DE102018121938B4

DE102018121938B4 - Selektive katalytische Reduktion mit stationärer Ammoniakschlupferkennung mit positiver Störung

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Publication number: DE102018121938B4
Application number: DE102018121938.5A
Authority: DE
Inventors: Luca Lauritano; Luis Daniel GUERRERO CRUZ
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2024-06-13
Anticipated expiration: 2038-09-08
Also published as: US20190078480A1; CN109469540B; CN109469540A; DE102018121938A1; US10344654B2

Abstract

Hierin wird ein Verfahren zum Erkennen von stationärem Ammoniakschlupf für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Emissionssteuerungssystem beschrieben. Das Emissionssteuerungssystem beinhaltet eine selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtung, einen NOx-Sensor und eine Steuerung. Die Steuerung führt ein Verfahren zur Ammoniakschlupferkennung durch, welches das Bestimmen beinhaltet, ob die SCR-Vorrichtung im stationären Zustand ist, sowie das Vergleichen einer NOx-Messung vom NOx-Sensor mit einem vorhergesagten NOx-Wert. Wenn die NOx-Messung den vorhergesagten NOx-Wert durch einen Schwellenwert überschreitet, wird eine Reduktionsmitteleinspritzung gestört, wobei die Störung eine ausgewählte Größe und eine ausgewählte Zeitdauer aufweist. Das Verfahren beinhaltet auch das Messen eines aus der Störung resultierenden NOx-Werts und das Berechnen eines Gradienten desselben in Bezug auf das gemessene NOx und das Ermitteln, ob ein Gradient des aus der Störung resultierenden NOx einen Schwellenwert überschreitet, und das Identifizieren eines reduzierenden Schlupfzustands, falls dies der Fall ist.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren und insbesondere Abgasanlagen mit selektiver katalytischer Reduktionsvorrichtung (SCR) zur Emissionssteuerung.
Das Abgas, das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen wie Kohlenmonoxid („CO“), unverbrannte Kohlenwasserstoffe („HC“) und Stickstoffoxide („NO_x“) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe), enthält, die Partikel („PM“) darstellen. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise auf Katalysatorträgern oder Substraten angeordnet sind, sind in einem Motorabgassystem als Teil eines Nachbehandlungssystems vorgesehen, um bestimmte oder sämtliche dieser Abgasbestandteile in nicht geregelte Abgaskomponenten umzuwandeln.
Abgasbehandlungssysteme beinhalten normalerweise selektive katalytische Reduktions (SCR)-Vorrichtungen. Eine SCR-Vorrichtung beinhaltet ein Substrat, mit einem darauf angeordneten SCR-Katalysator, um die Menge an NOx in dem Abgas zu reduzieren. Das typische Abgasbehandlungssystem beinhaltet auch ein Reduktionsmittelliefersystem, das ein Reduktionsmittel wie beispielsweise Ammoniak (NH₃), Harnstoff (CO(NH₂)₂ usw.) einspritzt. Die SCR-Vorrichtung nutzt NH₃ zur Reduktion von NOx. Wenn beispielsweise die geeignete Menge an NH₃ unter den geeigneten Bedingungen an die SCR-Vorrichtung geliefert wird, reagiert das NH₃ mit dem NOx in Gegenwart des SCR-Katalysators, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Wenn jedoch die Reduktionsreaktionsrate zu langsam ist oder wenn überschüssiges Ammoniak im Abgas vorhanden ist, kann Ammoniak aus dem SCR entweichen. Wenn andererseits zu wenig Ammoniak im Abgas vorhanden ist, wird die SCR-NOx-Umwandlungseffizienz verringert.
DE 10 2008 041 603 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bereitgestellt, die im Abgasbereich wenigstens einen SCR-Katalysator mit einem NH₃-Füllstand, wenigstens eine Dosiereinrichtung zur Versorgung des SCR-Katalysators mit Reaktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden und wenigstens einen nachgeschalteten NH₃-empfindlichen NOx-Sensor aufweist.
KURZDARSTELLUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, das Erkennen von stationärem Ammoniakschlupf für ein Kraftfahrzeug zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Hierin wird ein Verfahren zum Erkennen von stationärem Ammoniakschlupf für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Emissionssteuerungssystem beschrieben. Das Emissionssteuerungssystem beinhaltet eine selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtung, einen NOx-Sensor und eine Steuerung. Die Steuerung führt ein Verfahren zur Ammoniakschlupferkennung durch, welches das Bestimmen, ob die SCR-Bedingungen (in Form von SCR-Temperatur und NOx-Eingang) im stationären Zustand sind, und das Vergleichen einer NOx-Messung vom NOx-Sensor mit einem vorhergesagten NOx-Wert beinhaltet. Wenn die NOx-Messung den vorhergesagten NOx-Wert durch einen Schwellenwert überschreitet, wird eine Reduktionsmitteleinspritzung gestört, wobei die Störung eine ausgewählte Größe und eine ausgewählte Zeitdauer aufweist. Das Verfahren beinhaltet auch das Messen eines NOx-Werts, der sich aus der Störung ergibt, und das Berechnen eines Gradienten desselben in Bezug auf das gemessene NOx, und das Ermitteln, ob ein Gradient des NOx, der sich aus der Störung ergibt, einen Schwellenwert überschreitet, und das Identifizieren eines Reduktionsmittelschlupfzustands, wenn ja, ansonsten das Identifizieren eines schlechten Betriebszustands für den Verbrennungsmotor.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen einen Temperatursensor und einen weiteren NOx-Sensor beinhalten.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass sich der andere NOx-Sensor stromaufwärts der SCR-Vorrichtung befindet und worin das Bestimmen das Berechnen eines Gradienten einer Temperatur der SCR-Vorrichtung und eines Gradienten des von dem anderen NOx-Sensor gemessenen NOx beinhaltet.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass das Bestimmen weiterhin das Identifizieren der SCR-Vorrichtungen als im stationären Zustand beinhaltet, wenn der Gradient einer Temperatur der SCR-Vorrichtung kleiner als ein dritter ausgewählter Schwellenwert ist und ein Gradient des NOx, gemessen durch den anderen NOx-Sensor, kleiner als ein vierter ausgewählter Schwellenwert ist.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass sich der vorhergesagte NOx-Wert auf ein chemisches Modell der SCR-Vorrichtung bezieht.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass sich der NOx-Sensor stromabwärts von der SCR-Vorrichtung befindet.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass mindestens eine der gewählten Größenordnungen und der gewählten Dauer der Störung der Reduktionsmitteleinspritzung mindestens auf einer der Größenordnungen einer stationären Reduktionsmitteleinspritzung, eines Abgasstroms und einer Temperatur beruht.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen eine Anpassung der Reduktionsmitteldosierung der SCR-Vorrichtung gemäß der Ermittlung zur Erreichung einer gewünschten NH₃-Speicherung beinhalten.
Ebenfalls hierin in einer Ausführungsform beschrieben ist Abgassystem zur Behandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors, das für eine selektive katalytische Reduktion (SCR) des Abgases konfiguriert ist. Das Abgassystem beinhaltet eine Steuerung, die zum Durchführen einer Ammoniakschlupferkennung konfiguriert ist, indem sie bestimmt, ob sich eine SCR-Vorrichtung in einem stationären Betriebszustand mit einer stationären Reduktionsmitteleinspritzung befindet und eine stationäre NOx-Messung vom NOx-Sensor mit einem vorhergesagten stationären NOx-Wert vergleicht. Als Reaktion auf eine Größe der stationären NOx-Messung, die den vorhergesagten stationären NOx-Wert um einen ersten Schwellenwert überschreitet, beinhaltet das Verfahren auch die Störung der Reduktionsmitteleinspritzung gemäß dem stationären Zustand, wobei die Störung der Reduktionsmitteleinspritzung eine ausgewählte Größe und eine ausgewählte Dauer aufweist, die Messung eines aus der Störung der Reduktionsmitteleinspritzung resultierenden NOx-Wertes und das Berechnen eines Gradienten in dem aus der Störung resultierenden NOx-Wert in Bezug auf den im stationären Zustand gemessenen NOx-Wert, Bestimmen, ob das von der SCR-Vorrichtung verbrauchte Reduktionsmittel, das aus der Störung resultiert, einen zweiten ausgewählten Schwellenwert überschreitet, und Ermitteln, ob ein Gradient des aus der Störung resultierenden NOx einen dritten ausgewählten Schwellenwert überschreitet, und Identifizieren eines Reduktionsmittelschlupfzustands, wenn ja, andernfalls Identifizieren eines schlechten Betriebszustands für den Verbrennungsmotor.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen einen Temperatursensor und einen weiteren NOx-Sensor beinhalten.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass sich der andere NOx-Sensor stromaufwärts der SCR-Vorrichtung befindet und worin das Bestimmen das Berechnen eines Gradienten einer Temperatur der SCR-Vorrichtung und eines Gradienten des von dem anderen NOx-Sensor gemessenen NOx beinhaltet.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass das Bestimmen weiterhin das Identifizieren der SCR-Vorrichtungen als im stationären Zustand beinhaltet, wenn der Gradient einer Temperatur der SCR-Vorrichtung kleiner als ein dritter ausgewählter Schwellenwert ist und ein Gradient des NOx, gemessen durch den anderen NOx-Sensor, kleiner als ein vierter ausgewählter Schwellenwert ist.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass sich der vorhergesagte NOx-Wert auf ein chemisches Modell des SCR bezieht.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass der NOx-Sensor die NOx-Messung stromabwärts nach dem SCR des Abgases misst.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass mindestens eine der ausgewählten Größenordnung und ausgewählten Dauer der Störung einer Reduktionsmitteleinspritzung basierend auf mindestens einer Größenordnung der stationären Reduktionsmitteleinspritzung, einem Abgasstrom und einer Temperatur vorliegt.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass die Steuerung eine Reduktionsmitteldosierrate der SCR-Vorrichtung gemäß der Ermittlung zum Erreichen einer gewünschten NH₃-Speicherung anpasst.
