DE102017101310A1

DE102017101310A1 - Erzeugen und bereitstellen von ammoniakgas in einem abgassystem

Info

Publication number: DE102017101310A1
Application number: DE102017101310.5A
Authority: DE
Inventors: Yong Miao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2017-08-03
Also published as: CN107035476A; CN107035476B; US9687782B1

Abstract

Ein Abgassystem für einen Motor, der ein Abgas erzeugt, beinhaltet ein Abgasrohr, das zum Aufnehmen des Abgases konfiguriert ist. Ein Partikelfilter steht in Fluidverbindung mit dem Abgasrohr und ist derart konfiguriert, dass er eine thermische Regeneration durchläuft, wenn das Abgas in dem Partikelfilter über eine Regenerationstemperatur erhitzt wird. Eine Generatoreinheit ist stromabwärts des Partikelfilters positioniert und beinhaltet einen ersten Katalysator. Ein Tank ist zum Aufnehmen eines Vorstufenmaterials konfiguriert. Die Generatoreinheit ist so konfiguriert, dass sie das Vorstufenmaterial und die für die thermische Regeneration des Partikelfilters erzeugte Wärme zur Erzeugung eines Ammoniakgases aus dem Vorstufenmaterial verwendet. Das System umfasst eine Steuerung mit einem Prozessor und einem physischen, nichtflüchtigen Speicher, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Steuerung der Erzeugung von Ammoniakgas in der Generatoreinheit und der Einspritzung von Ammoniakgas in das Abgasrohr gespeichert sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Abgassystem und im Besonderen das Erzeugen und Bereitstellen von Ammoniakgas in einem Abgassystem.
HINTERGRUND
Abgassysteme werden zur Verringerung und Behandlung von verschiedenen Stickoxiden, hierin kollektiv als NOx-Gase bezeichnet, verwendet, die in dem Verbrennungsprozess entstehen können. Abgassysteme verwenden im Allgemeinen eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR-Vorrichtung), die ein Reduktionsmittel verwendet, das mit NOx-Gasen reagieren kann. Eine Einspritzdüse wird typischerweise zum selektiven Einspritzen eines Reduktionsmittels in die selektive katalytische Reduktionsvorrichtung verwendet. Die Direkteinspritzung eines Reduktionsmittels kann Ablagerungen hinterlassen, die die Menge des zur Verfügung stehenden Reduktionsmittels blockieren und verringern.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Abgassystem für einen Motor, der ein Abgas erzeugt, beinhaltet ein Abgasrohr, das zum Aufnehmen des Abgases konfiguriert ist. Ein Partikelfilter steht in Fluidverbindung mit dem Abgasrohr und ist derart konfiguriert, dass er eine thermische Regeneration durchläuft, wenn das Abgas in dem Partikelfilter über eine Regenerationstemperatur erhitzt wird. Eine Generatoreinheit ist stromabwärts des Partikelfilters positioniert und beinhaltet einen ersten Katalysator. Ein Tank ist betriebsfähig mit der Generatoreinheit verbunden und zum Aufnehmen eines Vorstufenmaterials konfiguriert. Die Generatoreinheit ist derart konfiguriert, dass sie das Vorstufenmaterial und die für die thermische Regeneration des Partikelfilters erzeugte Wärme zur Erzeugung eines Ammoniakgases aus dem Vorstufenmaterial in Gegenwart des ersten Katalysators verwendet.
Das System kann eine Steuerung mit einem Prozessor und einem physischen, nichtflüchtigen Speicher umfassen, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Steuerung der Erzeugung des Ammoniakgases in der Generatoreinheit und der Leitung des Ammoniakgases zu dem Abgasrohr gespeichert sind. Eine erste Durchfluss-Regeleinheit kann zwischen dem Tank und der Generatoreinheit positioniert sein. Die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor veranlasst die Steuerung, zu bestimmen, ob eine thermische Regeneration stattfindet. Wenn eine thermische Regeneration stattfindet, ist die Steuerung derart programmiert, dass sie die erste Durchfluss-Regeleinheit öffnet, um zumindest teilweise das Strömen des Vorstufenmaterials aus dem Tank zu der Generatoreinheit zu ermöglichen.
Das System kann eine Wärmetauschereinheit mit einem ersten Pfad, der für das Strömen eines ersten Fluids konfiguriert ist und einem zweiten Pfad, der für das Strömen eines ersten Fluids konfiguriert ist, beinhalten. Der erste Pfad und der zweite Pfad sind durch mindestens eine Wand derart getrennt, dass sich das erste und das zweite Fluid nicht physisch vermischen und die für die thermische Regeneration erzeugte Wärme durch die mindestens eine Wand von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid übertragen wird.
