサによって検出される前記ガス濃度に従って前記排気流内のアンモニア（ＮＨ₃）の濃度を推定するようにさらに構成される請求項１記載のシステム。
前記ガス還元剤インジェクタは、尿素溶液インジェクタである請求項１記載のシステム。
前記エンジンは、リーンバーンエンジンを備える請求項１記載のシステム。
エンジンから生成される排気ガスの排気後処理のための尿素噴射制御システムであって、
前記排気ガスと流体連通状態にある選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒と、
前記ＳＣＲ触媒の上流で、前記排気ガスと流体連通状態にある酸化触媒（ＯＣ）と、
前記ＳＣＲ触媒の上流でかつ前記ＯＣの下流の、前記排気ガス内に尿素を噴射する尿素溶液インジェクタと、
前記ＯＣの上流の、前記排気ガス内のガス濃度を検出する第１のガスセンサと、
前記ＳＣＲ触媒の下流の、前記排気ガス内のガス濃度を検出する第２のガスセンサと、
前記排気流と流体連通状態にある、前記エンジンの外の動作条件を検出する、複数のセンサと、
前記第１のガスセンサ、前記第２のガスセンサ、前記複数のセンサ、および前記尿素溶液インジェクタに動作可能に接続されたコントローラとを備え、前記コントローラは、前記第１のガスセンサおよび前記第２のガスセンサによって検出される前記ガス濃度ならびに前記複数のセンサによって検出される前記動作条件に従って前記排気ガス内の酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ₂）の濃度を推定し、前記コントローラは、前記ＮＯおよびＮＯ₂の推定値ならびに前記検出された動作条件に基づいて前記尿素溶液インジェクタによって前記排気ガス内に噴射される尿素の流量を決定するシステム。
前記第１のガスセンサおよび前記第２のガスセンサは、窒素酸化物（ＮＯ_X）センサ、アンモニアセンサ、およびその組合せのうちの１つを備える請求項１１記載のシステム。
前記コントローラは、ＯＣモデルおよびＳＣＲ触媒モデルを有する推定器を備える請求項１１記載のシステム。
前記推定器は、前記エンジンの前記排気ガス内で生成される排出濃度を表す排出モデルを得るように構成される請求項１３記載のシステム。
前記推定器は、線形観測器および非線形観測器の一方である請求項１３記載のシステム。
前記コントローラは、前記推定器から前記ＮＯおよびＮＯ₂の濃度推定値を受信し、前記尿素溶液インジェクタによって前記排気ガス内に噴射される尿素の流量を決定する制御アルゴリズムを備える請求項１３記載のシステム。
前記複数のガスセンサは、前記排気ガスの流量を検出する流量センサ、前記排気ガスの温度を検出する温度センサ、および、前記排気ガスの圧力を検出する圧力センサを含む請求項１１記載のシステム。
前記コントローラは、前記第１のガスセンサおよび前記第２のガスセンサによって検出される前記ガス濃度、前記排気ガスの流量、前記排気ガスの温度、および前記排気ガスの圧力に従って前記ＮＯおよびＮＯ₂の濃度を推定する請求項１７記載のシステム。
前記コントローラは、前記第１のガスセンサおよび前記第２のガスセンサによって検出される前記ガス濃度に従って前記排気流内のアンモニア（ＮＨ₃）の濃度を推定するようにさらに構成される請求項１１記載のシステム。
前記コントローラは、前記ＮＨ₃濃度推定値を受信し、前記尿素溶液インジェクタによって前記排気ガス内に噴射される前記尿素の流量を決定する制御アルゴリズムを備える請求項１９記載のシステム。