DE102011115300A1 - Operating method for the selective catalytic reduction of NOx - Google Patents

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.If oxygenated hydrocarbons such. B. ethanol can be used as a reducing agent to be added to a diesel or gasoline engine exhaust gas to aid the catalyzed reduction of NOx to N2, there is a need to continuously adjust the amount of reducing agent to be added, when the engine and catalyst operating conditions change. It has been found that the appropriate procedure to be performed using a suitably programmed in-vehicle computer is based on a correlation for ethanol or other specific reducing agent with continuously measured values of the catalyst temperature, the oxygen and NOx content of the exhaust gas and the volumetric flow rate of the exhaust gas over a reduction catalyst such. B. silver-carried alumina, which is selected for the reduction of NOx to nitrogen. Effective amounts of the reducing agent for a significant reduction of NOx can be reliably determined using at least these parameters.

Description

Technisches GebietTechnical area

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.This invention relates to methods of managing the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (mostly NO and NO ₂ , collectively NO _x ) in the exhaust stream from a diesel engine or other lean-burn engine. More particularly, this invention relates to a method for controlling the admixture of a suitable oxygenated hydrocarbon such as e.g. For example, ethanol is added to the exhaust gas in preparation for the reduction of NO _x in the exhaust stream as it flows into contact with a non-noble metal catalyst for selective catalytic reduction.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

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.Diesel engines, some gasoline-fueled engines, and many hydrocarbon-fueled engines are operated at more than stoichiometric air / fuel mass ratios for improved fuel economy. However, such lean-burn engines and other power sources produce a hot exhaust gas with a relatively high content of oxygen, water and nitrogen oxides (NO _x ). In the case of diesel engines, the temperature of the exhaust stream from a warm-running engine is typically in the range of about 200 degrees to 400 degrees Celsius, depending on the current fuel consumption (load) of the engine. The exhaust gas has by volume a representative, exemplary composition of about 10% oxygen, 6% carbon dioxide, 0.1% carbon monoxide (CO), 180 ppm hydrocarbons (HC), 235 ppm NO _x , and the remainder consists essentially of Nitrogen and water. The exhaust often contains some very small carbon-rich particles. And, to the extent that the hydrocarbon fuel contains sulfur, the exhaust gas from the combustion source may also contain sulfur dioxide. It is desirable to treat such an exhaust gas composition to minimize the discharge of any substances other than nitrogen, carbon dioxide and water into the environment.

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.The NO _x gases, which typically comprise varying mixtures of nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO ₂ ) with small amounts of nitrous oxide (N ₂ O), can be due to the relatively high oxygen (O ₂ ) content (and water content) in It is difficult to reduce the hot exhaust gas flow to nitrogen (N ₂ ). Three-way catalyst systems that have been successfully used with engines operating at an approximately stoichiometric air-fuel ratio have not been effective in reducing NO _x to acceptable levels in such an oxygen-rich exhaust.

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.Lean NO _x traps can be efficient at removing NO _x from an exhaust stream, but require expensive precious metals and their long-term durability is uncertain. Selective catalytic reduction techniques have been contemplated in which the lean exhaust gas was oxidized to complete the oxidation of unburned hydrocarbons to carbon dioxide and water, to oxidize carbon monoxide to carbon dioxide, and some of the nitrogen monoxide (NO) to nitrogen dioxide (NO ₂ ) to oxidize. It is a reducing agent material such. For example, NH ₃ or an NH ₃ precursor (an aqueous urea solution) is introduced into the oxidized exhaust stream and the stream passed through a suitable catalyst for the reduction of a major part of the NO _x to nitrogen and water. Such a procedure is referred to as the "selective catalytic reduction" (SCR) of NO _x , since it is accomplished without affecting the oxidized species in the exhaust gas stream. However, storage of an additional reductant material in the vehicle to urea and ammonia SCR is required, and when urea is used as the reductant, an aqueous urea solution must be protected against freezing in cold weather.

Es wäre zweckdienlich, über ein weniger kostspieliges, bequemeres Verfahren zum Erreichen einer NO_x-Reduktion an der Abgasströmung aus einem Magermotor zu verfügen.It would be useful to have a less expensive, more convenient method of achieving NO _x reduction in exhaust gas flow from a lean-burn engine.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

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.It is a method of managing the use and admixture of low molecular weight ethanol or other suitable low molecular weight oxygenated hydrocarbon (OHC) such as e.g. Methanol, a propanol, a butanol or an aldehyde of such alcohol as an oxygenated hydrocarbon-type reducing agent in an OHC-SCR process and a reactor for catalytic reduction of NO _x in an oxygen-containing and hydrous lean exhaust gas. The amount of oxygenated hydrocarbon admixed to the exhaust stream is monitored continuously and in accordance with certain conditions and properties of the exhaust gas stream Exhaust gas stream and the reduction catalyst, as stated in this patent specification below, adapted. It is an objective of continuous OHC admixture management to avoid the need for subsequent treatment of the exhaust gas on ammonia downstream of the OHC-SCR reactor. And another goal is to use the oxygenated hydrocarbon in amounts that minimize the overall fuel consumption by the vehicle engine and its exhaust system.

