WO2016145468A1 - Verfahren zum ermitteln der konzentration zumindest eines reaktionsproduktes am ausgang eines katalysators - Google Patents

Verfahren zum ermitteln der konzentration zumindest eines reaktionsproduktes am ausgang eines katalysators Download PDF

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Boris BULATOVIC
Peter LICHTENBERGER
Barbara WEIRUM
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the concentration of at least one reaction product at the outlet of a catalyst, in particular a diesel oxidation catalyst, in the exhaust system of an internal combustion engine.
  • No. 8,474,248 B2 discloses a model-based method for determining the N H3 metering rate for an internal combustion engine, in whose exhaust gas line a diesel oxidation catalyst (DOC) and an SCR catalytic converter are arranged.
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • an N H3 metering device is provided upstream of the SCR catalyst.
  • the ratio N0 2 / NOx at the input of the SCR catalyst is determined in a manner not described in detail.
  • this is done by dividing the catalyst in the flow direction into a number n of individual cells and the concentration c N0 k of NO2 at the exit of each cell by means of a discrete NC model on the basis of the respective entry-side concentration of NO2 and the reaction rate r N0 I is determined for NO in the catalyst and the concentration c N0 is assigned to NO2 at the exit of the last cell of concentration c N0 to NO2 at the outlet of the catalyst.
  • the N02 model used is a physical-based model of NO reactions in the catalyst. It requires little calibration effort and has high flexibility to be easily adapted for various exhaust aftertreatment systems. It can be implemented as an exact DOC model in common motor control systems.
  • the objective of the N02 model is to determine the concentration of NO2, in particular NO.
  • the following influences can be disregarded:
  • the concentration c N0 k () of NO 2 at sample time i is determined according to the following equation:
  • T s sample time or step size of the discretization
  • T c temperature of the catalyst in [K]
  • T EG exhaust gas temperature in [K]
  • n number of cells in discrete order
  • niEG exhaust gas mass flow
  • the NO concentration at the outlet of the catalyst can be calculated from the difference between a preferably measured by total amount of NOx upstream of the catalyst is reduced by the determined by the NO 2 model NO 2 - concentration ⁇ the - considered in the flow direction -last cell k.
  • the oxygen concentration at the outlet of the catalyst can be reduced from the difference between an oxygen concentration, preferably measured by measuring, upstream of the catalyst and that during oxidation the NO consumed amount of oxygen can be calculated.
  • At least one of the determined concentrations is supplied as an input variable for a model-based SCR control of an SCR catalytic converter connected downstream of the catalytic converter.
  • the discrete N0 2 model like the model-based SCR control, may be implemented in the engine control unit of the internal combustion engine.
  • FIGS. show schematically:
  • Fig. 2 is a divided into individual cells catalyst.
  • the method serves to determine the concentration of reaction products such as NO 2 and / or NO at the outlet of a catalyst DOC, for example a diesel oxidation catalyst, in the exhaust gas line 2 of an internal combustion engine 1.
  • a catalyst DOC for example a diesel oxidation catalyst
  • an SCR catalytic converter SCR is arranged downstream of the catalyst DOC.
  • Reference numeral 3 is a metering device for a reducing agent such as N H3 arranged.
  • a sensor 4 for determining the NO x content in the exhaust gas and a temperature sensor 5 may be arranged.
  • the measured data are supplied to an engine control unit ECU and evaluated by means of the N0 2 model with determination of the N0 2 and NO concentrations in the exhaust gas at the outlet of the catalyst DOC.
  • the reducing agent is metered by means of a model-based known SCR control implemented in the engine control unit.
  • the physical model for the catalyst DOC has a series of successive cells in the flow direction of the exhaust gas 6, so-called CSTR (Continuous Stirred Tank Reactors), with the number n, wherein the output conditions of the upstream cell are assigned to the input conditions of the adjacent downstream cell.
  • CSTR Continuous Stirred Tank Reactors
  • the physical model used is thus one-dimensional.
  • the number n of cells is chosen so that a good compromise between the accuracy of the model and the necessary computational time arises.
  • the flow direction of the exhaust gas is indicated by the arrows.
  • reaction in the catalyst DOC proceeds according to the following reaction equation:
  • reaction rate r NO l for NO in the catalyst DOC can be calculated according to the following equation: in which
  • T C temperature of the catalyst in [K]
  • the present reaction rate r N0 I is independent of the operating point and can be positive M? + O, 50 2 - »N0 2 or negative N0 2 -» NO + 0,5O 2 , depending on the direction in which the reaction takes place.