Eine zweite Durchfluss-Regeleinheit kann betriebsfähig mit der Steuerung verbunden und zwischen dem Partikelfilter und der Generatoreinheit positioniert sein. Die Generatoreinheit und die Wärmetauschereinheit können sich ein gemeinsames Gehäuse in der Weise teilen, dass der erste Katalysator der Generatoreinheit in dem zweiten Pfad der Wärmetauschereinheit installiert ist. Die Steuerung kann programmiert sein, um die zweite Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Abgases von dem Partikelfilter zu dem ersten Pfad der Wärmetauschereinheit während der thermischen Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
Eine Speichereinheit kann betriebsfähig mit der Generatoreinheit verbunden sein und beinhaltet ein Speichermaterial, das zum Adsorbieren des in der Generatoreinheit erzeugten Ammoniakgases konfiguriert ist. Eine dritte Durchfluss-Regeleinheit kann betriebsfähig mit der Steuerung verbunden und zwischen der Generatoreinheit und der Speichereinheit positioniert sein. Die Steuerung kann programmiert sein, um die dritte Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Ammoniakgases von der Generatoreinheit zu der Speichereinheit während der thermischen Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
Eine Wärmequelle kann betriebsfähig mit der Steuerung verbunden sein und die Steuerung kann programmiert sein, um die Wärmequelle anzuweisen, selektiv eine Wärmeenergie an die Speichereinheit zum Freisetzen des durch das Speichermaterial adsorbierten Ammoniakgases zu liefern. Eine vierte Durchfluss-Regeleinheit kann betriebsfähig mit der Steuerung verbunden und zwischen der Speichereinheit und dem Abgasrohr positioniert sein. Die Steuerung kann programmiert sein, um die vierte Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Ammoniakgases von der Speichereinheit zu dem Abgasrohr zu ermöglichen, unabhängig davon, ob die thermische Regeneration des Partikelfilters stattfindet. Eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung kann in Fluidverbindung mit dem Abgasrohr stehen und beinhaltet einen zweiten Katalysator. Das Ammoniakgas ist so konfiguriert, dass es mit dem zweiten Katalysator in der selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung zum Reduzieren einer NOx-Konzentration in dem Abgas interagiert.
Die vorstehend genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Abgassystems und einer Steuerung;
2 ist ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren für die Steuerung von 1; und
3 ist ein exemplarisches Signaldiagramm für das Abgassystem von 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Figuren entsprechen, wird ein Abschnitt einer Vorrichtung 10 in 1 dargestellt. Die Vorrichtung 10 kann ein Automobil, ein Fahrrad, ein Roboter, ein landwirtschaftliches Gerät, Sportausrüstung oder jede andere mobile Plattform sein. Die Vorrichtung 10 kann einen Motor 12 beinhalten, der ein Abgas 14 erzeugt. In einem Beispiel ist der Motor 12 ein Dieselmotor. Die Erfindung ist jedoch auf jede Art von Motor anwendbar. Die Vorrichtung 10 beinhaltet ein Abgassystem 16 zur Behandlung von Bestandteilen in dem Abgas 14, wie beispielsweise Stickoxide (NOx). Ein Abgasrohr 18 steht in Fluidverbindung mit und ist konfiguriert, um das Abgas 14 von dem Motor 12 oder einem beliebigen anderen Abschnitt der Vorrichtung 10, der ein Abgas 14 erzeugt, aufzunehmen.
Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet das Abgassystem 16 einen Partikelfilter 20, der in Fluidverbindung mit dem Abgasrohr 18 steht. Der Partikelfilter 20 ist so konfiguriert, dass er von dem Motor 12 produzierte Partikel oder von dem Motor 12 produzierten Feinstaub herausfiltert. Diese Partikel können Ruß, Kohlenwasserstoffe, Asche und Schwefelsäure beinhalten. Der Partikelfilter 20 muss in regelmäßigen Abständen thermisch regeneriert werden, um die angesammelten Partikel zu entfernen. Bezugnehmend auf 1 kann der Partikelfilter 20 eine Vielzahl von Kanälen 22 beinhalten, die einendig sind und entsprechende poröse Wände haben. Das Abgas 14 geht durch die porösen Wände der Kanäle 22, wobei gefilterte Teilchen an den Wänden der Kanäle 22. hängen bleiben. Die Kanäle 22 können aus Keramik oder beliebigen anderen geeigneten Materialien bestehen. Der Partikelfilter 20 ist so konfiguriert, dass er eine thermische Regeneration durchläuft, wenn das Abgas 14 im Partikelfilter 20 über eine Regenerations- oder Verbrennungstemperatur erhitzt wird, wodurch die Partikel verbrennen oder verkohlen können. In einem Beispiel liegt die Regenerationstemperatur zwischen 600–750 °C. Es kann jedes geeignete Verfahren für die Durchführung der Regeneration eingesetzt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, die Verwendung eines Kraftstoffbrenners, die Verwendung von widerstandsfähigen Heizschlangen und die Verwendung von Mikrowellenenergie.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Generatoreinheit 24 stromabwärts des Partikelfilters angeordnet und beinhaltet einen ersten Katalysator 26. Der erste Katalysator 26 kann ein Festkörper mit einer ersten Schicht bestehend aus dem aktiven Material und einer zweiten Schicht bestehend aus einem Basismetallderivat sein, der fest auf einer Innenfläche 28 der Generatoreinheit 24 aufgebracht ist. Die Generatoreinheit 24 ist so konfiguriert, dass sie das Vorstufenmaterial 32 und die durch die thermische Regeneration des Partikelfilters 20 erzeugte Wärme verwendet, um ein Ammoniakgas 30 in Gegenwart des ersten Katalysators 26 zu erzeugen. Ein Tank 34 ist betriebsfähig mit der Generatoreinheit 24 verbunden und zum Aufnehmen des Vorstufenmaterials 32 konfiguriert. Unter Bezugnahme auf 1 ist eine erste Durchfluss-Regeleinheit 36 zwischen dem Tank 34 und der Generatoreinheit 24 positioniert, um das Strömen des Vorstufenmaterials 32 aus dem Tank 34 zu der Generatoreinheit 24 zu steuern.