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.Most current vehicle engines use the combustion of a hydrocarbon fuel with air for their power sources. The engines include a plurality of cylinders, each with a reciprocating piston connected to a crankshaft, and a drive train for propelling the vehicle. Means are provided for computer-controlled, sequential, timed injection of air and fuel into each cylinder. As the pistons reciprocate in their respective cylinders, a controlled mixture of air and fuel sequentially enters the respective cylinder where the combustible mixture is compressed and ignited. The combustion in each cylinder drives the piston in a power stroke followed by an exhaust stroke in which the combustion byproducts are expelled from the cylinder into an exhaust manifold and then into the exhaust pipe of the vehicle. The continued operation of such a lean-burn engine produces a steady flow of exhaust gas in a range of temperatures and with a composition as illustrated above in the Background section of this specification. The fuel can z. As diesel fuel, gasoline, natural gas, LPG (mostly propane), dimethyl ether, ethanol, a mixture of ethanol and gasoline or the like. Hydrogen can also be used as a fuel.

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.The oxygen and water-containing exhaust gas may first be passed to a catalyst-containing flow-through oxidation converter for the oxidation of carbon monoxide and incompletely combusted hydrocarbon fuel components. The oxidation converter may also assist in the oxidation of a portion of the nitrogen oxide to nitrogen dioxide in preparation for the downstream exhaust treatment in a selective catalytic reduction reactor for reducing NO ₂ and other NO _x components to nitrogen before the exhaust flow exits the vehicle exhaust system. According to this invention, an oxygenated hydrocarbon is added to the exhaust stream at a suitable location upstream of the selective catalytic reduction reactor. An example of a suitable such oxygenated hydrocarbon selective catalyst for catalytic reduction (OHC-SCR catalyst) for the applications of this invention is a material comprising nanometer size silver (or silver oxide) particles deposited and supported on micron sized particles of alumina. The particles of the supported silver catalyst may, for. For example, it may be conveniently deposited as a thin washcoat layer on the walls of the many small flow channels of an extruded honeycomb ceramic monolith.

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 accordance with embodiments of this invention, ethanol (or other suitable oxygenated hydrocarbon) is injected (or otherwise introduced) into the effluent upstream of the OHC-SCR catalyst. In order to more efficiently influence the reduction of NO _x components while the exhaust gas is flowing in close contact with the OHC-SCR catalyst, certain continuously varying parameters of the OHC-SCR catalyst and the exhaust gas are determined as determined by the inventors herein , continuously monitored, and the amount of oxygenated hydrocarbon admixed to the exhaust stream is continuously adjusted in accordance with a predetermined strategy based on the values of the particular parameters.

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.In further accordance with an illustration of an example of a method of this invention, a measured or determined value of each of the subsequent four parameters is (at least) continuously procured at timely intervals and used in the management of oxygenated hydrocarbon admixture: (i) the temperature of the OHC -SCR catalyst, representations of the amounts of NO _x (ii) and of oxygen (iii) in the exhaust gas just upstream of the OHC-SCR catalyst and (iv) a measure of the flow rate of the exhaust gas flowing over or through the catalyst. In the case of the exhaust gas flow rate, a measure such. B. the hourly gas space velocity (SV, h ^-1 ) or the equivalent measured or determined. When determining the space velocity at a certain moment z. Example, the ratio between the current unit volume per hour of an exhaust gas under standard conditions of temperature and pressure and a predetermined solid volume of the OHC-SCR catalyst can be used. In the applications of the invention, it is important to obtain accurate and reliable representations of the oxygen content in the exhaust gas upstream of the OHC-SCR catalyst for each determination of OHC addition.

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.Suitable sensors are available for measuring the actual temperature of the catalyst for selective reduction and for determining an appropriate value of the flow rate of the exhaust gas. Similarly, sensors are available to continuously provide or determine appropriate instantaneous concentrations of oxygen (eg, as a percentage of total exhaust gas) and NO _x (eg, in parts per million of exhaust gas composition). A suitably programmed computer-based control system may be used to receive such data from the respective sensors and to use such available data to continuously and rapidly use these parameters for use in determining the amounts of oxidized hydrocarbon reductant flowing through each exhaust stream whole operation of the vehicle engine to be mixed, analyze. Such a sensor and computer based system may function as part of or in cooperation with an engine control system (s), which may e.g. B. is used to measure, determine and control air and fuel admixtures to the engine and other engine operations.

