DE102011115300A1

DE102011115300A1 - Betriebsverfahren zur selektiven katalytischen Reduktion von NOx

Info

Publication number: DE102011115300A1
Application number: DE102011115300A
Authority: DE
Inventors: Thompson M. Sloane; Kevin L. Perry; David L. Hilden; Norman D. Brinkman; Jong H. Lee; Michael B. Viola; Steven J. Schmieg
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: DE102011115300B4; US20120079813A1; CN102441327A; CN102441327B

Abstract

Wenn oxygenierte Kohlenwasserstoffe wie z. B. Ethanol zur Verwendung als ein Reduktionsmittel in Betracht kommen, das einem Diesel- oder Benzinmotorabgas beigemischt werden soll, um die katalysierte Reduktion von NOx zu N2 zu unterstützen, besteht die Notwendigkeit, die Menge des Reduktionsmittels, das beigemischt werden soll, kontinuierlich anzupassen, wenn sich die Motor- und Katalysatorbetriebsbedingungen andern. Es wurde festgestellt, das geeignete Verfahren, die unter Verwendung eines geeignet programmierten, im Fahrzeug eingebauten Computers auszuführen sind, auf einer Korrelation für Ethanol oder ein anderes spezifisches Reduktionsmittel mit kontinuierlich gemessenen Werten der Katalysatortemperatur, dem Sauerstoff- und NOx-Gehalt des Abgases und der volumetrischen Strömungsrate des Abgases über einem Reduktionskatalysator wie z. B. silbergetragenem Aluminiumoxid, der zur Reduktion von NOx zu Stickstoff gewählt ist, basieren kann. Es können wirksame Mengen des Reduktionsmittels für eine signifikante Reduktion von NOx mithilfe zumindest dieser Parameter zuverlässig bestimmt werden.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Management der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (meist NO und NO₂, kollektiv NO_x) in dem Abgasstrom aus einem Dieselmotor oder einem anderen Magermotor. Im Spezielleren betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Steuern der Beimischung eines geeigneten oxygenierten Kohlenwasserstoffes wie z. B. Ethanol zu dem Abgas in Vorbereitung auf die Reduktion von NO_x in dem Abgasstrom, während er in Kontakt mit einem Nichtedelmetallkatalysator zur selektiven katalytischen Reduktion strömt.
Hintergrund der Erfindung
Dieselmotoren, manche mit Benzin gespeiste Motoren und viele mit Kohlenwasserstoff gespeiste Triebwerke werden für eine verbesserte Kraftstoffökonomie bei überstöchiometrischen Luft/Kraftstoffmasse-Verhältnissen betrieben. Solche Magermotoren und andere Leistungsquellen erzeugen jedoch ein heißes Abgas mit einem relativ hohen Gehalt von Sauerstoff, Wasser und Stickoxiden (NO_x). Im Fall von Dieselmotoren liegt die Temperatur des Abgasstromes von einem warm gelaufenen Motor typischerweise, abhängig von der aktuellen Kraftstoffverbrauchsrate (Last) des Motors, im Bereich von etwa 200 Grad bis 400 Grad Celsius. Das Abgas weist auf das Volumen bezogen eine repräsentative, beispielhafte Zusammensetzung von etwa 10% Sauerstoff, 6% Kohlenstoffdioxid, 0,1% Kohlenstoffmonoxid (CO), 180 ppm Kohlenwasserstoffe (HC), 235 ppm NO_x auf und der Rest besteht im Wesentlichen aus Stickstoff und Wasser. Das Abgas enthält oft einige sehr kleine kohlenstoffreiche Partikel. Und in dem Ausmaß, in dem der Kohlenwasserstoffkraftstoff Schwefel enthält, kann das Abgas aus der Verbrennungsquelle ebenfalls Schwefeldioxid enthalten. Es ist wünschenswert, solch eine Abgaszusammensetzung zu behandeln, um den Austrag jeglicher anderer Stoffe als Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser in die Umgebung zu minimieren.
Die NO_x-Gase, die typischerweise variierende Mischungen aus Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) mit kleinen Mengen Distickstoffmonoxid (N₂O) umfassen, lassen sich aufgrund des relativ hohen Sauerstoff (O₂)-Gehalts (und Wassergehalts) in dem heißen Abgasstrom nur schwer zu Stickstoff (N₂) reduzieren. Dreiwege-Katalysatorsysteme, die erfolgreich mit Motoren verwendet wurden, welche bei einem ungefähr stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden, waren nicht effektiv bei der Reduktion von NO_x auf annehmbare Werte in solch einem sauerstoffreichen Abgas.
Mager-NO_x-Fallen können effizient beim Entfernen von NO_x aus einem Abgasstrom sein, benötigen aber kostspielige Edelmetalle und deren Langzeithaltbarkeit ist ungewiss. Es wurden Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion in Erwägung gezogen, bei denen das magere Abgas oxidiert wurde, um die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser zu vervollständigen, Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid zu oxidieren und etwas von dem Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) zu oxidieren. Es wird ein Reduktionsmittelmaterial wie z. B. NH₃ oder ein NH₃-Vorläufer (eine wässrige Harnstofflösung) in den oxidierten Abgasstrom eingeleitet und der Strom über einen geeigneten Katalysator für die Reduktion eines Großteils der NO_x zu Stickstoff und Wasser geleitet. Solch eine Vorgehensweise wird als die „selektive katalytische Reduktion” (SCR) von NO_x bezeichnet, da sie bewerkstelligt wird, ohne die oxidierten Spezies in dem Abgasstrom zu beeinflussen. Es ist aber die Speicherung eines zusätzlichen Reduktionsmittelmaterials im Fahrzeug zur Harnstoff und Ammoniak-SCR erforderlich, und wenn Harnstoff als das Reduktionsmittel verwendet wird, muss eine wässrige Harnstofflösung gegen Frieren bei kaltem Wetter geschützt werden.
Es wäre zweckdienlich, über ein weniger kostspieliges, bequemeres Verfahren zum Erreichen einer NO_x-Reduktion an der Abgasströmung aus einem Magermotor zu verfügen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Verfahren zum Management des Einsatzes und der Beimischung von Ethanol oder einem anderen geeigneten oxygenierten Kohlenwasserstoff (OHC, von oxygenated hydrocarbon) mit niedriger relativer Molekülmasse wie z. B. Methanol, einem Propanol, einem Butanol oder einem Aldehyd eines solchen Alkohols als ein oxygeniertes Reduktionsmittel vom Kohlenwasserstofftyp in einem OHC-SCR-Prozess und eines Reaktors zur katalytischen Reduktion von NO_x in einem sauerstoffhaltigen und wasserhaltigen mageren Abgas bereitgestellt. Die Menge von oxygeniertem Kohlenwasserstoff, die dem Abgasstrom beigemischt wird, wird kontinuierlich überwacht und in Übereinstimmung mit bestimmten Bedingungen und Eigenschaften des Abgasstromes und des Reduktionskatalysators, wie in dieser Patentbeschreibung unten stehend angeführt, angepasst. Es ist ein Ziel des kontinuierlichen Managements der Beimischung von OHC, die Notwendigkeit einer nachfolgenden Behandlung des Abgases auf Ammoniak unterstromig des OHC-SCR-Reaktors zu vermeiden. Und es ist ein weiteres Ziel, den oxygenierten Kohlenwasserstoff in Mengen zu verwenden, die den Gesamtkraftstoffverbrauch durch den Fahrzeugmotor und sein Abgassystem minimieren.