Es versteht sich, dass jede Art von Vorstufenmaterial 32 und ein den Fachleuten auf dem Gebiet bekannter erster Katalysator 26 eingesetzt werden können. Das Vorstufenmaterial 32 kann Harnstoff [(NH2)2CO] sein, und der erste Katalysator 26 kann ein Hydrolysekatalysator sein. In einem anderen Beispiel ist das Vorstufenmaterial 32 ein Dieselabgasfluid [(NH2) 2CO + H2O (32,5 Gw%)]. Das Vorstufenmaterial 32 kann flüssiges Ammoniak (NH3) sein. Andere Beispiele für Vorstufenmaterial 32 beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf: Ammoniumcarbamat [NH4COONH2], Ammoniumcarbonat [(NH4)2CO3], Ammoniumformiat [NH4CHO2], Magnesiumaminchlorid [Mg(NH3)6Cl2], Calciumaminchlorid [Ca(NH3)8Cl2] und Strontiumaminchlorid [Sr(NH3)8Cl2]. Das Vorstufenmaterial 32 kann ein Polyharnstoff sein, der eine Art Elastomer ist, das aus dem Reaktionsprodukt einer Isocyanat-Komponente und einer Kunstharz-Mischungskomponente durch Polykondensation abgeleitet wird. Das Isocyanat kann aromatischer oder aliphatischer Natur sein. Es kann monomer, polymer oder eine beliebige andere Reaktion von Isocyanaten, ein Quasi-Prepolymer oder ein Prepolymer sein. Das Prepolymer oder Quasiprepolymer kann aus einem Amin-terminierten Polymerharz oder aus einem Hydroxyl-terminierten Polymerharz hergestellt sein. Die Harzmischung kann aus Amin-terminierten Polymerharzen und/oder Amin-terminierten Kettenverlängerern bestehen.
Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet das Abgassystem 16 eine Wärmetauschereinheit 38. Die Wärmetauschereinheit 38 beinhaltet einen ersten Pfad 40, der für das Strömen eines ersten Fluids 42 konfiguriert ist, und einen zweiten Pfad 44, der für das Strömen eines zweiten Fluids 46 konfiguriert ist. Zur Verdeutlichung ist der zweite Pfad 44 in 1 leicht schattiert. Der erste Pfad 40 und der zweite Pfad 44 sind so getrennt, dass sich das erste und das zweite Fluid 42, 46 physisch nicht vermischen. Der erste Pfad 40 und der zweite Pfad 44 sind durch mindestens eine Wand 48 auf eine Weise getrennt, dass die Wärme durch die mindestens eine Wand 48 von dem ersten Fluid 42 auf das zweite Fluid 46 und umgekehrt übertragen wird. Unter Bezugnahme auf 1 kann der erste Pfad 40 als eine Reihe von Rohren, unterstützt durch Platten 62, konstruiert sein. Der erste Pfad 40 kann ein erstes Rohr 50, ein zweites Rohr 52, ein drittes Rohr 54 und ein viertes Rohr 56 umfassen. Der zweite Pfad 44 kann eine Vielzahl von miteinander verbundenen Passagen, einschließlich einer ersten Passage 57, einer zweiten Passage 58 und einer dritten Passage 60, umfassen. Mehrere Rohre und Passagen ermöglichen eine große Wärmeübertragungsfläche und somit eine effiziente Wärmeübertragung.
Unter Bezugnahme auf 1 können sich die Generatoreinheit 24 und die Wärmetauschereinheit 38 ein gemeinsames Gehäuse so teilen, dass der erste Katalysator 26 der Generatoreinheit 24 in dem zweiten Pfad 44 der Wärmetauschereinheit 38 installiert ist. Während der thermischen Regeneration des Partikelfilters 20 ist das Abgas über eine Regenerationstemperatur hinaus erhitzt; das heiße Abgas wird durch 14A angegeben (abgekühltes Abgas wird durch 14B angegeben). Der erste Pfad 40 ist zum Aufnehmen des heißen Abgases 14A aus dem Partikelfilter 20 konfiguriert, und der zweite Pfad 44 ist zum Aufnehmen des Vorstufenmaterials 32 aus dem Tank 34 konfiguriert. Die Wärme wird von dem heißen Abgas 14A auf den zweiten Pfad 44 übertragen. Da der erste Katalysator 26 der Generatoreinheit 24 in dem zweiten Pfad 44 installiert ist und das Vorstufenmaterial 32 aus dem Tank 34 in den zweiten Pfad 44 strömt, wird das Ammoniakgas 30 in dem zweiten Pfad 44 erzeugt. In einem Beispiel ist das Vorstufenmaterial 32 Harnstoff und der erste Katalysator 26 ist ein Hydrolysekatalysator. In diesem Beispiel erfolgt in dem zweiten Pfad 44 eine Hydrolysereaktion, wobei der Harnstoff in Ammoniakgas 30 umgewandelt wird. Die Hydrolysereaktion ist eine Reaktion, bei der zwei Spaltstücke entstehen, und ein Harnstoffmolekül wird in zwei Ammoniakmoleküle (NH3) verwandelt, wie nachfolgend dargestellt: CO(NH2)2 → NH3 + HNCO HNCO + H2O → NH3 + CO2
Demzufolge verwendet die Generatoreinheit 24 die aus der thermischen Regeneration des Partikelfilters 20 entzogene Wärme zur Erzeugung des Ammoniakgases 30 unter Verwendung des ersten Katalysators 26 und des Vorstufenmaterials 32. Unter Bezugnahme auf 1 kann die Wärme über die mindestens eine Wand 48 sowie über weitere Wände, einschließlich über eine zweite Wand 64, eine dritte Wand 66 und eine vierte Wand 68, übertragen werden. Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet die Wärmetauschereinheit 38 einen Wiederzuführungskanal 69, der ermöglicht, dass das abgekühlte Abgas 14B (abgekühlt nach dem Abtransport seiner Wärme in der Wärmetauschereinheit 38) dem Abgasrohr 18 wieder zugeführt wird. Die Wärmetauschereinheit 38 kann auch getrennt von der Generatoreinheit 24 untergebracht sein.