  • the physical conversion of the NO 2 catalyst model is determined by a state expressed by an inhomogeneous non-linear ordinary differential equation.
  • k stands for the cell index of the catalyst.
  • T EG temperature of the exhaust gas in [K]
  • n number of cells
  • V c volume of the catalyst
  • niEG exhaust gas mass flow
  • a R geometric surface of the catalyst.
  • the NO concentration is calculated as the total amount of the upstream NO x decreased by the oxidized NO 2.
  • the oxygen concentration is calculated by subtracting from the upstream oxygen amount the amount of oxygen consumed by the oxidized NO.
  • the discrete NO2 model can be derived as follows: Coeff v c N02 k (i) + Coeff 2 (14)
  • the NO concentration at the outlet of the catalyst DOC can be reduced from the difference between a total amount of NOx determined upstream of the catalyst DOC by the sensor 4 by the NO 2 concentration determined by the NO 2 model of the last cell 6 viewed in the flow direction be calculated.
  • the oxygen concentration at the outlet of the catalyst DOC can be calculated from the difference between an oxygen quantity, determined for example by measurement or by means of a model, upstream of the catalyst DOC reduced by the amount of oxygen consumed in the oxidation of the NO.
  • the method finds use, for example, in an exhaust gas aftertreatment system comprising ATC, DOC and SCR or DOC, DPF and SCR or ATC, DOC, DPF and SCR to determine the reaction within the catalyst (s) for model-based control of the SCR - Characterize catalyst.
  • the dis ⁇ concrete N02 model is jewei ls in the motor control ECU of the internal combustion machine in ⁇ plemented.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Konzentration zumindest eines Reaktionsproduktes am Ausgang eines Katalysators (DOC), insbesondere eines Diesel-Oxidations-Katalysators, im Abgasstrang (2) einer Brennkraftmaschine (1). Um auf einfache Weise die Reaktionen im Katalysator (DOC) möglichst exakt zu erfassen, ist vorgesehen, dass der Katalysator (DOC) in Strömungsrichtung in eine Anzahl n einzelner Zellen (6) eingeteilt wird und die Konzentration c NO 2 ,k von NO2 am Ausgang jeder Zelle (6) mittels eines diskreten NO2-Modells auf der Basis der jeweils eintrittseitigen Konzentration an NO2 und der Reaktionsrate r NO,1 für NO im Katalysator (DOC) bestimmt und die Konzentration C NO2,n an NO2 am Ausgang der letzten Zelle (6) der Konzentration c NO2 an NO2 am Ausgang des Katalysators (DOC) zugeordnet wird

Description

- -
Verfahren zum Ermitteln der Konzentration zumindest eines Reaktionsproduktes am Ausgang eines Katalysators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Konzentration zumindest eines Reaktionsproduktes am Ausgang eines Katalysators, insbesondere eines Diesel-Oxidations-Katalysators, im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine.
Die US 2009/0 158 719 AI zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Dieselbrennkraftmaschine zur Verminderung des Gehaltes an NOx, Russpartikeln und gasförmigen Kohlenwasserstoffen, wobei im Abgasstrang - in Strömungsrichtung des Abgases - hintereinander ein erster Oxidationskatalysator, ein Partikelfilter, ein SCR-Katalysator (SCR=Selective Catalytic Reduction) und ein zweiter Oxidationskatalysator angeordnet sind. Stromaufwärts des SCR- Katalysators ist eine Dosiereinrichtung zur Einbringung eines Reduktionsmittels in das Abgas angeordnet.
Die US 8,474,248 B2 offenbart ein modellbasiertes Verfahren zur Bestimmung der N H3-Dosierrate für eine Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Die- sel-Oxidationskatalysator (DOC) und ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Dabei ist stromaufwärts des SCR-Katalysators eine N H3-Dosiereinrichtung vorgesehen. Dabei wird das Verhältnis N02/NOx am Eingang des SCR-Katalysators in nicht näher beschriebener Weise ermittelt.
Eine genaue Bestimmung der Konzentrationen an NO und N02 ist erforderlich, um den exakten Betriebspunkt eines Katalysators zu bestimmen. Der exakte Betriebspunkt wiederum ist notwendig, um in einer modellbasierten SCR-Regelung eine exakte Dosierung des stromaufwärts des SCR-Katalysators zugeführten Reduktionsmittels zu ermöglichen.