Die meisten derzeitigen Fahrzeugmotoren nutzen die Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Kraftstoffes mit Luft für ihre Leistungsquellen. Die Motoren umfassen eine Vielzahl von Zylindern, jeder mit einem Hubkolben, der mit einer Kurbelwelle verbunden ist, und einen Antriebsstrang zum Fahrantrieb des Fahrzeuges. Es sind Mittel zur computergesteuerten, sequenziellen, zeitgesteuerten Einleitung von Luft und Kraftstoff in jeden Zylinder vorgesehen. Während sich die Kolben in ihren jeweiligen Zylindern hin- und herbewegen, tritt sequentiell ein gesteuertes Luft- und Kraftstoff-Gemisch in den jeweiligen Zylinder ein, wo das verbrennbare Gemisch verdichtet und gezündet wird. Die Verbrennung in jedem Zylinder treibt den Kolben in einem Arbeitshub an, auf den ein Auslasshub folgt, in dem die Verbrennungsnebenprodukte aus dem Zylinder in einen Abgaskrümmer und dann in das Abgasrohr des Fahrzeuges ausgestoßen wird. Der fortwährende Betrieb solch eines Magermotors erzeugt einen beständigen Abgasstrom in einem Temperaturbereich und mit einer Zusammensetzung, wie oben Stehend im Hintergrundabschnitt dieser Patentbeschreibung veranschaulicht. Der Kraftstoff kann z. B. Dieselkraftstoff, Benzin, Erdgas, Flüssiggas (großteils Propan), Dimethylether, Ethanol, ein Gemisch aus Ethanol und Benzin oder dergleichen sein. Es kann auch Wasserstoff als ein Brennstoff verwendet werden.
Das sauerstoff- und wasserhaltige Abgas kann zuerst zu einem einen Katalysator enthaltenden Durchfluss-Oxidationskonverter für die Oxidation von Kohlenstoffmonoxid und unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffkraftstoffbestandteilen geleitet werden. Der Oxidationskonverter kann auch die Oxidation eines Teils des Stickstoffoxids zu Stickstoffdioxid in Vorbereitung des Abgasstromes zur unterstromigen Behandlung in einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion zur Reduktion von NO₂ und anderen NO_x-Bestandteilen zu Stickstoff unterstützen, bevor der Abgasstrom das Abgassystem des Fahrzeuges verlässt. Gemäß dieser Erfindung wird ein oxygenierter Kohlenwasserstoff dem Abgasstrom an einer geeigneten Stelle oberstromig des Reaktors zur selektiven katalytischen Reduktion beigemischt. Ein Beispiel eines geeigneten solchen oxygenierten kohlenwasserstoffselektiven Katalysators zur katalytischen Reduktion (OHC-SCR-Katalysator) für die Anwendungen dieser Erfindung ist ein Material, welches Partikel aus Silber (oder Silberoxid) mit Nanometergröße umfasst und auf Partikeln aus Aluminiumoxid mit Mikrometergröße abgeschieden und getragen ist. Die Partikel des getragenen Silberkatalysators können z. B. in geeigneter Weise als eine dünne Washcoat-Schicht auf den Wänden der vielen kleinen Durchflusskanäle eines extrudierten, wabenförmigen, keramischen Monolithen abgeschieden sein.
Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung wird Ethanol (oder ein anderer geeigneter oxygenierter Kohlenwasserstoff) in das Abgas oberstromig des OHC-SCR-Katalysators eingespritzt (oder anderweitig eingeleitet). Um die Reduktion von NO_x-Bestandteilen effizienter zu beeinflussen, während das Abgas in engem Kontakt mit dem OHC-SCR-Katalysator strömt, werden bestimmte, sich kontinuierlich verändernde Parameter des OHC-SCR-Katalysators und des Abgases, wie durch die Erfinder hierin bestimmt, kontinuierlich überwacht, und die dem Abgasstrom beigemischte Menge von oxygeniertem Kohlenwasserstoff wird kontinuierlich in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Strategie auf der Basis der Werte der bestimmten Parameter angepasst.
In weiterer Obereinstimmung mit einer Veranschaulichung eines Beispiels eines Verfahrens dieser Erfindung, wird ein gemessener oder bestimmter Wert eines jeden der nachfolgenden vier Parameter (zumindest) kontinuierlich in zeitgerechten Intervallen beschafft und beim Management der Beimischung des oxygenierten Kohlenwasserstoffes verwendet: (i) die Temperatur des OHC-SCR-Katalysators, Repräsentationen der Mengen von NO_x (ii) und von Sauerstoff (iii) in dem Abgas genau oberstromig des OHC-SCR-Katalysators und (iv) ein Maß der Strömungsrate des über oder durch den Katalysator hindurch strömenden Abgases. Im Fall der Abgasströmungsrate kann ein Maß wie z. B. die stündliche Gasraumgeschwindigkeit (SV, h^–1) oder das Aquivalent gemessen oder bestimmt werden. Beim Bestimmen der Raumgeschwindigkeit in einem bestimmten Moment kann z. B. das Verhältnis zwischen dem aktuellen Einheitsvolumen pro Stunde eines Abgases unter Standardbedingungen der Temperatur und des Druckes und einem vorbestimmten festen Volumen des OHC-SCR-Katalysators verwendet werden. In den Anwendungen der Erfindung ist es bedeutsam, genaue und zuverlässige Repräsentationen des Sauerstoffgehalts in dem Abgas oberstromig des OHC-SCR-Katalysators für jede Bestimmung einer OHC-Beimengung zu beschaffen.
Es stehen geeignete Sensoren zum Messen der aktuellen Temperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion und zum Bestimmen eines zweckdienlichen Werts der Strömungsrate des Abgases zur Verfügung. Ebenso stehen Sensoren zur Verfügung, um kontinuierlich zweckdienliche momentane Konzentrationen von Sauerstoff (z. B. als ein prozentueller Anteil des gesamten Abgases) und NO_x (z. B. in parts per million der Abgaszusammensetzung) bereitzustellen oder zu bestimmen. Es kann ein geeignet programmiertes, computerbasiertes Steuerungssystem verwendet werden, um solche Daten von den jeweiligen Sensoren zu empfangen und um solche verfügbaren Daten zu verwenden, um diese Parameter kontinuierlich und schnell zur Verwendung bei der Festlegung der Mengen von oxidiertem Kohlenwasserstoffreduktionsmittel, die dem Abgasstrom durch jeden gesamten Betrieb des Fahrzeugmotors beigemischt werden soll, zu analysieren. Solch ein sensor- und computerbasiertes System kann als ein Teil eines oder im Zusammenwirken mit einem Motorsteuerungssystem/s fungieren, welches z. B. verwendet wird, um Luft- und Kraftstoffbeimengungen zu dem Motor und andere Motorbetriebe zu messen, bestimmen und zu steuern.
In Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und als illustratives Beispiel kann ein geeignetes Beimischungssteuerungssystem für das OHC-SCR-Reduktionsmittel die aktuellen Werte der oben angegebenen Abgas/OHC-SCR-Parameter in Betracht ziehen und eine Reduktionsmittelmenge (Masse oder Volumen) bestimmen, die dem Abgasstrom beigemischt werden soll. Das Steuerungssystem kann z. B. programmiert sein, um einen molaren Wert eines Reduktionsmittels (wie z. B. Ethanol) pro Mol NO_x-Bestandteile beizumischen, von dem dann auf der Basis einer Kombination aus den aktuellen Werten der angeführten vier Parameter bestimmt oder ermittelt wird, dass er in dem Abgas vorhanden sein soll. Wie in dieser Patentbeschreibung nachfolgend in größerem Detail beschrieben, kann eine Tabelle mit Parameterkombinationen und entsprechenden Reduktionsmittelbeimischungswerten für eines (oder jedes) Reduktionsmittel vorbestimmt werden, das zur Verwendung in dem spezifischen OHC-SCR-System für ein/en bestimmten/s Motor oder Fahrzeug in Erwägung gezogen wird. Die Tabelle kann in einem Speicher eines Fahrzeugcomputer-Steuerungssystems gespeichert sein, welches dazu dient, laufende Reduktionsmittelbeimischungen zu dem Abgasstrom zu managen. Es ist einzusehen, dass gleiche Motoren in unterschiedlichen Fahrzeugen unterschiedliche Reduktionsmittel, unterschiedliche Mechanismen oder Mittel zum Beimischen eines Reduktionsmittels zu einem Abgasstrom, und unterschiedliche Tabellen von Parameterkombinationen und entsprechenden Reduktionsmittelbeimischungswerten verwenden können. Es ist ein vordringliches Ziel des Managements einer OHC-Beimischung, eine effektive Reduktion von NO_x zu Stickstoff zu erzielen, während die Bildung von Ammoniak in dem Reduktionsreaktor minimiert wird und der Effekt der Reduktionsmittelbeimischung auf die gesamte Kraftstoffökonomie des Motor-Fahrzeug-Systems minimiert ist.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung können die aktuellen Werte der vier Parameter in einem Fahrzeugcomputersystem verwendet werden, um eine aktuelle Reduktionsmittelmenge auf der Basis einer Verwendung von gespeicherten Daten oder Rechenprogrammen zu berechnen.
Das oxygenierte Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterial wird in einem geeigneten Behälter an dem Fahrzeug mitgeführt und über eine geeignete Leitung zur Beimischung zu dem Motor oder dem Abgasstrom geliefert. Das Reduktionsmittelmaterial ist bevorzugt Ethanol und selbstverständlich kann Ethanol der Kraftstoff für das Fahrzeug oder ein Bestandteil des Kraftstoffes sein. Wenn beispielsweise der Kraftstoff ein Gemisch aus Ethanol und Dieselkraftstoff oder aus Ethanol und Benzin ist, kann solch ein oxygeniertes Kohlenwasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemisch als der OHC-SCR-Reduktionsmittelzusatz verwendet werden.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer Besprechung detaillierter Veranschaulichungen spezifischer Ausführungsformen von Anwendungen der Erfindung besser verständlich, die nachfolgend (als nicht einschränkende Veranschaulichungen) in dieser Patentbeschreibung dargelegt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung der Strömung eines Abgasstromes aus dem Abgaskrümmer eines Dieselmotors (oder eines anderen Magermotors oder Triebwerks) durch ein Abgasrohrsystem, das einen Oxidationskatalysator-Reaktor und einen OHC-SCR-Katalysator-Reaktor umfasst. In dieser Fig. sind Veranschaulichungen von Sensorpositionen und Reduktionsmittelbeimischungspositionen gezeigt.
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines OHC-SCR-Reaktors. In dieser Ausführungsform sind Partikel aus einem Silber-Aluminiumoxid-Katalysator als ein Washcoat-Material auf den Durchflusskanälen eines Cordieritmonolith-Wabenzellenköpers aufgebracht. Der den Silber-Aluminiumoxid-Katalysator tragende Monolith ist in einem geeigneten Metallgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für die Abgasströmung eingeschlossen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung sieht eine Betriebsstrategie für die Verwendung von Ethanol und anderen geeigneten oxygenierten Kohlenwasserstoffen als ein OHC-SCR-Reduktionsmittel in dem Abgas eines Magermotors vor. Ethanol ist ein geeignetes und bevorzugtes Reduktionsmittel für NO_x über einem Silber-Aluminiumoxid-Katalysator, der NO_x-Umwandlungswirkungsgrade von 70–99% über einen weiten Bereich von Diesel- und Benzinmotor-Betriebsbedingungen mit sich bringt. Der oxygenierte Kohlenwasserstoff reagiert mit NO_x und Sauerstoff an Katalysatorstellen, um Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser zu bilden. Es wird somit ein beträchtlicher Anteil der NO_x und des Reduktionsmittels in Stoffe umgewandelt, welche für die Umgebung verträglich sind, in die das Abgas freigesetzt wird.
Im Speziellen wurde ein durchschnittlicher NO_x-Umwandlungswirkungsgrad von 81% mit einem Lauf gemäß einem Schema der „Heavy-Duty Federal Test Procedure” mit einem 6,6 Liter-Dieselmotor mit Ethanoleinspritzung in den Abgasstrom erzielt. Ethanol ist ein besonders effektives OHC-SCR-Reduktionsmittel, welches die Reduktion von NO_x bei Katalysatortemperaturen von nur 250°C zulässt. Auch Oxidationsteilprodukte von Ethanol wie z. B. Acetaldehyd wie auch andere Alkohole sind vergleichbar effektive OHC-SCR-Reduktionsmittel. Durch eine Kombination aus Experimenten und mathematischer Modellierung wurde eine Betriebsstrategie zur hoch effizienten Entfernung von NO_x aus dem Abgas während eines Motorbetriebes mithilfe von Ethanol als das OHC-SCR-Reduktionsmittel entwickelt. Es könnten auch andere oxygenierte Kohlenwasserstoffe (oder Gemische aus oxygenierten Kohlenwasserstoffen mit Kohlenwasserstoffen), die für die OHC-SCR geeignet sind, mit nur geringen Abwandlungen an der Betriebsstrategie für Reduktionsmittelbeimischungen, wie in dieser Patentbeschreibung offenbart, verwendet werden.
Die Anwendungen des Verfahrens zum Steuern von Reduktionsmittelbeimischungen sind besser verständlich, wenn man einer Veranschaulichung des Betriebes eines Dieselmotors (oder eines anderen Magermotors) und seines Abgassystems folgt, das einen einen Katalysator enthaltenden Reaktor in dem Abgaspfad für die Reduktion von NO_x-Bestandteilen umfasst.