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 accordance with preferred embodiments of the invention, and as an illustrative example, a suitable additive control system for the OHC-SCR reductant may take into account the actual values of the above-noted exhaust gas / OHC-SCR parameters and determine an amount of reductant (mass or volume) corresponding to the Exhaust gas stream to be mixed. The control system can, for. B. programmed to mix a molar value of a reducing agent (such as ethanol) per mole of NO _x components, which is then determined based on a combination of the current values of the four parameters mentioned or determined that he should be present in the exhaust gas. As described in more detail below in this specification, a table of parameter combinations and corresponding reductant admixture values may be predetermined for one (or each) reductant to be used in the specific OHC-SCR system for a particular engine or vehicle Consideration. The table may be stored in a memory of a vehicle computer control system which serves to manage ongoing reductant admixtures to the exhaust stream. It will be appreciated that similar engines in different vehicles may use different reductants, different mechanisms or means for adding a reductant to an exhaust stream, and different tables of parameter combinations and corresponding reductant admixture values. It is an overriding goal of managing an OHC admixture to achieve effective reduction of NO _x to nitrogen while minimizing the formation of ammonia in the reduction reactor and minimizing the effect of reducing agent admixture on the overall fuel economy of the engine-vehicle system ,

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.In further embodiments of the invention, the current values of the four parameters may be used in a vehicle computing system to calculate an actual amount of reductant based on use of stored data or computational programs.

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.The oxygenated hydrocarbon reductant material is carried in a suitable container on the vehicle and delivered via a suitable conduit for admixture with the engine or exhaust stream. The reductant material is preferably ethanol, and of course, ethanol may be the fuel for the vehicle or a component of the fuel. For example, if the fuel is a mixture of ethanol and diesel fuel or of ethanol and gasoline, such an oxygenated hydrocarbon / hydrocarbon mixture can be used as the OHC-SCR reductant additive.

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.Other objects and advantages of the invention will be better understood from a discussion of detailed illustrations of specific embodiments of applications of the invention, which are set forth below (as non-limiting illustrations) in this specification.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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. 1 FIG. 12 is a schematic illustration of the flow of exhaust flow from the exhaust manifold of a diesel engine (or other lean-burn engine or engine) through an exhaust pipe system including an oxidation catalyst reactor and an OHC-SCR catalyst reactor. Illustrations of sensor positions and reductant addition positions are shown in this figure.

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. 2 is a schematic illustration of an OHC-SCR reactor. In this embodiment, particles of a silver-alumina catalyst are applied as a washcoat material to the flow channels of a cordierite monolith honeycomb cell body. The monolith supported by the silver-alumina catalyst is enclosed in a suitable metal housing having an inlet and an outlet for the exhaust gas flow.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Description of preferred embodiments

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.The present invention provides an operating strategy for the use of ethanol and other suitable oxygenated hydrocarbons as an OHC-SCR reducing agent in the exhaust gas of a lean-burn engine. Ethanol is a suitable and preferred reducing agent for NO _x over a silver-alumina catalyst, which entails NO _x conversion efficiencies of 70-99% over a wide range of diesel and gasoline engine operating conditions. The oxygenated hydrocarbon reacts with NO _x and oxygen at catalyst sites to form nitrogen, carbon dioxide and water. Thus, a substantial portion of the NO _x and reductant are converted to materials which are compatible with the environment into which the exhaust gas is released.

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.Specifically, an average NO _x conversion efficiency of 81% was achieved with a run of the Heavy Duty Federal Test Procedure scheme with a 6.6 liter diesel engine with ethanol injection into the exhaust stream. Ethanol is a particularly effective OHC-SCR reducing agent that allows the reduction of NO _x at catalyst temperatures of only 250 ° C. Also, oxidation products of ethanol such. As acetaldehyde as well as other alcohols are comparable effective OHC-SCR reducing agent. Through a combination of experimentation and mathematical modeling, an operating strategy for highly efficient removal of NO _x from the exhaust gas during engine operation using ethanol as the OHC-SCR reducing agent has been developed. Other oxygenated hydrocarbons (or mixtures of oxygenated hydrocarbons with hydrocarbons) suitable for the OHC-SCR could also be used with only minor modifications to the reductant blending operating strategy as disclosed in this specification.

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.The applications of the method of controlling reductant admixtures will be better understood by following an illustration of the operation of a diesel engine (or other lean-burn engine) and its exhaust system including a catalyst-containing reactor in the NO _x reduction exhaust path.