Ebenfalls hierin in einer Ausführungsform beschrieben ist ein computerimplementiertes Verfahren zum Steuern einer selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Vorrichtung eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors. Das Verfahren umfasst das Bestimmen, ob sich die SCR-Vorrichtung in einem stationären Betriebszustand mit einer stationären Reduktionsmitteleinspritzung befindet und eine stationäre NOx-Messung von einem NOx-Sensor mit einem vorhergesagten stationären NOx-Wert vergleicht. Als Reaktion auf eine Größe der stationären NOx-Messung, die den vorhergesagten stationären NOx-Wert um einen ersten Schwellenwert überschreitet, beinhaltet das Verfahren auch die Störung der Reduktionsmitteleinspritzung gemäß dem stationären Zustand, wobei die Störung der Reduktionsmitteleinspritzung eine ausgewählte Größe und eine ausgewählte Dauer aufweist, die Messung eines aus der Störung der Reduktionsmitteleinspritzung resultierenden NOx-Wertes und das Berechnen eines Gradienten in dem aus der Störung resultierenden NOx-Wert in Bezug auf den im stationären Zustand gemessenen NOx-Wert, Bestimmen, ob das von der SCR-Vorrichtung verbrauchte Reduktionsmittel, das aus der Störung resultiert, einen zweiten ausgewählten Schwellenwert überschreitet, und Ermitteln, ob ein Gradient des aus der Störung resultierenden NOx einen dritten ausgewählten Schwellenwert überschreitet, und Identifizieren eines Reduktionsmittelschlupfzustands, wenn ja, andernfalls Identifizieren eines schlechten Betriebszustands für den Verbrennungsmotor.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass das Bestimmen das Berechnen eines Gradienten einer Temperatur der SCR-Vorrichtung und eines Gradienten des von einem anderen NOx-Sensor gemessenen NOx beinhaltet, wobei sich der andere NOx-Sensor stromaufwärts der SCR-Vorrichtung befindet.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass das Bestimmen weiterhin das Identifizieren der SCR-Vorrichtungen als im stationären Zustand beinhaltet, wenn der Gradient einer Temperatur der SCR-Vorrichtung kleiner als ein dritter ausgewählter Schwellenwert ist und ein Gradient des NOx, gemessen durch den anderen NOx-Sensor, kleiner als ein vierter ausgewählter Schwellenwert ist.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass sich der vorhergesagte NOx-Wert auf ein chemisches Modell des SCR bezieht.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass die NOx-Messung durch einen NOx-Sensor stromabwärts des SCR erfolgt.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen vorsehen, dass mindestens eine der gewählten Größenordnung und der gewählten Dauer der Störung der Reduktionsmitteleinspritzung auf mindestens einer Größenordnung der stationären Reduktionsmitteleinspritzung, einem Abgasstrom und einer Temperatur beruht.
Neben einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative können weitere Ausführungsformen eine Anpassung einer Reduktionsmitteldosierrate der SCR-Vorrichtung gemäß der Ermittlung zum Erreichen einer gewünschten NH3-Speicherung beinhalten.
Weiterhin bestimmt die Steuerung in einem oder mehreren Beispielen den Betriebszustand des Verbrennungsmotors und leitet die Ammoniakschlupferkennung als Reaktion auf den Betrieb des Verbrennungsmotors im stationären Zustand ein.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne Weiteres hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur exemplarisch in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, wobei gilt:

1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und ein Emissionssteuerungssystem nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 veranschaulicht exemplarische Komponenten eines Emissionssteuerungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3 veranschaulicht einen exemplarischen Durchfluss der Gase durch eine SCR-Vorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Erkennen von Ammoniakschlupf in einer SCR-Vorrichtung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen; und
5 veranschaulicht ein Diagramm einer Einspritzungsstörung gemäß einer Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Zum Zweck der Förderung des Verständnisses der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung, wird jetzt auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und eine spezifische Sprache zur Beschreibung derselben verwendet werden. Es versteht sich dennoch, dass damit keine Einschränkung des Umfangs dieser Offenbarung beabsichtigt ist. Die folgende Beschreibung ist lediglich veranschaulichender Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung in ihren An- oder Verwendungen einzuschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine Verarbeitungsschaltung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten, beinhalten kann.