Unter Bezugnahme auf 1 kann eine Speichereinheit 70 betriebsfähig mit der Generatoreinheit 24 verbunden sein und ein Speichermaterial 72 beinhalten, das zum Adsorbieren des in der Generatoreinheit 24 erzeugten Ammoniakgases 30 konfiguriert ist. Die Speichereinheit 70 kann aus einem inerten Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, bestehen. Die Speichereinheit 70 kann ein Kohlenstoffpolymer sein. In einem Beispiel kann die Speichereinheit 70 Drücken von bis zu 5 bar und Temperaturen von 150 bis 200 °C standhalten. In einem Beispiel ist das Speichermaterial 72 Ammoniumcarbamat [NH4COONH2]. In einem anderen Beispiel ist das Speichermaterial 72 Borsäure [(NH4)3BO3]. Andere Beispiele für Speichermaterial 72 umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf: Ammoniumcarbonat [(NH4)2CO3], Ammoniumformiat [NH4CHO2], Magnesiumaminchlorid [Mg(NH3)6Cl2], Calciumaminchlorid [Ca(NH3)8Cl2], Strontiumaminchlorid [Sr(NH3)8Cl2] und DEF [(NH2) 2CO + H2O (32,5 Gew.%)]. Es kann jede Art von Speichermaterial 72, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, eingesetzt werden.
Unter Bezugnahme auf 1 kann eine zweite Durchfluss-Regeleinheit 74 zwischen dem Partikelfilter 20 und der Generatoreinheit 24 positioniert sein. Eine dritte Durchfluss-Regeleinheit 76 kann zwischen der Generatoreinheit 24 und der Speichereinheit 70 positioniert und konfiguriert sein, um das Strömen des Ammoniakgases 30 von der Generatoreinheit 24 zu der Speichereinheit 70 zu steuern. Eine vierte Durchfluss-Regeleinheit 78 kann zwischen der Speichereinheit 70 und dem Abgaspfad positioniert sein. Die vierte Durchfluss-Regeleinheit 78 ermöglicht eine schnelle und genaue Steuerung der Menge des dem Abgasrohr 18 zuzuführenden Ammoniakgases 30.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Steuerung 80 betriebsfähig mit der ersten Durchfluss-Regeleinheit 36 verbunden und beinhaltet einen Prozessor 82 und einen physischen, nichtflüchtigen Speicher 84, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens 200 zur Steuerung der Erzeugung des Ammoniakgases 30 in der Generatoreinheit 24 und der Leitung des Ammoniakgases 30 zu dem Abgasrohr 18 gespeichert sind. Die Ausführung des Verfahrens 200 ist nachfolgend mit Bezug auf 2 beschrieben.
In Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuerung 80 können die erste, die zweite, die dritte und die vierte Durchfluss-Regeleinheit 36, 74, 76, 78 von 1 jeweils unabhängig durch eine Magnetspule, ein mechanisches Thermostat, einen Wachsmotor, eine Unterdruckdose oder eine andere Vorrichtung bewegt oder betrieben werden. Die erste, zweite, dritte und vierte Durchfluss-Regeleinheit 36, 74, 76, 78 können jeweils in einem Binärmodus arbeiten, d. h. entweder „an“ (100 % Strömung zugelassen) oder „aus“ (0 % oder keine Strömung zugelassen) sein. Die erste, zweite, dritte und vierte Durchfluss-Regeleinheit 36, 74, 76, 78 können jeweils mehrere Modi umfassen, z. B. einen ersten Modus, bei dem eine Strömung von 0% oder keine Strömung zugelassen ist, einen zweiten Modus, bei dem eine Strömung von 25% zugelassen ist, einen dritten Modus, bei dem eine Strömung von 75% zugelassen ist und einen vierten Modus, bei dem eine Strömung von 100% zugelassen ist. Es versteht sich, dass die erste, zweite, dritte und vierte Durchfluss-Regeleinheit 36, 74, 76, 78 jeweils einen beliebigen dem Fachmann bekannten Mechanismus verwenden und über eine beliebige Anzahl von Betriebsmodi verfügen können.
Unter Bezugnahme auf 1 steht eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung 86 in Fluidverbindung mit dem Abgasrohr 18. Die selektive katalytische Reduktionsvorrichtung 86 beinhaltet einen zweiten Katalysator 88, der Stickoxide (NOx) in dem Abgas 14 durch die Umwandlung zu Stickstoff und Wasserdampf reduzieren soll. Der zweite Katalysator 88 kann ein Oxid eines Basismetalls, wie beispielsweise Vanadium, Molybdän, Wolfram und Zeolith, sein. In einem Beispiel ist der zweite Katalysator ein eisen- oder kupferausgetauschter Zeolith. Der zweite Katalysator 88 kann in einem Washcoat enthalten sein, der auf der selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung 86 aufgebracht ist.
Unter Bezugnahme auf 1 kann das Abgassystem 16 einen Oxidationskatalysator 90 beinhalten, der stromaufwärts von der selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung 86 angeordnet ist. Der Oxidationskatalysator 90 wandelt das NO(Stickstoffmonoxid)-Gas in NO2 um, das leicht in der selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung 86 behandelt werden kann. Die Abgassystem 16 kann einen oder mehrere Sensoren an verschiedenen Stellen zum Erfassen der Temperatur, des Drucks, von NOx-Konzentrationen und verschiedenen anderen Eigenschaften des Abgases 14 beinhalten.