Es hat sich gezeigt, dass ein einfaches kennlinienbasiertes Modell zum Aufteilen der durch einen Sensor gemessenen oder durch ein Rechenmodell berechneten NOx-Konzentration in NO und N02-Konzentrationen nicht ausreicht: Die Abweichungen zu den realen NO- und N02-Konzentrationen sind zu groß, was zu völlig falschen internen Reaktionsraten im SCR-Katalysator führt, zumal dieser sehr empfindlich auf stromaufwärtige NO- und N02 Konzentrationen reagiert.
Es ist die Aufgabe der Erfindung die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem auf einfache Weise die Reaktionen in einem oder mehreren Katalysatoren möglichst exakt erfasst werden können. Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass der Katalysator in Strömungsrichtung in eine Anzahl n einzelner Zellen eingeteilt wird und die Konzentration cN0 k von NO2 am Ausgang jeder Zelle mittels eines diskreten NC -Modells auf der Basis der jeweils eintrittseitigen Konzentration an NO2 und der Reaktionsrate rN0 I für NO im Katalysator bestimmt und die Konzentration cN0 an NO2 am Ausgang der letzten Zelle der Konzentration cN0 an NO2 am Ausgang des Katalysators zugeordnet wird.
Beim verwendeten N02-Modell handelt es sich um ein auf physikalischen Grundlagen basiertes Modell der NO-Reaktionen im Katalysator. Es benötigt nur wenig Kalibrieraufwand und weist hohe Flexibilität auf, um einfach für verschiedene Abgasnachbehandlungssystemen adaptiert zu werden. Es kann als exaktes DOC- Modell in gängige Motorsteuerungen implementiert werden.
Zielsetzung des N02-Modells ist die Bestimmung der Konzentration an NO2, insbesondere auch an NO. Zur Vereinfachung können folgende Einflüsse außer Acht gelassen werden :
- Oxidation der HC und CO;
- Temperaturanstieg zu Folge exothermer Reaktionen von HC, CO und NO;
Die Änderung der 02-Konzentration zu Folge von Oxidationsvorgängen ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Katalysators so gering, dass sie in einem einfachen Modell vernachlässigt werden kann; die Ausgangskonzentration an O2 kann somit gleich der Eingangskonzentration angenommen werden;
- Auswirkungen der Russ-Konzentration im Katalysator auf NO-Oxidation und NO2- Reduktion.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Konzentration cN0 k( ) von NO2 zum Probenzeitpunkt i nach folgender Gleichung bestimmt wird :
1 Coeff2.Ts
<^ο2,* ' - ΐ)· +
l - ^Coeff, l - ^Coeff, l - TsCoeffl
wobei
Ts = Probenzeit oder Schrittgröße der Diskretisierung mit
Coeffvc N02,k LN02,k y0i
PEG Kequ(Tc,k ) + K2-yNor
Figure imgf000005_0001
Coeff2 =
Vc-£g MEG 'EG (l + K2.yN0) wobei
Tc = Temperatur des Katalysators in [K]
yx = Konzentration in ppm
cx = Konzentration in mol/m3
px = Druck
R = die Gaskonstante
j= Index der Sauerstoffkonzentration, mit j = Vi für Diesel-Oxidations katalysator oder Diesel-Partikelfilter.
TEG = Abgastemperatur in [K]
n = Anzahl an Zellen in diskreter Reihenfolge
Vc = Katalysatorvolumen
= Offene Stirnfläche des Katalysators
niEG = Abgasmassenstrom
MEG = Molare Masse des Abgases
aD = Geometrische Oberfläche mit:
E,.
K{ - £j .e
Figure imgf000005_0002
wobei ki,2 und Ei ,2 katalysatorabhängige Parameter darstellen sowie mit
Figure imgf000005_0003
Die NO-Konzentration am Ausgang des Katalysators kann aus der Differenz zwischen einer vorzugsweise durch Messen bestimmten Gesamtmenge an NOx stromaufwärts des Katalysators vermindert um die mittels des N02-Modells ermittelte NO2 - Konzentration ^^der - in Strömungsrichtung betrachtet -letzten Zelle k berechnet werden.