1 ist ein schematisches funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften Dieselmotors und eines Abgassystems zur OHC-SCR-Behandlung des NO_x-Gehalts des Abgases.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist ein schematisches funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften Motor-Abgassystems 10 dargestellt. Der Motor 12 kann z. B. ein Benzinverbrennungsmotor, ein Dieselverbrennungsmotor, ein Hybridmotor und/oder eine andere geeignete Art von Motor sein. Der Motor 12 erzeugt ein Drehmoment durch Verbrennen eines Luft/Kraftstoff-Gemisches innerhalb der Zylinder 14 des Motors 12. Der Motor 12 kann eine beliebige geeignete Anzahl von Zylindern wie die Zylinder 14 umfassen. Der Motor 12 kann z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 oder 12 Zylinder umfassen.
Es wird sequenziell Luft in jeden Zylinder 14 des Motors 12 durch einen Ansaugkrümmer 13' hindurch eingesaugt. Eine durch eine elektronische Drosselklappensteuerung (ETC, von electronic throttle controller) 13''' betätigte Drosselklappe 13'' steuert die Strömung von Luft in jeden Zylinder 14 des Motors 12. Die Luft mischt sich mit Kraftstoff aus einem oder mehreren von den Kraftstoffinjektoren 15, um ein Luft- und Kraftstoff-Gemisch zu bilden, welches im Fall von Dieselmotoren und anderen Magermotoren ein Luft-Kraftstoff Verhältnis mit einem großen Überschuss gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis des Kraftstoffes aufweist, das für Dieselkraftstoff und Benzin etwa 14,7 beträgt. Das Luft/ Kraftstoff-Gemisch wird sequenziell in jedem Zylinder 14 entzündet und verbrannt, um ein Drehmoment zum Antreiben eines Fahrzeuges zu produzieren. Und die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches produziert ein Abgas, welches aus jedem Zylinder 14 in den Abgaskrümmer 17 ausgestoßen wird. Der Abgasstrom verlässt den Abgaskrümmer 17 als ein stetiger Strom während des Motorbetriebes und strömt in das Abgassystem 16.
Das Abgassystem 16 umfasst Behandlungskatalysatoren, Sensoren, Computersteuerungsmodule und dergleichen, die zusammenwirken, um die Menge von Stickoxiden (NO_x) in dem Abgas zu reduzieren. Das Abgassystern 16 umfasst typischerweise einen Oxidationskatalysator 20, einen Reduktionsmittelmaterial-Injektor 22 und einen OHC-SCR-Katalysator 24. Der OHC-SCR-Katalysator 24 wird üblicherweise in einem OHC-SCR-Reaktorbehälter mitgeführt, von dem ein Beispiel in 2 veranschaulicht ist. In 1 strömt das Abgas von dem Abgaskrümmer 17 durch ein erstes Abgasrohrteilstück 21 zu dem Oxidationskatalysator 20. Das oxidierte Abgas strömt durch eine zweites Abgasrohrteilstück 23 zu dem OHC-SCR-Katalysator 24 und dann durch ein drittes Teilstück 25. Das Abgas kann das Abgassystem durch das dritte Teilstück 25 verlassen. Das Abgassystem 16 kann auch andere Vorrichtungen wie einen Filter oder eine Falle (nicht gezeigt) zum Entfernen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen aus dem Abgasstrom umfassen.
In diesem Beispiel spritzt der Reduktionsmittelmaterial-Injektor 22 ein oxygeniertes Kohlenwasserstoff Reduktionsmittelmaterial (z. B. Ethanol) in das zweite Abgasrohrteilstück 23 oberstromig des OHC-SCR-Katalysators 24 ein. Der OHC-SCR-Katalysator 24 kann das Ethanol oder ein anderes oxygeniertes Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel adsorbieren und eine Reaktion des Reduktionsmittels mit NO_x-Bestandteilen und Sauerstoff in dem strömenden Abgasstrom begünstigen, um NO_x-Bestandteile zu Stickstoff zu reduzieren. Der OHC-SCR-Katalysator 24 ist bevorzugt ein Katalysator aus Silberpartikeln, die auf Aluminiumoxidpartikeln getragen sind. Der OHC-SCR-Katalysator 24 kann in Kombination mit einem Dieselpartikelfilter oder in einer beliebigen anderen geeigneten Ausgestaltung verwendet werden.
Der prozentuelle Anteil an NO_x, der aus dem Abgas über die NO_x-Reaktion mit dem oxygenierten Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel entfernt wird, wird als Umwandlungswirkungsgrad oder NO_x-Umwandlungsrate bezeichnet. In Übereinstimmung mit dieser Erfindung steht die NO_x-Umwandlungsrate bedeutsamerweise in Beziehung zu der fortwährenden Bestimmung dessen, wie viel Reduktionsmittel dem Abgasstrom oberstromig des OHC-SCR-Katalysators 24 beigemischt wird.
Die Anwendungen hierin zum Bestimmen der Menge von Reduktionsmittel, die dem OHC-SCR-Katalysator 24 beigemischt werden soll, macht Gebrauch von einer Gruppe von Sensoren, die als Komponenten eines Abgassystems 16 betrachtet werden können. Das Abgassystem 16 kann NO_x-Sensoren 28 und 30 und Temperatursensoren (oft Thermoelemente) 32, 34 und 36 umfassen. Das Abgassystem 16 umfasst auch einen Sauerstoffsensor 38, der ebenfalls eine wichtige Rolle in der Anwendung dieser Erfindung spielt. Ein NO_x-Sensor 28 ist oberstromig des Oxidationskatalysators 20 angeordnet und ein weiterer NO_x-Sensor 30 ist unterstromig des OHC-SCR-Katalysators 24 angeordnet. In weiteren Ausführungsformen ist der NO_x-Sensor 28 zwischen dem Oxidationskatalysator 20 und dem OHC-SCR-Katalysator 24 angeordnet. Es kann auch ein Temperatursensor im Inneren oder in der Nähe des OHC-SCR-Katalysators 24 angeordnet sein. In einigen Anwendungen der Erfindung kann es auch zweckdienlich sein, das Vorhandensein anderer Bestandteile wie z. B. Ammoniak in dem dritten Rohrteilstück 25 unterstromig des OHC-SCR-Katalysators 24 zu erfassen.
NO_x-Sensoren und Sauerstoffsensoren kommen in unterschiedlichen Formen vor und können in unterschiedlichen Formen verwendet werden. Oft handelt es sich dabei um elektrochemische Vorrichtungen, die den Abgasstrom mit Luft oder einem anderen Referenzmaterial vergleichen.
Ihre Signale werden von einem Motorsteuerungsmodul oder einem anderen computerbasierten Modul empfangen und verwendet. Und die Signale von einem NO_x-Sensor oder einem Sauerstoffsensor können von einem Steuerungsmodul in Kombination mit anderen Sensorsignalen wie z. B. einem Luftmassensensor bei der Beschaffung eines zweckdienlichen Werts für (eine) aktuelle NO_x-Konzentrationen oder Sauerstoffkonzentration in dem Abgasstrom verwendet werden.