Unter jetziger Bezugnahme auf Verfahren 200 in 2 versteht es sich von selbst, dass die Steuerung 80 einen oder mehrere Blöcke eliminieren kann oder die Blöcke in einer anderen Reihenfolge als vorstehend beschrieben festlegen kann. Die Start- und Endfunktionen sind in 2 jeweils als „S“ und „E“ bezeichnet. Das Verfahren 200 kann mit Block 202 beginnen, wobei die Steuerung 80 von 1 bestimmt, ob eine thermische Regeneration in dem Partikelfilter 20 stattfindet. Wenn keine thermische Regeneration stattfindet, kann das Verfahren 200 mit Block 210 fortfahren, wie durch Linie 203 dargestellt und nachstehend beschrieben ist. Wenn die thermische Regeneration des Partikelfilters 20 stattfindet, geht das Verfahren 200 zu Block 204 über.
In Block 204 von 2 ist die Steuerung 80 so programmiert, dass sie die erste Durchfluss-Regeleinheit 36 öffnet, um zumindest teilweise das Strömen des Vorstufenmaterials 32 aus dem Tank 34 zu der Generatoreinheit 24 zu ermöglichen. Die Steuerung 80 kann basierend auf einer Anzahl von Faktoren die Menge des Vorstufenmaterials 32 bestimmen, das in die Generatoreinheit 24 eindringen darf. Die Faktoren können die jeweiligen NOx-Mengen in dem Abgas 14 vor und hinter dem Partikelfilter 20 sowie die Abgas-Durchflussmenge am Abgasrohr 18 des Motors 12 umfassen, sie sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Das Verfahren 200 geht von Block 204 zu Block 206 über. In Block 206 von 2 (wenn die thermische Regeneration des Partikelfilters 20 stattfindet) ist die Steuerung 80 programmiert, um die zweite Durchfluss-Regeleinheit 74 (zwischen dem Partikelfilter 20 und der Generatoreinheit 24 positioniert) anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des heißen Abgases 14A aus dem Partikelfilter zu dem ersten Pfad 40 der Wärmetauschereinheit 38 auf eine Weise zu ermöglichen, dass Wärme durch die mindestens eine Wand 48 von dem heißen Abgas 14A auf das Vorstufenmaterial 32 übertragen wird. Die durch die Partikelfilterregeneration erzeugte Wärme wird zur Erzeugung des Ammoniakgases 30 unter Verwendung des Vorstufenmaterials 32 in Gegenwart des ersten Katalysators 26 verwendet.
Das Verfahren 200 geht von Block 206 zu Block 208 über. In Block 208 von 2 kann die Steuerung 80 so programmiert sein, um die dritte Durchfluss-Regeleinheit 76 anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des erzeugten Ammoniakgases 30 aus der Generatoreinheit 24 zu der Speichereinheit 70 zu ermöglichen. Wie vorstehend erwähnt, verwendet die Speichereinheit 70 ein Speichermaterial 72 zum Adsorbieren oder Binden des Ammoniakgases 30.
In Block 210 von 2 ist die Steuerung 80 programmiert, um selektiv das Freisetzen des Ammoniakgases 30 aus der Speichereinheit 70 anzuweisen oder zu steuern. In Block 210 kann die Steuerung 80 programmiert sein, um die Anwendung von Wärme auf die Speichereinheit 70, zum Beispiel durch eine Wärmequelle 92, zu leiten. Die Wärmequelle 92 kann ein elektrischer Draht sein, der durch einen Schalter aktiviert wird. Durch die Anwendung von Wärme wird das Ammoniakgas 30 freigesetzt, das in dem Speichermaterial 72 gebunden ist. Die Menge und die Dauer der angewendeten Wärme kann basierend auf der Menge des in dem Abgasrohr 18 benötigten Ammoniakgases 30 bestimmt werden, was wiederum auf der NOx-Konzentration in dem Abgas 14 basieren kann, die von verschiedenen Sensoren (nicht dargestellt) in dem Abgassystem 16 erfasst wird.
In Block 212 ist die Steuerung 80 programmiert, um die vierte Durchfluss-Regeleinheit 78 anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Ammoniakgases 30 in das Abgasrohr 18 zu ermöglichen (was auf der Menge des benötigten Ammoniakgases 30 basieren kann, wie vorstehend bestimmt). Sobald das Ammoniakgas 30 dem Abgasrohr 18 zugeführt ist, geht es eine Fluidverbindung mit der selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung 86 ein, wobei eine NOx-Reduktionsreaktion mithilfe des zweiten Katalysators 88 stattfindet, wodurch die NOx-Emissionsmenge in dem Abgas 14 reduziert wird. Das Dosieren der selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung 86 mit Ammoniakgas 30 kann, im Gegensatz zum direkten Einspritzen eines Vorstufenmaterials 32 (wie Harnstoff) in das Abgasrohr 18, die Ablagerungsprobleme im Zusammenhang mit dem direkten Einspritzen von Vorstufenmaterial 32 in das Abgasrohr 18 eliminieren. Da das Ammoniakgas 30 relativ einfach mit dem Abgas zu vermischen ist, wird darüber hinaus die Mischdauer im Abgasrohr 18 reduziert. Energie wird eingespart, wenn das Ammoniakgas 30 in der Generatoreinheit 24 durch die Nutzung der Wärmeenergie von der Regeneration des Partikelfilters 20 erzeugt wird, und kein zusätzliches Einbringen von Wärmeenergie erforderlich ist.