Der Begriff „exemplarisch“ wird hierin ausschließlich verwendet, um als „ein Beispiel, eine Instanz oder Veranschaulichung zu dienen.“ Jede Ausführungsform, die hierin als „exemplarisch“ bezeichnet wird, ist nicht notwendigerweise als bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsform auszulegen. Unter den Begriffen „mindestens eins“ und „eins oder mehrere“ versteht man jede ganze Zahl, die größer oder gleich eins ist, d. h. eins, zwei, drei, vier usw. Unter den Begriffen „eine Vielzahl“ ist jede ganze Zahl zu verstehen, die größer oder gleich zwei, d. h. zwei, drei, vier, fünf usw. ist. Der Begriff „Verbindung“ kann eine indirekte „Verbindung“ und eine direkte „Verbindung“ beinhalten.
Wie hierin dargestellt und beschrieben, werden verschiedene Merkmale der Offenbarung offenbart. Verschiedene Ausführungsformen können dieselben oder ähnliche Merkmale aufweisen, weshalb dieselben oder ähnliche Merkmale mit derselben Referenznummer gekennzeichnet sein können, denen jedoch eine andere erste Zahl vorangestellt ist, welche die Zahl angibt, zu der das Merkmal dargestellt wird. So kann beispielsweise das in X dargestellte Element „a“ mit „Xa“ und ein ähnliches Merkmal in Figur Z mit „Za“ gekennzeichnet werden. Obwohl ähnliche Referenznummern in einem allgemeinen Sinn verwendet werden können, werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben und verschiedene Merkmale können Änderungen, Abänderungen, Modifikationen usw. beinhalten, wie sie von Fachleuten auf dem Gebiet zu begrüßen sind, unabhängig davon, ob sie ausdrücklich oder anderweitig von Fachleuten auf dem Gebiet beschrieben werden.
Ein Kraftfahrzeug gemäß einem Aspekt einer Ausführungsform ist allgemein bei 10 in 1 angegeben. Kraftfahrzeug 10 ist in Form eines Kleinlastwagens dargestellt. Es ist selbstverständlich, dass das Kraftfahrzeug 10 verschiedene Formen annehmen kann, einschließlich Automobilen, kommerziellen Transportmitteln, Schiffen usw. Das Kraftfahrzeug 10 beinhaltet eine Karosserie 12 mit einem Motorraum 14, einem Fahrgastraum 15 und einer Ladefläche 17. Im Motorraum 14 befindet sich ein Verbrennungsmotorsystem 24, welches in der dargestellten Ausführungsform einen Dieselmotor 26 beinhalten kann. Das Verbrennungsmotorensystem 24 beinhaltet ein Abgassystem 30, welches fluidisch mit einem Nachbehandlungs- oder Emissionssteuersystem 34 verbunden ist. Das vom Verbrennungsmotor (ICE)-System 24 erzeugte Abgas strömt durch das Emissionssteuerungssystem 34, um Emissionen zu reduzieren, die durch ein Abgasauslassrohr 36 in die Umgebung austreten können.
Es ist anzumerken, dass die hierin beschriebenen technischen Lösungen für ICE-Systeme relevant sind, die Dieselmotorsysteme und Benzinmotorsysteme beinhalten können, aber nicht darauf beschränkt sind. Das ICE-System 24 kann eine Vielzahl von an einer Kurbelwelle angebrachten Hubkolben beinhalten, die betriebsmäßig an einem Antriebssystem angebracht sein können, wie einem Fahrzeugantriebssystem, um ein Fahrzeug anzutreiben (z. B. um Traktionsdrehmoment an das Antriebssystem abzugeben). So kann beispielsweise das ICE-System 24 eine beliebige Motorkonfiguration oder Anwendung sein, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. Automobil, Marine und dergleichen) sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Während die Verbrennungsmotoren in einem fahrzeugbezogenen Kontext (z. B. Drehmoment erzeugend) beschrieben werden können, befinden sich andere nicht fahrzeugbezogene Anwendungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung. Wenn daher auf ein Fahrzeug Bezug genommen wird, sollte diese Offenbarung dahingehend ausgelegt werden, dass sie für jede Anwendung eines ICE-Systems gilt.
Darüber hinaus kann der ICE im Allgemeinen jede Vorrichtung darstellen, die in der Lage ist, einen Abgasstrom zu erzeugen, der gasförmige (z. B. NO_x, O₂) kohlenstoffhaltige und/oder partikelförmige Substanzen umfasst, und die Offenbarung hierin sollte dementsprechend als auf alle diese Vorrichtungen anwendbar angesehen werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Abgas“ auf jede beliebige chemische Spezies oder jedes Gemisch aus chemischen Spezies, das eine Behandlung erfordert, und gasförmige, flüssige und feste Spezies beinhaltet. So kann beispielsweise ein Abgasstrom eine Mischung aus einer oder mehreren NO_x-Spezies, einer oder mehreren flüssigen Kohlenwasserstoff-Spezies und einer oder mehreren Feststoff-Partikel-Spezies (z. B. Asche) enthalten. Es sollte weiter verstanden werden, dass die hier offenbarten Ausführungsformen auf die Behandlung von Abwasserströmen anwendbar sind, die keine kohlenstoffhaltigen und/oder partikelförmigen Spezies beinhalten, und in solchen Fällen kann ICE 26 auch allgemein irgendeine Vorrichtung darstellen, die einen Abgasstrom mit solchen Spezies erzeugen kann.