Die NO_x-Sensoren 28 und 30 werden somit bei der Beschaffung einer Messung einer NO_x-Konzentration oberstromig bzw. unterstromig des OHC-SCR-Katalysators 24 verwendet. Anders ausgedrückt werden die NO_x-Sensoren 28 und 30 verwendet, um eine Messung oder einen Wert von in den und aus dem OHC-SCR-Katalysator 24 strömenden NO_x zu beschaffen. Die NO_x-Sensoren 28 und 30 erzeugen Signale, die den Werten der Konzentrationen von NO_x (ppm) an ihren jeweiligen Positionen entsprechen, die als NO_Xin bzw. NO_Xout bezeichnet werden.
Die Temperatursensoren 32, 34 und 36 sind an verschiedenen Stellen im gesamten Abgassystem 16 angeordnet. Beispielsweise, wie in 1 veranschaulicht, ist der Temperatursensor 34 unterstromig des Oxidationskatalysators 20 und oberstromig des OHC-SCR-Katalysators 24 angeordnet und der Temperatursensor 36 ist unterstromig des OHC-SCR-Katalysators 24 angeordnet. Der Temperatursensor 32 ist oberstromig des Oxidationskatalysators 20 angeordnet. Die Temperatursensoren 32, 34 und 36 messen jeder die Temperatur des Abgases an ihren jeweiligen Positionen und geben ein Signal aus, das der gemessenen Temperatur entspricht. Die von den Temperatursensoren 32, 34 und 36 ausgegebenen Signale sind in 1 als T_A, T_B bzw. T_C bezeichnet.
Ein Motorsteuerungsmodul (ECM) 40 steuert den Drehmomentausgang des Motors 12. In dieser Funktion kann das ECM 40 Signale von einem oder mehreren Sensoren einschließlich eines Ansaugkrümmerabsolutdruck-Sensors (MAP), eines Luftmassensensors (MAF), eines Drosselklappenstellungssensors (TPS), eines Ansauglufttemperatursensors (IAS) und Sensoren für andere Motorbetriebsparameter zur Steuerung des Motorbetriebes empfangen. In der Anwendung dieser Erfindung umfasst das ECM 40 auch ein Reduktionsmittelbeimischungs-Steuerungsmodul 42, welches den Massendurchsatz des durch den Reduktionsmittelmaterial-Injektor 22 eingespritzten oxygenierten Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittels steuert. Auf diese Weise steuert das Reduktionsmittelbeimischungs-Steuerungsmodul 42 die Menge von Reduktionsmittelmaterial, die dem OHC-SCR-Katalysator 24 zugeführt wird. Das Reduktionsmittelbeimischungs-Steuerungsmodul 42 ist ein Element eines Computers, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung vorprogrammiert ist, um die Beimischung von Reduktionsmittelraterial für die Reduktion von NO_x-Bestandteilen in einem in Kontakt mit dem OHC-SCR-Katalysator 24 strömenden Abgasstrom zu bewerkstelligen. Das Reduktionsmittelmaterial kann z. B. in dem Kraftstofftank oder einem anderen geeigneten Behälter gespeichert und durch eine Leitung, nicht gezeigt, an den Reduktionsmittelmaterial-Injektor 22 geliefert werden.
Wie schematisch in 1 angezeigt, empfängt ein Reduktionsmittelbeimischungs-Steuerungsmodul 42 Signale von Temperatursensoren, einem oder mehreren NO_x-Zusammensetzungssensoren und zumindest einem Sauerstoffsensor. Zusätzlich zu den Temperatursensoren und den Abgaszusammensetzungssensoren ist ein den Abgasmassendurchfluss detektierender Sensor oberstromig des OHC-SCR-Katalysators 24 zur fortwährenden Bestimmung der volumetrischen Abgasströmungsrate durch das Modul 42 für die Berechnung der Raumgeschwindigkeit des Abgases (oder eines gleichen Abgasvolumens) in Kontakt mit dem OHC-SCR-Katalysator 24 vorgesehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Reduktionsmittelbeimischungs-Steuerungsmodul z. B. Daten für die Luftmassenströmung und Kraftstoffströmung zu dem Motor verwenden, um die aktuelle Abgasströmungsrate zu bestimmen oder abzuschätzen.
In 1 wurde die Versorgung des Abgasstromes mit dem Reduktionsmittel durch Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom oberstromig des OHC-SCR-Katalysators bewerkstelligt. Weitere Verfahren zur Versorgung mit dem Reduktionsmittel umfassen; 2) die Einspritzung in einen gezündeten Motorzylinder spät im Arbeitshub; 3) Einspritzung in einen nicht gezündeten oder deaktivierten Zylinder, in den kein Verbrennungskraftstoff beigemischt wurde; 4) Einspritzung in einen Zylinder unmittelbar vor Deaktivierung durch das Schließen von Einlass- und Auslassventilen, gefolgt vom Öffnen des Auslassventils in einem nachfolgenden Zyklus, um zuzulassen, dass das Reduktionsmittel und jegliche Reaktionsprodukte des Reduktionsmittels in das Abgassystem gelangen. In Anwendungen, in denen oxygenierter Kohlenwasserstoff durch den Fahrzeugmotor hindurch beigemischt wird, kann es bevorzugt sein, die Verwendung eines Oxidationsreaktors in dem Abgasstrom zu minimieren oder zu eliminieren.
Vor der Erläuterung der Verfahren zum kontinuierlichen Bestimmen einer geeigneten Menge eines Reduktionsmittels, das dem Abgasstrom zur effektiven Reduktion von NO_x beigemischt werden soll, ist es hilfreich, ein Beispiel eines Reaktors (oder Behälters) für den Durchgang eines NO_x-haltigen und eines Reduktionsmittel enthaltenden Abgases und einen effizienten Kontakt des Gases mit den in dem katalytischen Reaktor angeordneten OHC-SCR-Katalysator 24 zu veranschaulichen. 2 veranschaulicht einen OHC-SCR-Reaktor 60.
Unter Bezugnahme auf 2 kann der OHC-SCR-Reaktor 60 einen runden, rohrförmigen Edelstahlkörper 62 umfassen, der z. B. einen extrudierten, runden, zylindrischen, wabenförmigen Cordierit-Katalysatorstützkörper 64 eng umschließt, welcher in dem ausgebrochenen Fenster in der Seite des Körpers 62 zu sehen ist. Der Stützkörper 64 kann aus anderen bekannten und geeigneten keramischen oder metallischen Materialien gebildet sein. In dieser Ausführungsform ist der Cordierit-Katalysatorstützkörper 64 mit vielen Abgasdurchflusskanälen gebildet, die sich von einer oberstromigen Abgaseinlassfläche 65 des Katalysatorstützkörpers zu einer unterstromigen Gasauslassfläche (in 2 nicht sichtbar) des Katalysatorstützkörpers erstrecken. Diese kleinen Durchflusskanäle sind als kreuzende Linien in der Veranschaulichung der Abgaseinlassfläche 65 veranschaulicht. Es werden typischerweise z. B. 400 Durchflusskanäle pro Quadratzoll Einlassfläche während der Extrusion des keramischen Körpers gebildet. Ein Katalysator mit Silber auf Aluminiumoxidpartikeln in der Form eines Washcoat ist auf die Wände eines jeden der Kanäle der Wabenstruktur beschichtet. Der Durchmesser des Stahlkörpers 62 und des umschlossenen Reduktions-Katalysatorstützkörpers 64 auf Silberbasis ist in Bezug auf das oberstromige und das unterstromige Abgasrohr vergrößert, um den Strömungswiderstand auf dem Abgasstrom zu reduzieren, während er in die Einlassfläche 65 des Katalysatorstützkorpers 64 eingreift und durch die washcoat-beschichteten Kanäle hindurch strömt. Der Stützkörper 64 ist in den Stahlkörper 62 hinein abgedichtet, sodass die Abgasströmung in Kontakt mit dem getragenen OHC-SCR-Katalysator auf den Kanalwänden des Stützkörpers 64 geleitet wird.