Das Verfahren 200 kann von Block 208 (eine thermische Regeneration des Partikelfilters findet statt) oder von Block 202, wie durch die Linie 203 dargestellt (keine thermische Regeneration findet statt), zu den Blöcken 210 und 212 übergehen. Mit anderen Worten, kann die Steuerung 80 die Abgabe des in der Speichereinheit 70 gespeicherten Ammoniakgases 30 an die Abgasröhre 18 leiten, unabhängig davon, ob eine thermische Regeneration stattfindet. Das Verfahren 200 kann bei Betrieb des Motors 12 kontinuierlich ablaufen.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein exemplarisches Signaldiagramm für das Abgassystem 16 dargestellt, wobei die Zeit t in der horizontalen Achse dargestellt ist. Das in 3 dargestellte Beispiel soll ein nicht-einschränkendes Beispiel sein. Die vertikale Achse zeigt das Partikelfilter-Regenerationssignal 302, das Vorstufen-Eingangssignal 304 und das Ammoniakgas-Dosierungssignal 306. In der gezeigten Ausführungsform kann jedes der Signale 302, 304 und 306 auf „an“ oder „aus“ eingestellt sein. Das Partikelfilter-Regenerationssignal 302 gibt an, ob die thermische Regeneration des Partikelfilters 20 stattfindet oder nicht. Das Vorstufen-Eingangssignal 304 gibt an, ob das Vorstufenmaterial 32 in die Generatoreinheit 24 geleitet wird oder nicht. Die Ammoniakgas-Dosierungssignal 306 gibt an, ob das Ammoniakgas 30 in das Abgasrohr 18 geleitet wird oder nicht.
Unter Bezugnahme auf 3 findet zwischen einer Anfangszeit (z. B. T = 0) und t1 keine thermische Regeneration des Partikelfilters 20 statt, und das Partikelfilter-Regenerationssignal 302 (siehe Abschnitt 302A) sowie das Vorstufen-Eingangssignal 304 (siehe Abschnitt 304A) sind beide auf „aus“ eingestellt. Das Ammoniakgas-Dosierungssignal 306 (siehe Abschnitt 306A) kann auf „an“ eingestellt sein. Unter Bezugnahme auf 3 findet zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 die thermische Regeneration des Partikelfilters 20 statt, und das Partikelfilter-Regenerationssignal 302 (siehe Abschnitt 302B) sowie das Vorstufen-Eingangssignal 304 (siehe Abschnitt 304B) sind beide auf „an“ eingestellt. Das Ammoniakgas-Dosierungssignal 306 kann entweder auf „an“ (siehe Abschnitt 308) oder auf „aus“ (siehe Abschnitt 310) eingestellt sein.
Unter Bezugnahme auf 3 findet nach dem Zeitpunkt t2 keine thermische Regeneration des Partikelfilters 20 mehr statt und das Partikelfilter-Regenerationssignal 302 (siehe Abschnitt 302C) sowie das Vorstufen-Eingangssignal 304 (siehe Abschnitt 304C) sind beide auf „aus“ eingestellt und das Ammoniakgas-Dosierungssignal 306 (siehe Abschnitt 306C) kann auf „an“ eingestellt sein. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass das Ammoniakgas 30 während der thermischen Regeneration des Partikelfilters 20 erzeugt und in der Speichereinheit 70 (z. B. durch Binden an das Speichermaterial 72) für eine selektive Abgabe an das Abgasrohr 18 (z. B. durch Anwenden der Wärmequelle 92) gespeichert wird. Abhängig von den Anforderungen des Abgassystems 16 kann die Steuerung 80 das Abgeben des in der Speichereinheit 70 gespeicherten Ammoniakgases 30 an das Abgasrohr 18 jederzeit, unabhängig davon, ob die thermische Regeneration stattfindet oder nicht, anweisen.
Die Steuerung 80 von 1 kann einen Mikroprozessor oder einen Computer mit einer Zentraleinheit, einem Speicher (RAM und/oder ROM) und zugehörigen Eingangs- und Ausgangsbussen beinhalten. Die Steuerung 80 kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung sein oder aus anderen logischen, in der Technik bekannten Vorrichtungen gebildet sein. Die Steuerung 80 kann einen Pfad einer zentralen Fahrzeug-Hauptsteuereinheit, wie das Motorsteuergerät (ECM), eines interaktiven Fahrdynamikmoduls, eines Hauptsteuermoduls, einer Steuerschaltung mit einer Stromversorgung, zusammengefasst in einem einzelnen integrierten Steuermodul, beinhalten, oder sie kann ein eigenständiges Steuermodul sein.
Die Steuerung 80 aus 1 kann ein Computergerät, das mit einem Betriebssystem arbeitet, oder einen Prozessor zur Speicherung und Ausführung von computerausführbaren Anweisungen beinhalten. Computerausführbare Anweisungen können aus Computerprogrammen zusammengestellt oder interpretiert werden, unter Verwendung einer Vielzahl von Programmiersprachen bzw. -technologien, darunter, ohne Einschränkung, entweder einzeln oder in Kombination, Java^TM, C, C++, Visual Basic, Java Script, Perl usw. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor (z. B. ein Mikroprozessor) Anweisungen von beispielsweise einem Speicher, einem computerlesbaren Medium usw. und führt diese Anweisungen aus. Dabei führt er einen oder mehrere Vorgänge aus, die einen oder mehrere der hierin beschriebenen Vorgänge einschließen. Die besagten Anweisungen sowie andere Daten können unter Verwendung einer Vielzahl von computerlesbaren Medien gespeichert und übertragen werden. Ein computerlesbares Medium (auch bezeichnet als ein prozessorlesbares Medium) beinhaltet jedes nichtflüchtige (z. B. physische) Medium, das an der Bereitstellung von Daten (z. B. Anweisungen) beteiligt ist, die von einem Computer gelesen werden können (z. B. durch einen Prozessor eines Computers). Ein derartiges Medium kann in einem beliebigen Format vorliegen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf nichtflüchtige Medien und flüchtige Medien. Nichtflüchtige Medien können beispielsweise optische oder magnetische Disketten und andere persistente Speicher sein. Flüchtige Medien können zum Beispiel dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM) beinhalten, die einen Hauptspeicher darstellen können. Derartige Anweisungen können von einem oder mehreren Übertragungsmedien, einschließlich Koaxialkabel, Kupferdraht und Faseroptik, übertragen werden, einschließlich der Drähte, die einen mit einem Prozessor eines Computers gekoppelten Systembus umfassen. Einige Formen von computerlesbaren Medien beinhalten beispielsweise eine Floppy Disk, eine flexible Platte, Festplatte, ein Magnetband, ein anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, DVD, ein anderes optisches Medium, Lochkarten, Lochstreifen, ein anderes physisches Medium mit Lochmustern, einen RAM, einen PROM, einen EPROM, einen FLASH-EEPROM, einen anderen Speicherchip oder eine Speicherkassette oder ein anderes Medium, von dem ein Computer lesen kann.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, während der Umfang der Offenbarung jedoch einzig und allein durch die Patentansprüche definiert wird. Während einige der besten Modi und weitere Ausführungsformen der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konzepte und Ausführungsformen zur Umsetzung der in den beigefügten Patentansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sollen die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt sind, nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen aufgefasst werden. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Beispiele einer Ausführungsform beschriebenen Merkmale mit einem oder einer Vielzahl von anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, was andere Ausführungsformen zur Folge hat, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen derartige andere Ausführungsformen in den Rahmen des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche.