Abgaspartikelmaterial beinhaltet im Allgemeinen kohlenstoffhaltigen Ruß und andere feste und/oder flüssige kohlenstoffhaltige Spezies, die für ICE-Abgas relevant sind oder in einem Emissionssteuerungssystem 34 gebildet werden.
2 veranschaulicht exemplarische Komponenten des Emissionssteuerungssystems 34 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Es sollte angemerkt werden, dass, während das ICE-System 24 in dem obigen Beispiel einen Dieselmotor 26 aufweist, das hierin beschriebene Emissionssteuerungssystem 34 in verschiedenen Motorsystemen implementiert werden kann. Das Emissionssteuerungssystem 34 erleichtert die Steuerung und Überwachung von NO_x Speicher- und/oder Behandlungsmaterialien, um die durch das ICE-System 24 erzeugten Abgase zu kontrollieren. So stellen beispielsweise die technischen Lösungen hier Verfahren zum Steuern von selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtungen (SCR-Vorrichtungen) und zugehöriger NO_x-Sensoren bereit, worin die SCR-Vorrichtungen so konfiguriert sind, dass sie Abgasströme von einer Abgasquelle empfangen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NO_x“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NO_x Substanzen können N_yO_x Substanzen beinhalten, worin y>0 und x>0. Nichteinschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO₂, N₂O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄, und N₂O₅ beinhalten. SCR-Vorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie Reduktionsmittel aufnehmen, beispielsweise mit variablen Dosierraten, wie nachstehend beschrieben wird.
Die Abgasleitung 214, die mehrere Segmente beinhalten kann, transportiert Abgas 216 von dem Verbrennungsmotor 26 zu den verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Emissionssteuerungssystems 34. So beinhaltet beispielsweise das Emissionssteuerungssystem 34, wie dargestellt, eine SCR-Vorrichtung 220. In einem oder mehreren Beispielen kann die SCR-Vorrichtung 220 eine selektive katalytische Filtervorrichtung (SCRF-Vorrichtung) beinhalten, die zusätzlich zu Partikelfilterfähigkeiten die katalytischen Aspekte von SCRs bereitstellt. Alternativ oder zusätzlich kann die SCR-Vorrichtung 220 auch auf ein Durchflusssubstrat beschichtet sein. Es versteht sich, dass das Emissionssteuerungssystem 34 verschiedene zusätzliche Behandlungsvorrichtungen beinhalten kann, einschließlich unter anderem Diesel-Oxidationskatalysatorvorrichtungen (DOC) 218 und Partikelfiltervorrichtungen (nicht dargestellt).
Wie zu erkennen ist, kann die DOC-Vorrichtung 218 aus verschiedenen Durchfluss-Oxidationskatalysatorvorrichtungen bestehen, die in der Technik bekannt sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann die DOC-Vorrichtung 218 ein durchströmbares Metall- oder Keramikmonolithsubstrat 224 beinhalten. Das Substrat 224 kann in einem Edelstahlkanister oder -gehäuse verpackt sein, der oder das über einen Einlass und einen Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 verfügt. Das Substrat 224 kann eine darauf angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung beinhalten. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete Metalloxidkatalysatoren und Kombinationen davon, enthalten. Die DOC-Vorrichtung 218 ist für die Behandlung von unverbranntem gasförmigem und nicht-flüchtigem HC und CO nützlich, welche oxidieren, um Kohlendioxid und Wasser auszubilden. Eine Washcoat-Schicht beinhaltet eine in der Zusammensetzung unterschiedliche Materialschicht, die auf der Oberfläche des monolithischen Substrats oder einer darunter liegenden Washcoat-Schicht angeordnet ist. Ein Katalysator kann eine oder mehrere Washcoat-Schichten enthalten, und jede Washcoat-Schicht kann einzigartige chemische katalytische Funktionen aufweisen. In der SCR-Vorrichtung 220 können sich die Katalysatorzusammensetzungen für die SCR-Funktion und die NH₃-Oxidationsfunktion in diskreten Washcoat-Schichten auf dem Substrat befinden, oder alternativ können die Zusammensetzungen für die SCR- und NH₃-Oxidationsfunktionen in diskreten longitudinalen Zonen auf dem Substrat verbleiben.