Wie in 2 zu sehen, ist das oberstromige Ende des Stahleinschlusskörpers 62 (wie durch den Abgasströmungsrichtungspfeil 66 angezeigt) durch ein sich erweiterndes Edelstahl-Abgaseinlassteilstück 68 umschlossen.
Der Abgaseinlass 70 des Einlassteilstücks 68 ist dimensioniert und eingerichtet, um die Abgasströmung von dem Abgasrohr 23 (1) aufzunehmen. Das Abgaseinlassteilstück 68 ist an den Stahleinschlusskörper 62 geschweißt. Auf eine gleiche Weise ist das unterstromige Ende des Stahleinschlusskörpers 62 (Abgasströmungsrichtungspfeil 72) durch ein strömungsverengendes Stahl-Abgasteilstück 74 umschlossen, wobei ein Abgasauslass 76 eingerichtet ist, um an ein unterstromiges Abgasrohrstück geschweißt zu werden.
Es kann ein Temperatursensor (in 2 nicht veranschaulicht) innerhalb des Stahleinschlusskörpers 62 angeordnet sein. Solch ein Sensor kann z. B. an dem oberstromigen 65 und/oder dem unterstromigen Ende des Katalysatorstützkörpers 64 angeordnet sein.
In Übereinstimmung mit Anwendungen dieser Erfindung ist es erforderlich, eine Messung der volumetrischen Strömungsrate eines NO_x-haltigen Abgasstromes über einem Silber-auf-Aluminiumoxid-Katalysator zur selektiven Reduktion zu beschaffen. In der Veranschaulichung von 2 wird der Abgasstrom an der Einlassfläche 65 des Katalysatorstützkörpers 64 geteilt und dazu gebracht, durch viele sehr kleine Kanäle hindurch zu strömen, auf die der Silberkatalysator in der Form von washcoat-beschichteten Partikeln aufgebracht wurde. In dieser Ausführungsform ist es oft bevorzugt, das äußere, oberflächliche Volumen des Stützkörpers 64 als das Volumen des Katalysators zu verwenden. Somit kann eine zweckdienliche Messung einer Raumgeschwindigkeit eines NO_x-haltigen Abgasstromes in Bezug auf einen washcoat-beschichteten Mehrkanal-Stützkörper durch Dividieren einer stündlichen volumetrischen Strömungsrate des Abgases durch das äußere Volumen des die Abgasströmungskanäle enthaltenden Cordierit-Körpers bestimmt werden. Die volumetrische Strömungsrate kann z. B. bei seiner/m tatsächlichen Temperatur und Druck oder bei einer/m standardisierten Temperatur und Druck bestimmt werden.
Eine wichtige Steuervariable in diesen Betriebsstrategien zur oxygenierten Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel-Beimischung zu einem Abgasstrom ist das Verhältnis der Reduktionsmittelkonzentration zu der NO_x-Konzentration genau oberstromig des OHC-SCR-Katalysators. Wie in 1 veranschaulicht, werden Sensoren verwendet, um die NO_x-Konzentration bei einer gegebenen Betriebsbedingung zu messen, und es wird die entsprechende Menge von Reduktionsmittel in das Abgas eingeleitet. Die Reduktionsmittelkonzentration wird ausgedrückt als die Konzentration von Kohlenstoffatomen, die in dem Reduktionsmittel enthalten sind, relativ zu der Konzentration von Oxiden des Stickstoffs und wird als das C1(Reduktionsmittel)/NO_x-Verhältnis bezeichnet. Wenn demzufolge Ethanol als das Reduktionsmittel verwendet wird, stellt ein Mol Ethanol zwei Mol C1-Reduktionsmittelmaterial in einem C1/NO_x-Verhältnis bereit.
Stochastische Prozessmodellierung der Reduktionsmittelbeimischung für die OHC-SCR
Die Erfinder haben hierin Gebrauch von einer stochastischen Prozessmodellierung (SPM) gemacht, um numerische Beziehungen zwischen Abgasparametern und Silberkatalysatortemperaturen zur Bewerkstelligung der Beimischung eines oxidierten Kohlenwasserstoffes zu einem NO_x-haltigen Abgasstrom vorzusehen. Die stochastische Prozessmodellierung ist ein hochentwickeltes empirisches Modellierungsverfahren, welches nach einer Anpassung hinsichtlich des Rauschens, das in den Daten vorhanden ist, die verwendet werden, um das Modell zu errichten, zwischen Datenpunkten interpoliert. Die SPM-Tools, die verwendet wurden, basierten auf Matlab und wurden von Ricardo durch das Design of Experiments for Powertrain Engineering (DEPE) Consortium beschafft.
In einem Beispiel der Verwendung dieser Modellierung wurden stochastische Prozessmodelle auf der Basis von Betriebsmotordaten für die NO_x-Umwandlung entwickelt, die während zwei verschiedener bekannter Dieselmotor-Betriebszyklen erarbeitet wurden: die Heavy Duty Federal Test Procedure (HDFTP) und der Supplemental Emissions Test (SET), ebenfalls eine US-Federal-Testprozedur. Es wurde bestimmt, dass die erforderlichen Eingangsdaten aus den Experimenten die Kataloysatoreinlasstemperatur, die Konzentrationen eines jeden von NO_x, C1-Kohlenwasserstoff (Ethanol) und Sauerstoff an dem Katalysatoreinlass und die stündliche Gasraumgeschwindigkeit über dem Katalysator sein würde. Die Ausgangsvariable war entweder der NO_x-Umwandlungsgrad oder die diesbezügliche Nach-OHC- SCR-NO_x-Konzentration.
Die Experimente wurden mit einem 6,6 Liter Turbolader-Dieselmotor durchgeführt. Das Abgassystem bestand aus einem Dieseloxidationskatalysator unterstromig des Abgaskrümmners, gefolgt von einem zehn Liter-Ag/Al₂O₃-OHC-SCR-Katalysator. Es wurde Ethanol in das Abgassystem zwischen dem Oxidationskatalysator und dem Silberkatalysatorbett eingespritzt, wenn die gemessene Abgastemperatur zum Zeitpunkt der Einspritzung höher war als 220°C. Es wurden Messungen von Abgasspezies mithilfe eines Fast-Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)-Spektrometers beschafft und wurden jede Sekunde während jedes der Motorzyklen erzeugt.