1 ist ein schematisches funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften Dieselmotors und eines Abgassystems zur OHC-SCR-Behandlung des NO_x-Gehalts des Abgases. 1 FIG. 12 is a schematic functional block diagram of an exemplary diesel engine and exhaust system for OHC-SCR treatment of the NO _x content of the exhaust gas. FIG.

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.Referring now to 1 FIG. 10 is a schematic functional block diagram of an exemplary engine exhaust system. FIG 10 shown. The motor 12 can z. Example, a gasoline engine, a diesel engine, a hybrid engine and / or another suitable type of engine. The motor 12 generates torque by burning an air / fuel mixture within the cylinders 14 of the motor 12 , The motor 12 can be any suitable number of cylinders such as the cylinders 14 include. The motor 12 can z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 or 12 cylinders.

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.It will sequentially air into each cylinder 14 of the motor 12 through an intake manifold 13 ' sucked through. One through an electronic throttle controller (ETC) 13 ''' operated throttle 13 '' controls the flow of air into each cylinder 14 of the motor 12 , The air mixes with fuel from one or more of the fuel injectors 15 to form an air and fuel mixture which, in the case of diesel engines and other lean-burn engines, has an air-fuel ratio with a large excess over the stoichiometric ratio of the fuel, which is about 14.7 for diesel fuel and gasoline. The air / fuel mixture is sequential in each cylinder 14 ignited and burned to produce a torque for driving a vehicle. And the combustion of the air / fuel mixture produces an exhaust gas that comes out of each cylinder 14 in the exhaust manifold 17 is ejected. The exhaust gas flow leaves the exhaust manifold 17 as a steady stream during engine operation and flows into the exhaust system 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.The exhaust system 16 includes treatment catalysts, sensors, computer control modules, and the like, which cooperate to reduce the amount of nitrogen oxides (NO _x ) in the exhaust gas. The exhaust system 16 typically includes an oxidation catalyst 20 , a reducing agent material injector 22 and an OHC-SCR catalyst 24 , The OHC-SCR catalyst 24 is usually carried in an OHC-SCR reactor vessel, an example of which is described in US Pat 2 is illustrated. In 1 the exhaust gas flows from the exhaust manifold 17 through a first exhaust pipe section 21 to the oxidation catalyst 20 , The oxidized exhaust gas flows through a second exhaust pipe section 23 to the OHC-SCR catalyst 24 and then through a third section 25 , The exhaust gas may pass the exhaust system through the third section 25 leave. The exhaust system 16 may also include other devices such as a filter or trap (not shown) for removing carbonaceous solids from the exhaust stream.

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. In this example, the reductant material injector injects 22 an oxygenated hydrocarbon reductant material (eg, ethanol) into the second exhaust pipe section 23 upstream of the OHC-SCR catalyst 24 one. The OHC-SCR catalyst 24 may adsorb the ethanol or other oxygenated hydrocarbon reductant and promote reaction of the reductant with NO _x components and oxygen in the flowing exhaust stream to reduce NO _x components to nitrogen. The OHC-SCR catalyst 24 is preferably a catalyst of silver particles carried on alumina particles. The OHC-SCR catalyst 24 can be used in combination with a diesel particulate filter or in any other suitable design.

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.The percentage of NO _x removed from the exhaust gas via the NO _x reaction with the oxygenated hydrocarbon reductant is referred to as a conversion efficiency or NO _x conversion rate. In accordance with this invention, the NO conversion rate significantly, _x is related to the ongoing determination of how much reducing agent to the exhaust stream upstream of the SCR catalyst OHC 24 is added.

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.The uses herein for determining the amount of reductant that the OHC-SCR catalyst 24 is to be admixed, makes use of a group of sensors, as components of an exhaust system 16 can be considered. The exhaust system 16 can be NO _x sensors 28 and 30 and temperature sensors (often thermocouples) 32 . 34 and 36 include. The exhaust system 16 also includes an oxygen sensor 38 which also plays an important role in the application of this invention. A NO _x sensor 28 is upstream of the oxidation catalyst 20 arranged and another NO _x sensor 30 is downstream of the OHC-SCR catalyst 24 arranged. In further embodiments of the NO _x sensor 28 between the oxidation catalyst 20 and the OHC-SCR catalyst 24 arranged. There may also be a temperature sensor inside or near the OHC-SCR catalyst 24 be arranged. In some applications of the invention, it may also be useful to limit the presence of other ingredients such as e.g. B. ammonia in the third pipe section 25 downstream of the OHC-SCR catalyst 24 capture.

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.NO _x sensors and oxygen sensors come in different forms and can be used in different forms. Often these are electrochemical devices that compare exhaust gas flow with air or other reference material.