Claims

Abgassystem zur Behandlung eines Abgases, das System umfassend: ein Abgasrohr, das zum Aufnehmen des Abgases konfiguriert ist; einen Partikelfilter, der in Fluidverbindung mit dem Abgasrohr steht und so konfiguriert ist, dass er eine thermische Regeneration durchläuft, wenn das Abgas in dem Partikelfilter über eine Regenerationstemperatur erhitzt wird, wodurch Wärme erzeugt wird; eine Generatoreinheit, die stromabwärts des Partikelfilters positioniert ist und einen ersten Katalysator beinhaltet; einen Tank, der betriebsfähig mit der Generatoreinheit verbunden und zum Aufnehmen eines Vorstufenmaterials konfiguriert ist; eine erste Durchfluss-Regeleinheit, die zwischen dem Tank und der Generatoreinheit positioniert ist, wobei die erste Durchfluss-Regeleinheit so konfiguriert ist, dass sie das Strömen des Vorstufenmaterials aus dem Tank zu der Generatoreinheit steuert; worin die Generatoreinheit so konfiguriert ist, dass sie das Vorstufenmaterial und die aufgrund der thermischen Regeneration des Partikelfilters erzeugte Wärme zur Erzeugung eines Ammoniakgases verwendet.
Abgassystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Steuerung mit einem Prozessor und einem physischen, nichtflüchtigen Speicher, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Steuerung der Erzeugung des Ammoniakgases in der Generatoreinheit und der Leitung des Ammoniakgases zu dem Abgasrohr gespeichert sind, wobei die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor, die Steuerung zu Folgendem veranlasst: Bestimmen, ob die thermische Regeneration stattfindet; und wenn die thermische Regeneration stattfindet, Anweisen der ersten Durchfluss-Regeleinheit, um zumindest teilweise das Strömen des Vorstufenmaterials aus dem Tank zu der Generatoreinheit zu ermöglichen.
Abgassystem nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine Wärmetauschereinheit mit einem ersten Pfad, der für das Strömen eines ersten Fluids konfiguriert ist, und einem zweiten Pfad, der für das Strömen eines zweiten Fluids konfiguriert ist, wobei die Wärmetauschereinheit betriebsfähig mit dem Partikelfilter verbunden ist; worin der erste Pfad und der zweite Pfad auf eine Weise getrennt sind, dass sich das erste und das zweite Fluid nicht physisch vermischen; und worin der erste Pfad und der zweite Pfad durch mindestens eine Wand auf eine Weise getrennt sind, dass die für die thermische Regeneration erzeugte Wärme durch die mindestens eine Wand von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid übertragen wird.
Abgassystem nach Anspruch 3, ferner umfassend: eine zweite Durchfluss-Regeleinheit, die betriebsfähig mit der Steuerung verbunden und zwischen dem Partikelfilter und der Wärmetauschereinheit positioniert ist; worin die Steuerung so programmiert ist, um die zweite Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Abgases von dem Partikelfilter zu dem ersten Pfad der Wärmetauschereinheit während der thermischen Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
Abgassystem nach Anspruch 3: worin sich die Generatoreinheit und die Wärmetauschereinheit ein gemeinsames Gehäuse auf eine Weise teilen, dass der erste Katalysator der Generatoreinheit in dem zweiten Pfad der Wärmetauschereinheit installiert ist; und worin die Steuerung programmiert ist, um die erste Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Vorstufenmaterials von dem Tank zu dem zweiten Pfad der Wärmetauschereinheit während der thermischen Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
Abgassystem nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine Speichereinheit, die betriebsfähig mit der Generatoreinheit verbunden ist und ein Speichermaterial beinhaltet, das zum Adsorbieren des Ammoniakgases konfiguriert ist; eine dritte Durchfluss-Regeleinheit, die betriebsfähig mit der Steuerung verbunden und zwischen der Generatoreinheit und der Speichereinheit positioniert ist; worin die Steuerung programmiert ist, um die dritte Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Ammoniakgases von der Generatoreinheit zu der Speichereinheit während der thermischen Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
Abgassystem nach Anspruch 6, ferner umfassend: eine Wärmequelle, die betriebsfähig mit der Steuerung verbunden ist, worin die Steuerung programmiert ist, um die Wärmequelle anzuweisen, selektiv eine Wärmeenergie an die Speichereinheit zum Freisetzen des durch das Speichermaterial adsorbierten Ammoniakgases zu liefern; eine vierte Durchfluss-Regeleinheit, die betriebsfähig mit der Steuerung verbunden und zwischen der Speichereinheit und dem Abgasrohr positioniert ist; worin die Steuerung programmiert ist, um die vierte Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Ammoniakgases von der Speichereinheit zu dem Abgasrohr zu ermöglichen, unabhängig davon, ob die thermische Regeneration des Partikelfilters stattfindet.