Wird nicht die erwähnte Vereinfachung einer konstanten 02-Konzentration zwischen Eingang und Ausgang des Katalysators getroffen, so kann in einem erweiterten Modell die Sauerstoffkonzentration am Ausgang des Katalysators aus der Differenz zwischen einer vorzugsweise durch Messen bestimmten Sauerstoffmenge stromaufwärts des Katalysators vermindert um die bei der Oxidation des NO verbrauchte Sauerstoffmenge berechnet werden.
Vorzugsweise wird zumindest eine der ermittelten Konzentrationen als Eingangsgröße für eine modellbasierte SCR-Regelung eines dem Katalysator nachgeschalteten SCR-Katalysator zugeführt. Das diskrete N02-Modell kann, so wie die modellbasierte SCR-Regelung, in die Motorsteuereinheit der Brennkraftmaschine implementiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch :
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine samt Abgasstrang zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2 einen in einzelne Zellen eingeteilten Katalysator.
Das Verfahren dient dazu, die Konzentration von Reaktionsprodukten wie N02 und/oder NO am Ausgang eines Katalysators DOC, beispielsweise eines Diesel- Oxidations-Katalysators, im Abgasstrang 2 einer Brennkraftmaschine 1 zu ermitteln. Wie in Fig. 1 ersichtlich ist, ist stromabwärts des Katalysators DOC ein SCR- Katalysator SCR angeordnet. Mit Bezugszeichen 3 ist eine Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel wie N H3 angeordnet. Vor dem Katalysator DOC kann ein Sensor 4 zur Bestimmung des NOx-Gehaltes im Abgas und ein Temperatursensor 5 angeordnet sein. Die gemessenen Daten werden einer Motorsteuereinheit ECU zugeführt und mittels des N02-Modells unter Ermittlung der N02- und NO-Konzentrationen im Abgas am Ausgang des Katalysators DOC ausgewertet. Auf der Basis dieser Konzentrationen wird mittels einer in der Motorsteuereinheit implementierten modellbasierten bekannten SCR-Regelung das Reduktionsmittel dosiert.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist das physikalische Modell für den Katalysator DOC eine Reihe von in Strömungsrichtung des Abgases aufeinanderfolgenden Zellen 6, sogenannten CSTR (Continuous Stirred Tank Reactors), mit der Anzahl n auf, wobei die Ausgangsbedingungen der stromaufwärtigen Zelle den Eingangsbedingungen der benachbarten stromabwärtigen Zelle zugeordnet werden. Das verwendete physikalische Modell ist somit eindimensional. Die Anzahl n der Zellen wird so gewählt, dass ein guter Kompromiss zwischen der Genauigkeit des Modells und der nötigen Rechenzeit entsteht. Die Strömungsrichtung des Abgases ist mit den Pfeilen angedeutet.
Die Reaktion im Katalysator DOC läuft nach folgender Reaktionsgleichung ab:
NO + 0,5O2 <-» N02 (1)
Die Reaktionsrate rNO l für NO im Katalysator DOC kann nach folgender Gleichung berechnet werden :
Figure imgf000007_0001
wobei
TC = Temperatur des Katalysators in [K]
yx = Konzentration in ppm
cx = Konzentration in mol/m3
px = Druck
R = die Gaskonstante
j = Index der Sauerstoffkonzentration, mit j = Vi für Diesel- Oxidationskatalysator oder Diesel-Partikelfilter, mit:
K^ k e ^575-15 rJ
Figure imgf000007_0002
wobei ki,2 und Ei,2 katalysatorabhängige Parameter darstellen
Figure imgf000007_0003
ist.
Die vorliegende Reaktionsrate rN0 I ist unabhängig vom Betriebspunkt und kann positiv M? + O,502 -» N02 oder negativ N02 -» NO + 0,5O2 sein, je nachdem in welcher Richtung die Reaktion abläuft.
Die physikalische Umsetzung des N02-Katalysatormodells wird festgelegt durch einen Zustand der durch eine inhomogene nichtlineare gewöhnliche Differentialgleichung ausgedrückt wird. Im Folgenden steht "k" für den Zellindex des Katalysators.
Die zeitliche Änderung der Konzentration von N02 kann wie folgt angegebenen werden :
Figure imgf000008_0001
wobei :
TEG = Temperature des Abgases in [K]
n = Anzahl der Zellen
Vc = Volumen des Katalysators
= Durchflussquerschnitt des Katalysators
niEG = Abgasmassenstrom
MEG = Abgasmolmasse
aR = geometrische Oberfläche des Katalysators ist.