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.Their signals are received and used by a motor control module or other computer-based module. And the signals from a NO _x sensor or an oxygen sensor may be from a control module in combination with other sensor signals such. For example, an air mass sensor may be used in obtaining an appropriate value for actual NO _x concentration or oxygen concentration in the exhaust gas flow.

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.The NO _x sensors 28 and 30 Thus, when obtaining a measurement of a NO _x concentration upstream or downstream of the OHC-SCR catalyst 24 used. In other words, the NO _x sensors 28 and 30 used to take a reading or reading in and out of the OHC-SCR catalyst 24 to obtain flowing NO _x . The NO _x sensors 28 and 30 generate signals corresponding to the values of the concentrations of NO _x (ppm) at their respective positions, which are referred to as NO _Xin and NO _Xout , respectively.

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.The temperature sensors 32 . 34 and 36 are in different places throughout the exhaust system 16 arranged. For example, as in 1 illustrates is the temperature sensor 34 downstream of the oxidation catalyst 20 and upstream of the OHC-SCR catalyst 24 arranged and the temperature sensor 36 is downstream of the OHC-SCR catalyst 24 arranged. The temperature sensor 32 is upstream of the oxidation catalyst 20 arranged. The temperature sensors 32 . 34 and 36 each measure the temperature of the exhaust gas at their respective positions and output a signal corresponding to the measured temperature. The from the temperature sensors 32 . 34 and 36 output signals are in 1 designated as T _A , T _B and T _C.

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.An engine control module (ECM) 40 controls the torque output of the motor 12 , In this function, the ECM 40 Receive signals from one or more sensors including an intake manifold absolute pressure (MAP) sensor, an air mass sensor (MAF), a throttle position sensor (TPS), an intake air temperature (IAS) sensor, and other engine operating parameter sensors to control engine operation. In the practice of this invention, the ECM includes 40 also a reductant addition control module 42 , which determines the mass flow rate of the through the reducing agent material injector 22 injected oxygenated hydrocarbon reductant controls. In this way controls the reductant admixture control module 42 the amount of reductant material corresponding to the OHC-SCR catalyst 24 is supplied. The reductant admixture control module 42 is an element of a computer preprogrammed in accordance with the principles of the present disclosure to provide admixture of reductant material for the reduction of NO _x components in contact with the OHC-SCR catalyst 24 to accomplish flowing exhaust gas flow. The reducing agent material may, for. Stored in the fuel tank or other suitable container, and through a conduit, not shown, to the reductant material injector 22 to be delivered.

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.As schematically in 1 displayed receives a reducing agent addition control module 42 Signals from temperature sensors, one or more NO _x composition sensors and at least one oxygen sensor. In addition to the temperature sensors and exhaust gas composition sensors, an exhaust gas mass flow sensor is upstream of the OHC SCR catalyst 24 for continuously determining the volumetric exhaust gas flow rate through the module 42 for calculating the space velocity of the exhaust gas (or an equal exhaust gas volume) in contact with the OHC-SCR catalyst 24 intended. In some embodiments of the invention, the reductant admixture control module may e.g. B. Use air mass flow and fuel flow data to the engine to determine or estimate the current exhaust gas flow rate.

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.In 1 the supply of the exhaust gas stream with the reducing agent was accomplished by injecting the reducing agent into the exhaust gas stream upstream of the OHC-SCR catalyst. Other methods of supply of the reducing agent include; 2) the injection into a fired engine cylinder late in the power stroke; 3) injection into an uninflated or deactivated cylinder into which no combustion fuel has been mixed; 4) Injection into a cylinder immediately before deactivation by closing intake and exhaust valves, followed by opening the exhaust valve in a subsequent cycle to allow the reducing agent and any reaction products of the reductant to enter the exhaust system. In applications where oxygenated hydrocarbon is mixed through the vehicle engine, it may be preferable to minimize or eliminate the use of an oxidation reactor in the exhaust stream.