Die SCR-Vorrichtung 220 kann stromabwärts der DOC-Vorrichtung 218 angeordnet sein. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet die SCR-Vorrichtung 220 einen Filterabschnitt 222, der ein Wandflussfilter sein kann, der zum Filtern oder Abscheiden von Kohlenstoff und anderen Partikeln aus dem Abgas 216 konfiguriert ist. In mindestens einer Ausführungsform ist der Filterabschnitt 222 als ein Partikelfilter (PF) ausgebildet, wie beispielsweise ein Dieselpartikelfilter (DPF). Der Filterabschnitt (d. h. der PF) kann beispielsweise unter Verwendung eines keramischen Wandstrom-Monolith-Abgasfilter-Substrats konstruiert werden, das in einer starren, hitzebeständigen Schale oder einem Behälter verpackt ist. Der Filterabschnitt 222 weist einen Einlass und einen Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 auf und kann Partikelmaterial einfangen, wenn das Abgas 216 dort hindurch strömt. Es versteht sich, dass ein keramisches Wandströmungs-Monolith-Filtersubstrat lediglich exemplarischer Natur ist und dass der Filterabschnitt 222 andere Filtervorrichtungen wie etwa gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern usw. enthalten kann. Das Emissionssteuerungssystem 34 kann auch einen Regenerationsprozess durchführen, der den Filterabschnitt 222 durch Abbrennen der in dem Filtersubstrat eingefangenen Partikel in einem oder mehreren Beispielen regeneriert.
In einem oder mehreren Beispielen empfängt die SCR-Vorrichtung 220 Reduktionsmittel 230, beispielsweise mit variablen Dosierraten. Das Reduktionsmittel 230 kann aus einer Reduktionsmittelquelle 234 zugeführt werden. In einem oder mehreren Beispielen wird das Reduktionsmittel 230 an einer Stelle vor der SCR-Vorrichtung 220 mit einer Einspritzdüse 236 oder einem anderen geeigneten Abgabeverfahren in die Abgasleitung 214 eingespritzt. Das Reduktionsmittel 230 kann in Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung, wie einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen. In einem oder mehreren Beispielen kann das Reduktionsmittel 230 mit Luft in der Einspritzdüse 236 gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprühnebels zu unterstützen. Der katalysatorhaltige Washcoat, der auf dem Filterabschnitt 222 oder einem Durchflusskatalysator oder einem Wandstromfilter angeordnet ist, kann Nox-Bestandteile in dem Abgas 216 reduzieren. Die SCR-Vorrichtung 220 kann das Reduktionsmittel 230 verwenden, beispielsweise Ammoniak (NH₃), um das Nox zu reduzieren. In einem oder mehreren Beispielen kann ein Turbulator (d. h. ein Mischer) (nicht gezeigt) auch in der Abgasleitung 214 in unmittelbarer Nähe zur Einspritzdüse 236 und/oder der SCR-Vorrichtung 220 angeordnet sein, um weiter ein gründliches Mischen des Reduktionsmittels 230 mit dem Abgas 216 und/oder die gleichmäßige Verteilung in der gesamten SCR-Vorrichtung 220 zu unterstützen.
Das Emissionssteuerungssystem 34 beinhaltet ferner ein Reduktionsmittelzufuhrsystem 232, das ein Reduktionsmittel 230 in das Abgas 216 einführt. Das Reduktionsmittelzufuhrsystem 232 beinhaltet eine Reduktionsmittelzufuhr 234, eine Einspritzdüse 236. Die Reduktionsmittelzufuhr 234 speichert das Reduktionsmittel 230 und steht in Fluidverbindung mit der Einspritzdüse 236. Dementsprechend kann die Einspritzdüse 236 eine wählbare Menge an Reduktionsmittel 230 in die Abgasleitung 214 einspritzen, sodass das Reduktionsmittel 230 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 220 in das Abgas 216 eingeleitet wird.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Emissionssteuerungssystem 34 ferner ein Steuermodul 238, das betriebsmäßig über eine Anzahl an Sensoren verbunden ist, um den Motor 26 und/oder das Emissionssteuerungssystem 34 zu überwachen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppenprozessor) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten. So kann beispielsweise das Steuermodul 238 das hierin beschriebene Regelverfahren und ein chemisches SCR-Modell 250, wie hierin beschrieben, ausführen. Das Steuermodul 238 kann betriebsmäßig mit dem ICE-System 24, der SCR-Vorrichtung 220 und/oder einem oder mehreren Sensoren verbunden sein. Wie dargestellt, können die Sensoren, allgemein bei 240 dargestellt, einen stromaufwärtigen NO_x -Sensor 242a und einen stromabwärtigen NO_x -Sensor 242b beinhalten, der stromabwärts der SCR Vorrichtung 220, von denen jeder in Fluidverbindung mit dem Abgas 216 in der Abgasleitung 214 ist. In einem oder mehreren Beispielen, ist der stromaufwärtige Nox-Sensor 242a stromabwärts des ICE 26 und stromaufwärts der beiden SCR-Vorrichtungen 220 und der Einspritzdüse 236 angeordnet. Der stromaufwärtige NO_x-Sensor 242a und der stromabwärtige NO_x-Sensor 242b erkennen ein NO_x-Niveau nahe ihrer Position in der Abgasleitung 214 und erzeugen ein Nox-Signal, das dem Nox-Niveau entspricht. Ein Nox-Gehalt kann in einigen Ausführungsformen eine Konzentration, einen Massendurchsatz, oder eine volumetrische Durchflussmenge beinhalten. Ein von einem Nox-Sensor 242a, 242b erzeugtes Nox-Signal kann zum Beispiel vom Steuermodul 238 interpretiert werden. Das Steuermodul 238 kann optional in Verbindung mit einem oder mehreren Temperatursensoren, wie beispielsweise dem stromaufwärtigen Temperatursensor 244, stromaufwärts von der SCR-Vorrichtung 220 angeordnet sein.