Die NO-Konzentration wird berechnet als Gesamtmenge des stromaufwärtigen NOx vermindert um das oxidierte NO2.
Die Sauerstoffkonzentration wird berechnet, indem von der stromaufwärtigen Sauerstoffmenge die Menge des vom oxidierten NO verbrauchten Sauerstoffes abgezogen wird.
Mit der erwähnten Reaktionsrate rNO l ergibt sich dcNo ^_ mEG .R K, r— _
. T Τ , „
dt Vc.eg pEGMEG (l + K2.yN0 ) Kequ (Tc) und nach Umformung weiter: de N02 ,k n WIEG .R
(TEG,k-l -CN02 ,k-l ) + Ω« (' y°2 ) yc021
dt Vc-eg PEG -M EG (l + K2.yN0)
(9)
Figure imgf000009_0001
und schließlich :
de N02 ,k
Coeffvcm k + Coeff2 (10) dt
wobei y02 (11)
(12)
Figure imgf000009_0002
Unter Anwendung des implizierten Euler-Verfahrens lässt sich das diskrete NO2- Modell wie folgt ableiten :
Figure imgf000009_0003
CoeffvcN02 k(i) + Coeff2 (14)
1 Coeff2 Ts _ cN02 (1 - 1) + Coeff2 Ts
C NO * ') = cN0 M - l). + (15)
\ - TsCoeffx N°^k l - TsCoeffx ~ TsCoejfx
Die NO-Konzentration am Ausgang des Katalysators DOC kann aus der Differenz zwischen einer durch den Sensor 4 bestimmten Gesamtmenge an NOx stromaufwärts des Katalysators DOC vermindert um die mittels des N02-Modells ermittelten NO2 - Konzentration ^„der - in Strömungsrichtung betrachtet -letzten Zelle 6 berechnet werden.
Die Sauerstoffkonzentration am Ausgang des Katalysators DOC kann aus der Differenz zwischen einer beispielsweise durch Messen oder mittels eines Modells bestimmten Sauerstoffmenge stromaufwärts des Katalysators DOC vermindert um die bei der Oxidation des NO verbrauchte Sauerstoffmenge berechnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich nicht nur bei Dieseloxidationskataly- satoren, sondern auch zum Erm itteln der Konzentration zum indest eines Reaktionsproduktes am Ausgang von anderen Abgasnachbehandlungseinrichtungen, beispielsweise bei einem nach der Abgasturbine des Abgasturboladers angeord¬ neten Katalysators (sogenannte ATC= After Turbo Catalyst) und/oder bei einem Dieselpartikelfilter (DPF) anwenden .
Das Verfahren findet dam it beispielsweise Anwendung in einem Abgasnachbe¬ handlungssystem, aufweisend ATC, DOC und SCR oder DOC, DPF und SCR oder ATC, DOC, DPF und SCR, um die Reaktion innerhalb des/der Katalysators/en für eine modellbasierte Regelung des SCR- Katalysators zu charakterisieren . Das dis¬ krete N02-Modell ist dabei jewei ls in die Motorsteuerung ECU der Brennkraftma¬ schine im plementiert.

Claims

PATE NTANSPRÜCH E
Verfahren zum Ermitteln der Konzentration zumindest eines Reaktionsproduktes am Ausgang eines Katalysators (DOC), insbesondere eines Diesel- Oxidations-Katalysators, im Abgasstrang (2) einer Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (DOC) in Strömungsrichtung in eine Anzahl n einzelner Zellen (6) eingeteilt wird und die Konzentra¬ tion cN0 k von NO2 am Ausgang jeder Zelle (6) mittels eines diskreten NO2- Modells auf der Basis der jeweils eintrittseitigen Konzentration an NO2 und der Reaktionsrate rNOl für NO im Katalysator (DOC) bestimmt und die Kon¬ zentration cN0 n an NO2 am Ausgang der letzten Zelle (6) der Konzentration
'NO-, an NO2 am Ausgang des Katalysators (DOC) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration cN0 k(i) von NO2 jeder Zelle (6) zu einem Probenzeitpunkt i nach fol¬ gender Gleichung bestimmt wird
1 Coeff2.Ts 'N07,k (i-l) + Coeff2.Ts
■'NO-, ,k (i) 'NO-, ,k
l-TsCoeffl wobei
T = Probenzeit oder Schrittgröße der Diskretisierung mit
Coeffvc N02, y0i
Coeff2 =
Figure imgf000011_0001
wobei
Tc = Temperatur des Katalysators (DOC) in [K]
y x = Konzentration in ppm
cx = Konzentration in mol/m3
px = Druck
R = die Gaskonstante
j= Index der Sauerstoffkonzentration, mit j = Vi für Diesel-
Oxidationskatalysator oder Diesel-Partikelfilter.