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.Before explaining the methods for continuously determining an appropriate amount of a reducing agent to be mixed with the exhaust gas stream for effective reduction of NO _x , it is helpful to exemplify a reactor (or container) for passing a NO _x -containing and reducing agent containing exhaust gas and an efficient contact of the gas with the arranged in the catalytic reactor OHC-SCR catalyst 24 to illustrate. 2 illustrates an OHC-SCR reactor 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.With reference to 2 can the OHC-SCR reactor 60 a round, tubular stainless steel body 62 include, for. Example, an extruded, round, cylindrical, honeycomb cordierite catalyst support body 64 tightly enclosing which in the broken window in the side of the body 62 you can see. The supporting body 64 may be formed of other known and suitable ceramic or metallic materials. In this embodiment, the cordierite catalyst support is 64 formed with many exhaust flow channels extending from an upstream exhaust inlet surface 65 of the catalyst support to a downstream gas outlet surface (in 2 not visible) of the catalyst support. These small flow channels are as crossing lines in the illustration of the exhaust inlet area 65 illustrated. There are typically z. B. 400 flow channels per square inch of inlet area formed during the extrusion of the ceramic body. A catalyst with silver on alumina particles in the form of a washcoat is coated on the walls of each of the channels of the honeycomb structure. The diameter of the steel body 62 and the enclosed reduction catalyst support 64 Silver-based is increased with respect to the upstream and downstream exhaust pipes to reduce the flow resistance on the exhaust stream while entering the inlet surface 65 the Katalysatorstützkorpers 64 engages and flows through the washcoat-coated channels. The supporting body 64 is in the steel body 62 sealed so that the exhaust gas flow in contact with the supported OHC-SCR catalyst on the channel walls of the support body 64 is directed.

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.As in 2 to see is the upstream end of the steel inclusion body 62 (as through the exhaust flow direction arrow 66 indicated) by an expanding stainless steel Abgaseinlassteilstück 68 enclosed.

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.The exhaust inlet 70 of the inlet section 68 is dimensioned and adapted to the exhaust gas flow from the exhaust pipe 23 ( 1 ). The exhaust gas inlet section 68 is at the steel inclusion body 62 welded. In a similar manner, the downstream end of the steel inclusion body 62 ( Exhaust flow direction arrow 72 ) through a flow-restricting steel exhaust section 74 enclosed, with an exhaust outlet 76 is arranged to be welded to a downstream exhaust pipe piece.

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.There may be a temperature sensor (in 2 not illustrated) within the steel inclusion body 62 be arranged. Such a sensor can, for. B. at the upstream 65 and / or the downstream end of the catalyst support 64 be arranged.

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.In accordance with applications of this invention, it is necessary to obtain a measurement of the volumetric flow rate of a NO _x -containing exhaust gas stream over a silver-on-alumina selective reduction catalyst. In the illustration of 2 the exhaust gas flow becomes at the inlet surface 65 the catalyst support 64 divided and caused to flow through many very small channels to which the silver catalyst was applied in the form of washcoat-coated particles. In this embodiment, it is often preferred that the outer, superficial volume of the support body 64 to use as the volume of the catalyst. Thus, a convenient measurement of a space velocity of a NO _x -containing exhaust gas flow with respect to a washcoat-coated multi-channel support body may be determined by dividing an hourly volumetric flow rate of the exhaust gas by the outer volume of the cordierite body containing the exhaust gas flow channels. The volumetric flow rate may, for. At its actual temperature and pressure or at a standardized temperature and pressure.

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.An important control variable in these operating strategies for oxygenated hydrocarbon reductant additive to an exhaust gas flow, the ratio of the concentration of reductant to the _NOx concentration is just upstream of the OHC SCR catalyst. As in 1 illustrated, sensors are used to measure the NO _x concentration at a given operating condition, and it is the appropriate amount of reducing agent in the exhaust gas introduced. The reducing agent concentration is expressed as the concentration of carbon atoms contained in the reducing agent relative to the concentration of oxides of nitrogen, and is referred to as the C1 (reducing agent) / NO _x ratio. Accordingly, when ethanol is used as the reducing agent, one mole of ethanol provides two moles of C1 reducing agent material in a C1 / NO _x ratio.

Stochastische Prozessmodellierung der Reduktionsmittelbeimischung für die OHC-SCRStochastic process modeling of the reducing agent admixture for the 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.The inventors herein have made use of stochastic process modeling (SPM) to provide numerical relationships between exhaust gas parameters and silver catalyst temperatures for effecting the admixture of an oxidized hydrocarbon to a NO _x -containing exhaust gas stream. Stochastic process modeling is a sophisticated empirical modeling technique that interpolates between data points after fitting for the noise present in the data used to construct the model. The SPM tools used were based on Matlab and were procured by Ricardo through the Consortium's Design of Experiments for Powertrain Engineering (DEPE).

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.In one example of the use of this modeling, stochastic process models based on engine NO _x conversion data developed during two different known diesel engine operating cycles have been developed: the Heavy Duty Federal Test Procedure (HDFTP) and the Supplemental Emissions Test (SET ), also a US federal test procedure. It has been determined that the required input data from the experiments, the Kataloysatoreinlasstemperatur, the concentrations of each of NO _x, C1-hydrocarbon (ethanol), and oxygen at the catalyst inlet and the gas hourly space velocity would be on the catalyst. The output variable was either the NO _x conversion level or the related post-OHC SCR NO _x concentration.