Die Sensoren des Emissionssteuerungssystem 34 können ferner mindestens einen Drucksensor 246 (z. B. einen Deltadrucksensor) beinhalten. Der Deltadrucksensor 230 kann die Druckdifferenz (d. h. Δp) über die SCR-Vorrichtung 220 ermitteln. Obwohl ein einzelner Deltadrucksensor 230 veranschaulicht ist, versteht es sich, dass eine Vielzahl an Drucksensoren verwendet werden können, um die Druckdifferenz der SCR-Vorrichtung 220 zu ermitteln. So kann beispielsweise ein erster Drucksensor (nicht dargestellt) am Einlass der SCR-Vorrichtung 220 angeordnet sein, und ein zweiter Drucksensor (ebenfalls nicht dargestellt) kann am Auslass des SCR 220 angeordnet sein. Dementsprechend kann die Differenz zwischen dem durch den zweiten Drucksensor erfassten Druck und dem durch den ersten Drucksensor erfassten Druck die Druckdifferenz über die SCR-Vorrichtung 220 anzeigen. Es sollte beachtet werden, dass in anderen Beispielen die Sensoren andere, zusätzliche oder weniger Sensoren als die hier dargestellten/beschriebenen beinhalten können.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet die SCR-Vorrichtung 220 eine oder mehrere Komponenten, die das Reduktionsmittel 230 und einen Katalysator verwenden, um NO und NO₂ aus den Abgasen 216 zu transformieren. Die SCR-Vorrichtung 220 kann beispielsweise ein Durchfluss-Keramik- oder Metall-Monolith-Substrat beinhalten, das in einem Mantel oder einem Behälter mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 und optional anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen verpackt werden kann. Der Mantel oder Behälter kann idealerweise einen gegenüber den Abgasbestandteilen, wie z. B. Edelstahl, weitgehend inerten Werkstoff beinhalten. Das Substrat kann eine SCR-Katalysatorverbindung beinhalten, die darauf aufgebracht wird.
Der Substratkörper kann beispielsweise ein keramischer Ziegelstein, eine Plattenstruktur oder jede andere geeignete Struktur sein, wie eine monolithische Wabenstruktur, die mehrere hundert bis mehrere tausend parallele Durchflusszellen pro Quadratzoll enthält, obwohl andere Konfigurationen geeignet sind. Jede der Durchflusszellen kann durch eine Wandoberfläche definiert werden, auf der die SCR-Katalysatorzusammensetzung per Washcoat-Verfahren aufgetragen werden kann. Der Substratkörper kann aus einem Material ausgebildet sein, das den Temperaturen und der chemischen Umgebung, die mit dem Abgas 216 verbunden ist, standhalten kann. Einige spezifische Beispiele für Materialien, die verwendet werden können, beinhalten Keramik, wie extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit, Petalit, oder ein hitze- und korrosionsbeständiges Metall, wie Titan oder Edelstahl. Das Substrat kann beispielsweise ein nichtsulfatierendes TiO₂-Material beinhalten. Der Substratkörper kann eine PF-Vorrichtung sein, wie nachfolgend erläutert.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung ist im Allgemeinen ein poröses Material mit großer Oberfläche, das effizient arbeiten kann, um NO_x Bestandteile im Abgas 216 bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels 230 umzuwandeln. So kann beispielsweise die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith und eine oder mehrere Basismetallkomponenten, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (W) und Kombinationen davon, enthalten. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith enthalten, der mit einem oder mehreren von Kupfer, Eisen oder Vanadium imprägniert ist. In einigen Ausführungsformen kann der Zeolith ein β-Zeolith, ein Y-Zeolith, ein ZM5-Zeolith oder eine beliebige andere kristalline Zeolithstruktur, wie ein Chabazit oder ein USY (ultrastabiler Y-Typ)-Zeolith, sein. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ. Geeignete SCR-Katalysatorzusammensetzungen können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit Partikelfilter (PF)-Vorrichtungen verwendet werden oder wenn sie in die nachstehend beschriebenen SCRF-Vorrichtungen integriert werden, die mithilfe von Hochtemperatur-Rußverbrennungsverfahren regeneriert werden.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren beinhalten, um die SO₃-Bildung weiter zu verringern und die Standzeit des Katalysators zu verlängern. Die einen oder mehreren basischen Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ beinhalten. In einer Ausführungsform kann WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ in Kombination mit V₂O₅ verwendet werden.