Die Tests des Motors, während er über zwei Federal-Testzyklen betrieben wurde, erzeugten mehrere Tausend Datenpunkte. Es wurde ein zufriedenstellendes Modell für die HDFTP mithilfe von 164 Datenpunkten erstellt, die durch die stochastische Prozessmodellierung zur Implementierung in einem Motorsteuerungsmodul zur Steuerung von Ethanolbeimischungen zu dem spezifischen Dieselmotor erfolgreich analysiert wurden, während er in Zyklen wie den Testzyklen oder diesen überlappenden betrieben wurde. Um jedoch in diesem Text eine Zusammenfassung illustrativer Betriebsparameter bereitzustellen, wurden die Bereiche der gewählten Betriebsvariablen willkürlich in Hoch- und Niedrigtemperaturklassen gruppiert.
Zu Veranschaulichungszwecken werden die Werte dieser Betriebsvariablen in niedrige und hohe Bereiche gruppiert. Die niedrigen Bereiche dieser Variablen sind die folgenden:
Temperatur < 300 C
NO_x-Konzentration < 200 ppm
O₂-Konzentration < 11%
Raumgeschwindigkeit < 50.000 h^–1

Der hohe Bereich dieser Variablen gilt für Werte, welche diese oberen Grenzen des unteren Bereiches überschreiten. Diese Gruppierung resultiert in sechzehn illustrativen Betriebsbedingungen, die aus den sechzehn verschiedenen Kombinationen von niedrigen und hohen Werten der vier Betriebsvariablen bestehen. Da jede illustrative Betriebsbedingung einen Bereich von Variablenwerten repräsentiert, kann auch das C1(Reduktionsmittel)/NO_x-Verhaltnis, das erforderlich ist, um eine maximale NO_x-Umwandlung zu erzielen, ein Bereich sein. Es ist der Bereich des C1(Reduktionsmittel)/NO_x-Verhältnisses, das erforderlich ist, um eine maximale NO_x-Umwandlung innerhalb jeder der sechzehn illustrativen Betriebsbedingungen zu erzielen, dargestellt. Dieser Bereich wurde aus einer stochastischen Prozessmodellierung von Motordaten bestimmt, die mit der HDFTP und dem Supplemental Emissions Test (SET) erarbeitet wurden. Für Ethanol als das Reduktionsmittel ist dies in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle I. Betriebsstrategie für Ethanol als HC-OHC-SCR-Reduktionsmittel

T	NO_x	GRG	O₂	C1(Ethanol)/ NO_x
niedrig	niedrig	niedrig	niedrig	2
niedrig	niedrig	niedrig	hoch	2–40
niedrig	niedrig	hoch	niedrig	2–3
niedrig	niedrig	hoch	hoch	2
niedrig	hoch	niedrig	niedrig	2–37
niedrig	hoch	niedrig	hoch	1–2
niedrig	hoch	hoch	niedrig	1–2
niedrig	hoch	hoch	hoch	1–14
hoch	niedrig	niedrig	niedrig	3–32
hoch	niedrig	niedrig	hoch	1–40
hoch	niedrig	hoch	niedrig	2–31
hoch	niedrig	hoch	hoch	6–72
hoch	hoch	niedrig	niedrig	9–12
hoch	hoch	niedrig	hoch	7–23
hoch	hoch	hoch	niedrig	4–26
hoch	hoch	hoch	hoch	6–10

Die stochastische Prozessmodellierung von Motordaten kann das gewünschte C1/NO_x-Verhältnis bei jeder gewünschten Motorbetriebsbedingung bereitstellen, wenn die Motordaten umfassend genug sind. Die obige Tabelle wurde mittels stochastischer Modellierungsvorhersage (durch Interpolieren der Motordaten) des erwünschten C1/ NO_x-Verhältnisses bei 3 bis 5 spezifischen Motorbedingungen erstellt, welche jedes der Hoch-Niedrig-Kriterien erfüllen, was der Grund für die angebenen Bereiche ist. In einer tatsächlichen Anwendung wird die Anzahl spezifischer Motorbedingungen, die für eine spezielle Testprozedur verwendet werden sollen, mithilfe eines stochastischen Prozessmodells zu bestimmen sein, das auf Motordaten für diese spezielle Testprozedur basiert.
Anders ausgedrückt wird eine Motorkalibrierung viel mehr als 16 Punkte verwenden, um steuerbare Motorbedingungen über z. B. eine Federal Testprozedur oder (einen) andere/n ausgewählte/n Motorbetriebszyklus/en zu definieren. Sobald das stochastische Prozessmodell jedoch aus ungefähr 100–200 entsprechend gewählten Motortest-Betriebsbedingungen für eine spezielle Testprozedur entwickelt wurde, kann das Modell verwendet werden, um das erwünschte C1/NO_x-Verhältnis bei jeder Betriebsbedingung während der Testprozedur vorherzusagen. Die Anzahl erforderlicher vorhergesagter Betriebsbedingungen, die für eine spezielle Testprozedur notwendig sind, wird basierend auf dem Ausmaß der erforderlichen NO_x-Reduktion bestimmt, während die Notwendigkeit vermieden wird, große Mengen von Reduktionsmittel im Fahrzeug zu speichern, und um nicht eine akzeptable effektive Kraftstoffökonomieeinbuße infolge des Verbrauchs von Ethanol zu überschreiten.
Somit wird für tatsächliche Motorkalibrierungszwecke das bevorzugte C1/NO_x-Verhältnis bei jeder einer großen und geeigneten Anzahl von verschiedenen Betriebsbedingungen bestimmt. Faktoren, die bei der Bestimmung des bevorzugten C1(Ethanol)/NO_x-Verhältnisses zusätzlich zu den vier die Betriebsbedingung definierenden Variablen zu berücksichtigen sind, sind der Massendurchsatz von NO_x, der den OHC-SCR-Katalysator verlässt, die Massendurchsätze anderer unerwünschter Abgaskomponenten wie z. B. Ammoniak, der ein Nebenprodukt des OHC-SCR-Katalysatorbetriebes sein kann, und die äquivalente Kraftstoffökonomieeinbuße, die durch Beimischen von Ethanol zu dem Abgas anfällt. In dieser Ausführungsform ist das Ethanol im Fahrzeug in einem Behälter gespeichert, der von dem normalen Kraftstofftank getrennt ist und wie in dem Abgassystem benötigt verwendet wird. Es könnten auch andere Mittel für die Zufuhr des erforderlichen Reduktionsmittels verwendet werden, wie unten stehend beschrieben. Der verwendete Motorkraftstoff könnte Dieselkraftstoff, Benzin, Wasserstoff, Erdgas, Flüssiggas, Dimethylether oder ein anderer geeigneter Magermotor-Kraftstoff sein.