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.The experiments were carried out with a 6.6 liter turbocharged diesel engine. The exhaust system consisted of a diesel oxidation catalyst downstream of the exhaust manifold, followed by a ten liter Ag / Al ₂ O ₃ -OH SCR catalyst. Ethanol was injected into the exhaust system between the oxidation catalyst and the silver catalyst bed when the measured exhaust gas temperature at the time of injection was higher than 220 ° C. Measurements of exhaust species were obtained using a Fast Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer and were generated every second during each of the engine cycles.

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.The engine tests, while operating over two Federal test cycles, produced several thousand data points. It became a satisfactory model for HDFTP using 164 data points which was successfully analyzed by stochastic process modeling for implementation in an engine control module for controlling ethanol blends to the specific diesel engine while operating in cycles such as the test cycles or overlapping ones. However, to provide a summary of illustrative operating parameters in this text, the ranges of selected operating variables have been arbitrarily grouped into high and low temperature classes.

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 For illustrative purposes, the values of these operating variables are grouped into low and high ranges. The low ranges of these variables are the following:
Temperature <300 ° C
NO _x concentration <200 ppm
O ₂ concentration <11%
Space velocity <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 The high range of these variables applies to values that exceed these upper limits of the lower range. This grouping results in sixteen illustrative operating conditions consisting of the sixteen different combinations of low and high values of the four operating variables. Since each illustrative operating condition representing a range of variable values may also be the C1 (reducing agent) / NO _x -Verhaltnis required to _x to obtain the maximum NO conversion, be a region. The range of C1 (reductant) / NO _x ratio required to achieve maximum NO _x conversion within each of the sixteen illustrative operating conditions is shown. This range was determined from a stochastic process modeling of engine data generated by the HDFTP and the Supplemental Emissions Test (SET). For ethanol as the reducing agent, this is shown in Table 1. Table I. Operating strategy for ethanol as HC-OHC-SCR reducing agent T NO _x GRG O ₂ C1 (ethanol) / NO _x low low low low 2 low low low high 2-40 low low high low 2-3 low low high high 2 low high low low 2-37 low high low high 1-2 low high high low 1-2 low high high high 1-14 high low low low 3-32 high low low high 1-40 high low high low 2-31 high low high high 6-72 high high low low 9-12 high high low high 7-23 high high high low 4-26 high high high high 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.The stochastic process modeling of engine data can provide the desired C1 / NO _x ratio for any desired engine operating condition if the engine data is sufficiently comprehensive. The above table has been using stochastic modeling prediction of the created (by interpolating the motor data) desired C1 / NO _x ratio at 3 to 5 specific engine conditions satisfying each of the low-high criteria, which is the reason for the ranges mentioned. In an actual application, the number of specific engine conditions to be used for a particular test procedure will need to be determined using a stochastic process model based on engine data for that particular test procedure.

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.In other words, engine calibration will use much more than 16 points to achieve controllable engine conditions over e.g. For example, a Federal test procedure or other selected engine operating cycle (s) may be defined. However, once the stochastic process model has been developed from approximately 100-200 appropriately selected engine test operating conditions for a particular test procedure, the model can be used to predict the desired C1 / NO _x ratio for each operating condition during the test procedure. The number of required predicted operating conditions necessary for a particular test procedure is determined based on the amount of NO _x reduction required, while avoiding the need to store large quantities of reductant in the vehicle and not resulting in an acceptable effective fuel economy penalty exceed the consumption of ethanol.

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.Thus, the preferred C1 / NO _x ratio at each of a large number of different and suitable operating conditions is determined for actual engine calibration purposes. Factors in determining the preferred C1 (ethanol) / NO _x ratio variables in addition to the four operating condition defining to take into account the mass flow rate of _NOx leaving the OHC SCR catalyst, the mass flow rates of other undesirable exhaust gas components such as Ammonia, which may be a by-product of OHC-SCR catalyst operation, and the equivalent fuel economy penalty incurred by adding ethanol to the exhaust gas. In this embodiment, the ethanol in the vehicle is stored in a container separate from the normal fuel tank and used as needed in the exhaust system. Other means of supplying the required reducing agent could also be used, as described below. The motor fuel used could be diesel fuel, gasoline, hydrogen, natural gas, liquefied petroleum gas, dimethyl ether or other suitable lean burn engine fuel.

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.Stochastic process modeling has also been applied to the OHC-SCR of NO _x in the exhaust gas of a gasoline-powered four-cylinder lean spark-ignition direct injection (SIDI) engine. Ethanol and mixtures of 85% ethanol, 15% gasoline (by volume, a fuel known as E85) were used as the OHC reductant additive. The engine was operated in accordance with the New European Driving Cycles when the engine was in a warmed up condition in which the exhaust gas had a temperature suitable for effective silver catalyst function. The tests and data processing were performed as described above with respect to the diesel engine. Several thousand data points were obtained for the engine operating cycles. Again, satisfactory driving cycle models have been developed using several hundred data points that have been analyzed by stochastic process modeling for implementation in an engine control module for controlling ethanol admixtures to the specific gasoline engine while operating in cycles such as the test cycles or overlapping ones.