TEG = Abgastemperature in [K]
n = Anzahl an Zellen (6) in diskreter Reihenfolge VC = Katalysatorvolumen
= Offene Stirnfläche des Katalysators
niEG = Abgasmassenstrom
MEG = Molare Masse des Abgases
a„ = Geometrische Oberfläche mit:
Figure imgf000012_0001
wobei ki,2 und Ei ,2 katalysatorabhängige Parameter darstellen sowie mit
Figure imgf000012_0002
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine NO-Konzentration am Ausgang des Katalysators (DOC) aus der Differenz zwischen einer vorzugsweise durch Messen bestimmten Gesamtmenge an NOx stromaufwärts des Katalysators (DOC) vermindert um die mittels des N02-Modells ermittelten N02 - Konzentration cWj n der - in Strömungsrichtung betrachtet -letzten Zelle (6) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoffkonzentration am Ausgang des Katalysators (DOC) aus der Differenz zwischen einer vorzugsweise durch Messen bestimmten Sauerstoffmenge stromaufwärts des Katalysators (DOC), vermindert um die bei der Oxidation des NO verbrauchte Sauerstoffmenge berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der ermittelten Konzentrationen als Eingangsgröße für eine modellbasierte SCR-Regelung eines dem Katalysator (DOC) nachgeschalteten SCR-Katalysators (SCR) zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das diskrete NC -Modell in die Motorsteuerung (ECU) der Brennkraftmaschine (1) implementiert wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106837495A (zh) * 2016-12-26 2017-06-13 潍柴动力股份有限公司 基于模型的doc后no2%预估方法
WO2020176914A1 (de) * 2019-03-01 2020-09-10 Avl List Gmbh Verfahren und system zur steuerung und/oder regelung mindestens einer abgasnachbehandlungskomponente

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020118506A1 (zh) * 2018-12-11 2020-06-18 潍柴动力股份有限公司 一种dpf上游温度的控制方法、装置及车辆

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090158719A1 (en) 2007-12-12 2009-06-25 Basf Catalysts Llc Emission Treatment System
WO2011138277A1 (de) * 2010-05-04 2011-11-10 Avl List Gmbh Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine
EP2551480A1 (de) * 2010-03-25 2013-01-30 UD Trucks Corporation Abgasreinigungsvorrichtung für motor
US8474248B2 (en) 2009-05-06 2013-07-02 Detroit Diesel Corporation Model based method for selective catalyst reducer urea dosing strategy

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19749400C2 (de) * 1997-11-07 2001-11-29 Siemens Ag Verfahren zur Verringerung des NOX-Gehaltes im Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine
GB9913331D0 (en) * 1999-06-09 1999-08-11 Johnson Matthey Plc Treatment of exhaust gas
US7134273B2 (en) * 2002-09-04 2006-11-14 Ford Global Technologies, Llc Exhaust emission control and diagnostics
DE10315593B4 (de) * 2003-04-05 2005-12-22 Daimlerchrysler Ag Abgasnachbehandlungseinrichtung und -verfahren
US7229597B2 (en) * 2003-08-05 2007-06-12 Basfd Catalysts Llc Catalyzed SCR filter and emission treatment system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090158719A1 (en) 2007-12-12 2009-06-25 Basf Catalysts Llc Emission Treatment System
US8474248B2 (en) 2009-05-06 2013-07-02 Detroit Diesel Corporation Model based method for selective catalyst reducer urea dosing strategy
EP2551480A1 (de) * 2010-03-25 2013-01-30 UD Trucks Corporation Abgasreinigungsvorrichtung für motor
WO2011138277A1 (de) * 2010-05-04 2011-11-10 Avl List Gmbh Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106837495A (zh) * 2016-12-26 2017-06-13 潍柴动力股份有限公司 基于模型的doc后no2%预估方法
WO2020176914A1 (de) * 2019-03-01 2020-09-10 Avl List Gmbh Verfahren und system zur steuerung und/oder regelung mindestens einer abgasnachbehandlungskomponente

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