Die stochastische Prozessmodellierung wurde auch auf die OHC-SCR von NO_x in dem Abgas eines benzinbetriebenen Vierzylinder-Mager-Fremdzündungs-Direkteinspritz (SIDI)-Motors angewendet. Es wurden Ethanol und Gemische aus 85% Ethanol, 15% Benzin (bezogen auf das Volumen, ein als E85 bekannter Kraftstoff) als der OHC-Reduktionsmittelzusatz verwendet. Der Motor wurde gemäß den Neuen Europäischen Fahrzyklen betrieben, wenn sich der Motor in einem aufgewärmten Betriebszustand befand, in dem das Abgas eine Temperatur aufwies, die für eine effektive Silberkatalysatorfunktion geeignet war. Die Tests und die Datenerarbeitung wurden durchgeführt, wie oben stehend in Bezug auf den Dieselmotor beschrieben. Es wurden mehrere tausend Datenpunkte für die Motorbetriebszyklen beschafft. Es wurden wiederum zufriedenstellende Modelle für Fahrzyklen mithilfe von einigen hundert Datenpunkten entwickelt, die durch die stochastische Prozessmodellierung zur Implementierung in einem Motorsteuerungsmodul zur Steuerung von Ethanolbeimischungen zu dem spezifischen Benzinmotor analysiert wurden, während er in Zyklen wie den Testzyklen oder diesen überlappenden betrieben wird.
Die Vorteile von Ethanol oder einem anderen effektiven Oxygenat als ein Reduktionsmittel für die OHC-SCR können in dem Abgas eines Motors realisiert sein, der konstruiert ist, um mit einem beliebigen Kraftstoff-Ethanol-Gemisch oder einer beliebigen Kraftstoff-Oxygenat-Mischung zu laufen. In diesem letzteren Fall könnte das Reduktionsmittel bequemerweise den Inhalt des Kraftstofftanks als die Quelle für das OHC-SCR-Reduktionsmittel verwenden. Je größer die Konzentration des effektiven Oxygenats in dem Kraftstoff ist, umso größer ist die Verbesserung des NO_x-Umwandlungswirkungsgrades, die erzielt werden kann. Falls erwünscht, könnte das Oxygenat vor der Einspritzung in das Abgas von dem Kraftstoff getrennt sein, um es zu konzentrieren und das eingespritzte Reduktionsmittel effektiver zu machen. Solch eine Trennung könnte mit einer Membran, einer Extraktion mit Wasser oder einer anderen geeigneten Chemikalie oder mit einem anderen geeigneten Verfahren erreicht werden. Es könnte eine Prozedur ähnlich der oben beschriebenen verwendet werden, um eine Betriebsstrategie für jedes beliebige Kraftstoff-Oxygenat-Motorgemisch verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials für die katalytisch unterstützte Reduktion von NO_x-Bestandteilen im Abgas von einem mit einem Magermotor betriebenen Fahrzeug; wobei der Fahrzeugmotor eine Vielzahl von Verbrennungszylindern, in denen ein Kraftstoffund Luft gemischt und gezündet werden, um Hubkolben in den Zylindern zu betreiben, und einen Abgaskrümmer umfasst, der mit den Zylindern verbunden ist, wobei in dem Krümmer die Verbrennungsprodukte aus den Zylindern als aufeinanderfolgende Abschnitte eines Abgasstromes kombiniert werden, der Sauerstoff, Wasser, Stickstoff und NO_x umfasst; und wobei das Fahrzeug ein Abgasrohr umfasst, um den Abgasstrom für die chemische Reduktion von NO_x-Bestandteilen durch Reaktion mit dem beigemischten oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittel zu einem Reaktor in Kontakt mit einem Silber/Aluminiumoxid-Katalysator zu leiten, der innerhalb des Reaktors enthalten ist; wobei das Verfahren, während das Fahrzeug betrieben und der Abgasstrom erzeugt wird, umfasst, dass: kontinuierlich (a) der Sauerstoffgehalt eines Abschnitts des Abgasstromes und (b) der NO_x-Gehalt eines Abschnitts des Abgasstromes gemessen wird, bevor der Abgasstrom in den den Reduktionskatalysator enthaltenden Reaktor eintritt; kontinuierlich (c) die Temperatur des Reduktionskatalysators in dem den Reduktionskatalysator enthaltenden Reaktor gemessen wird; kontinuierlich (d) die stündliche Raumgeschwindigkeit des in Kontakt mit dem Reduktionskatalysator strömenden Abgasstromes gemessen wird; und zumindest die vier gemessenen Werte (a–d) verwendet werden; kontinuierlich eine Menge des Reduktionsmaterials bestimmt wird, um die NO_x-Reduktion durch den Silberkatalysator, die einem aktuellen Abschnitt des Abgasstromes beigemischt werden soll, bevor er in den Reduktionsreaktor eintritt, zu maximieren, wobei solch eine Bestimmung mithilfe eines vorprogrammierten, im Fahrzeug eingebauten Computers unter Verwendung zumindest der aktuellen vier gemessenen Werte erfolgt; und die aktuell bestimmte Menge an Reduktionsmittel dem Abgasstrom beigemischt wird, bevor er in Kontakt mit dem Reduktionskatalysator strömt.
Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 1, wobei das Reduktionsmittelmaterial einen Alkohol umfasst, der aus der Gruppe gewählt ist, die aus Methanol, Ethanol, einem Propanol, einem Butanol oder einem Aldehyd eines solchen Alkohols besteht.
Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 1, wobei das Reduktionsmittelmaterial Ethanol umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 1, wobei der Reduktionskatalysator Partikel aus Silber umfasst, die auf Partikeln aus Aluminiumoxid getragen sind.
Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 1, wobei die Beimischungen von Reduktionsmittelmaterial in dem Abgasrohr oberstromig des Reduktionskatalysators erfolgen.
Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 1, wobei Beimischungen von Reduktionsmittelmaterial in Verbrennungsprodukte in einem Motorzylinder eingespritzt werden und dann in den Abgaskrümmer des Abgasrohres eintreten.
Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 1, wobei Beimischungen von Reduktionsmittelmaterial in einen Motorzylinder hinein erfolgen und ohne Verbrennung des Reduktionsmittelmaterials aus dem Zylinder in den Abgaskrümmer ausgetragen werden.
Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 1, wobei der Kraftstoff des Fahrzeugmotors einer oder mehrere von den Stoffen ist/sind, welche aus der Gruppe gewählt sind, die aus Dieselkraftstoff, Benzin, Wasserstoff, Erdgas, Flüssiggas, Ethanol, Methanol und Dimethylether besteht.
Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 1, wobei die kontinuierliche Bestimmung der Menge von Reduktionsmittelmaterial, die dem Abgasstrom beigemischt werden soll, den Verweis durch einen im Fahrzeug eingebauten Computer an eine vorbestimmte Nachschlagetabelle für Beimischungsmengen von eines gewählten Reduktionsmittelmaterials für ausgewählte Bereiche der vier gemessenen Werte umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 9, wobei das Reduktionsmittelmaterial Ethanol ist und die kontinuierliche Bestimmung der Menge Ethanol, die dem Abgasstrom beigemischt werden soll, den Verweis durch einen im Fahrzeug eingebauten Computer an eine vorbestimmte Nachschlagetabelle für Beimischungsmengen von Ethanol für ausgewählte Mengen der vier gemessenen Werte umfasst.