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.The benefits of ethanol or other effective oxygenate as a reductant for the OHC-SCR may be realized in the exhaust gas of an engine designed to run on any fuel-ethanol mixture or fuel-oxygenate mixture. In this latter case, the reducing agent could conveniently use the contents of the fuel tank as the source of the OHC-SCR reducing agent. The greater the concentration of the effective oxygenate in the fuel, the greater the improvement in NO _x conversion efficiency that can be achieved. If desired, the oxygenate could be separated from the fuel prior to injection into the exhaust to concentrate it and make the injected reductant more effective. Such a separation could be accomplished with a membrane, extraction with water or other suitable chemical or other suitable method. A procedure similar to that described above could be used to apply an operating strategy to any fuel-oxygenate engine mixture.

Claims (10)

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.A method for determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reduct material for the catalytically assisted reduction of NO _x components in the exhaust gas from a lean-burned vehicle; wherein the vehicle engine includes a plurality of combustion cylinders in which fuel and air are mixed and ignited to operate reciprocating pistons in the cylinders, and an exhaust manifold connected to the cylinders, wherein in the manifold the combustion products from the cylinders are in successive sections an exhaust gas stream comprising oxygen, water, nitrogen and NO _x ; and wherein the vehicle includes an exhaust pipe for controlling the exhaust flow for the chemical reduction of NO _x components by reaction with the admixed oxidized hydrocarbon reductant to a reactor in contact with a silver / alumina. To pass catalyst contained within the reactor; the method, while the vehicle is operated and the exhaust gas flow is generated, comprising: continuously measuring (a) the oxygen content of a portion of the exhaust gas flow; and (b) the NO _x content of a portion of the exhaust gas flow before the exhaust gas flow into the exhaust gas flow Reduction catalyst containing reactor occurs; continuously (c) measuring the temperature of the reduction catalyst in the reactor containing the reduction catalyst; continuously (d) measuring the hourly space velocity of the exhaust stream flowing in contact with the reduction catalyst; and at least the four measured values (a-d) are used; continuously determining an amount of the reducing material to maximize the NO _x reduction by the silver catalyst to be added to a current section of the exhaust stream before entering the reduction reactor, such determination using a preprogrammed in-vehicle computer using at least the current four measured values; and the currently determined amount of reducing agent is admixed with the exhaust stream before flowing into contact with the reduction catalyst. 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.A method for determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reduct material according to claim 1, wherein the reducing agent material comprises an alcohol selected from the group consisting of methanol, ethanol, a propanol, a butanol or an aldehyde of such alcohol. Verfahren zum Bestimmen von Mengen von Beimischungen eines oxidierten Kohlenwasserstoffreduktionsmittelmaterials nach Anspruch 1, wobei das Reduktionsmittelmaterial Ethanol umfasst.A method for determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reductant material according to claim 1, wherein the reductant material comprises ethanol. 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.A method of determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reduct material according to claim 1, wherein the reduction catalyst comprises particles of silver carried on particles of alumina. 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.A method of determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reduct material according to claim 1, wherein the admixtures of reductant material in the exhaust pipe are upstream of the reduction catalyst. 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.A method for determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reduct material according to claim 1, wherein admixtures of reductant material are injected into combustion products in an engine cylinder and then enter the exhaust manifold of the exhaust pipe. 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.A method for determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reduct material according to claim 1, wherein admixtures of reductant material into an engine cylinder are made and discharged into the exhaust manifold without combustion of the reductant material from the cylinder. 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.A method for determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reduct material according to claim 1, wherein the fuel of the vehicle engine is one or more of the materials selected from the group consisting of diesel fuel, gasoline, hydrogen, natural gas, liquefied petroleum gas, ethanol, Methanol and dimethyl ether. 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.The method for determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reduct material according to claim 1, wherein the continuous determination of the amount of reductant material to be admixed to the exhaust stream references the reference by a vehicle-mounted computer to a predetermined look-up table for blending amounts of a selected reductant material for selected ones Ranges of the four measured values. 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.A method of determining amounts of admixtures of an oxidized hydrocarbon reductant material according to claim 9, wherein the reductant material is ethanol and continuously determining the amount of ethanol to be admixed to the exhaust stream references the reference by a vehicle-mounted computer to a predetermined look-up table for blending amounts of ethanol for selected quantities of the four measured values.

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