Abgassystem nach Anspruch 6, ferner umfassend: eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung, die in Fluidverbindung mit dem Abgasrohr steht und einen zweiten Katalysator beinhaltet; und worin das Ammoniakgas so konfiguriert ist, dass es mit dem zweiten Katalysator in der selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung zum Reduzieren einer NOx-Konzentration in dem Abgas interagiert.
Abgassystem zur Behandlung eines Abgases, das System umfassend: ein Abgasrohr, das zum Aufnehmen des Abgases konfiguriert ist; einen Partikelfilter, der in Fluidverbindung mit dem Abgasrohr steht und so konfiguriert ist, dass er eine thermische Regeneration durchläuft, wenn das Abgas in dem Partikelfilter über eine Regenerationstemperatur erhitzt wird, wodurch Wärme erzeugt wird; eine Generatoreinheit, die stromabwärts des Partikelfilters positioniert ist und einen ersten Katalysator beinhaltet; einen Tank, der betriebsfähig mit der Generatoreinheit verbunden und zum Aufnehmen eines Vorstufenmaterials konfiguriert ist; eine erste Durchfluss-Regeleinheit, die zwischen dem Tank und der Generatoreinheit positioniert ist, wobei die erste Durchfluss-Regeleinheit so konfiguriert ist, dass sie das Strömen des Vorstufenmaterials aus dem Tank zu der Generatoreinheit steuert; worin die Generatoreinheit so konfiguriert ist, dass sie das Vorstufenmaterial und die aufgrund der thermischen Regeneration des Partikelfilters erzeugte Wärme zur Erzeugung eines Ammoniakgases verwendet; eine Steuerung mit einem Prozessor und einem physischen, nichtflüchtigen Speicher, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Steuerung der Erzeugung des Ammoniakgases in der Generatoreinheit und der Leitung des Ammoniakgases zu dem Abgasrohr gespeichert sind, wobei die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor die Steuerung veranlasst, die erste Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Vorstufenmaterials aus dem Tank zu der Generatoreinheit zu ermöglichen, wenn die thermische Regeneration stattfindet; eine Wärmetauschereinheit mit einem ersten Pfad, der für das Strömen eines ersten Fluids konfiguriert ist, und einem zweiten Pfad, der für das Strömen eines zweiten Fluids konfiguriert ist, wobei die Wärmetauschereinheit betriebsfähig mit dem Partikelfilter verbunden ist; worin der erste Pfad und der zweite Pfad so getrennt sind, dass sich das erste und das zweite Fluid nicht physisch vermischen; worin der erste Pfad und der zweite Pfad durch mindestens eine Wand so getrennt sind, dass die für die thermische Regeneration erzeugte Wärme durch die mindestens eine Wand von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid übertragen wird; eine zweite Durchfluss-Regeleinheit, die betriebsfähig mit der Steuerung verbunden und zwischen dem Partikelfilter und der Wärmetauschereinheit positioniert ist; worin die Steuerung programmiert ist, um die zweite Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Abgases von dem Partikelfilter zu dem ersten Pfad der Wärmetauschereinheit während der thermischen Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen; worin sich die Generatoreinheit und die Wärmetauschereinheit ein gemeinsames Gehäuse auf eine Weise teilen, dass der erste Katalysator der Generatoreinheit in dem zweiten Pfad der Wärmetauschereinheit installiert ist; worin die Steuerung programmiert ist, um die erste Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Vorstufenmaterials aus dem Tank zu dem zweiten Pfad der Wärmetauschereinheit während der thermischen Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen; eine Speichereinheit, die betriebsfähig mit der Generatoreinheit verbunden ist und ein Speichermaterial beinhaltet, das zum Adsorbieren des Ammoniakgases konfiguriert ist; eine dritte Durchfluss-Regeleinheit, die betriebsfähig mit der Steuerung verbunden und zwischen der Generatoreinheit und der Speichereinheit positioniert ist; und worin die Steuerung programmiert ist, um die dritte Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Ammoniakgases von der Generatoreinheit zu der Speichereinheit während der thermischen Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
Abgassystem nach Anspruch 9, ferner umfassend: eine Wärmequelle, die betriebsfähig mit der Steuerung verbunden ist, worin die Steuerung programmiert ist, um die Wärmequelle anzuweisen, selektiv eine Wärmeenergie an die Speichereinheit zum Freisetzen des durch das Speichermaterial adsorbierten Ammoniakgases zu liefern; eine vierte Durchfluss-Regeleinheit, die betriebsfähig mit der Steuerung verbunden und zwischen der Speichereinheit und dem Abgasrohr positioniert ist; eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung, die in Fluidverbindung mit dem Abgasrohr steht und einen zweiten Katalysator beinhaltet; worin die Steuerung programmiert ist, um die vierte Durchfluss-Regeleinheit anzuweisen, zumindest teilweise das Strömen des Ammoniakgases von der Speichereinheit zu dem Abgasrohr zu ermöglichen, unabhängig davon, ob die thermische Regeneration des Partikelfilters stattfindet; und worin das Ammoniakgas so konfiguriert ist, dass es mit dem zweiten Katalysator in der selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung zum Reduzieren einer NOx-Konzentration in dem Abgas interagiert.