Der SCR-Katalysator verwendet im Allgemeinen das Reduktionsmittel 230, um NO_x-Spezies (z. B. NO und NO₂) in unregulierte Bestandteile zu reduzieren. Diese Bestandteile beinhalten beispielsweise eine oder mehrere Spezies, die keine NO_x Spezies, zweiatomigen Stickstoff, stickstoffhaltige inerte Spezies oder Spezies, die als annehmbare Emissionen angesehen werden, sind. Das Reduktionsmittel 230 kann Ammoniak (NH₃) sein, wie z. B. wasserfreies Ammoniak oder wässriges Ammoniak, oder aus einer Stickstoff- und wasserstoffreichen Substanz wie Harnstoff (CO(NH₂)₂) erzeugt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Reduktionsmittel 230 jede Zusammensetzung sein, die in der Lage ist, sich bei Vorhandensein von Abgas 216 und/oder Wärme zu zersetzen oder zu reagieren, um Ammoniak auszubilden. Die Gleichungen (1) - (5) liefern exemplarische chemische Reaktionen für NO_x-Reduktion mit Ammoniak. 6NO+4NH₃→5N₂+6H₂O (1) 4NO+4NH₃+O₂→N₂+6H₂O (2) 6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O (3) 2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O (4) NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O (5)
Es versteht sich, dass die Gleichungen (1) - (5) lediglich veranschaulichend sind und nicht dazu gedacht sind, die SCR-Vorrichtung 220 auf einen bestimmten Nox-Reduktionsmechanismus oder -mechanismen zu begrenzen, noch den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Die SCR-Vorrichtung 220 kann so konfiguriert sein, dass sie eine der oben genannten Nox-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der vorstehenden Nox-Reduktionsreaktionen und andere Nox-Reduktionsreaktionen ausführt.
Das Reduktionsmittel 230 kann in verschiedenen Implementierungen mit Wasser verdünnt werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 230 mit Wasser verdünnt wird, verdampft die Wärme (z. B. aus dem Abgas) das Wasser und Ammoniak wird der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt. Nicht-Ammoniak-Reduktionsmittel können wie gewünscht als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 230 Harnstoff enthält, reagiert der Harnstoff mit dem Abgas, um Ammoniak zu erzeugen, und Ammoniak wird der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt. Die nachfolgende Reaktion (6) stellt eine exemplarische chemische Reaktion der Ammoniakproduktion durch Harnstoffzersetzung bereit. CO(NH₂)₂+H2O→2NH₃+CO₂ (6)
Es versteht sich, dass die Gleichung (6) lediglich veranschaulichend, und nicht dazu gedacht ist, die Zersetzung von Harnstoff oder eines anderen Reduktionsmittels 230 auf einen bestimmten einzigen Mechanismus zu beschränken und den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen.
Der SCR-Katalysator kann das Reduktionsmittel 230 zum Zusammenwirken mit dem Abgas 216 speichern (d. h. absorbieren und/oder adsorbieren). Das Reduktionsmittel 230 kann beispielsweise innerhalb der SCR-Vorrichtung 220 oder des Katalysators als Ammoniak gespeichert werden. Eine gegebene SCR-Vorrichtung 220 weist eine Reduktionsmittelkapazität oder eine Menge an Reduktionsmittel oder einem Reduktionsmittel-Derivat auf, das gespeichert werden kann. Die Menge eines innerhalb einer SCR-Vorrichtung 220 gespeicherten Reduktionsmittels 230 im Verhältnis zur Kapazität der SCR-Vorrichtung kann als die „Reduktionsmittelbelastung“ der SCR-Vorrichtung bezeichnet werden und kann in einigen Instanzen als eine %-Belastung (z. B. 90% Reduktionsmittelbelastung) angegeben werden. Während des Betriebs der SCR-Vorrichtung 220 wird eingespritztes Reduktionsmittel 230 in dem SCR-Katalysator gespeichert und während Reduktionsreaktionen mit Nox-Spezies verbraucht und muss kontinuierlich ergänzt werden. Das Ermitteln der genauen einzuspritzenden Menge an Reduktionsmittel 230 ist entscheidend, um Abgasemissionen auf einem akzeptablen Niveau zu halten: unzureichende Reduktionsmittelpegel innerhalb des Emissionssteuerungssystems 34 (z. B. innerhalb der SCR-Vorrichtung 220) können unerwünschte Nox-Spezies-Emissionen („Nox-Durchbruch“) zur Folge haben (z. B. über ein Fahrzeugendrohr), während eine übermäßige Reduktionsmitteleinspritzung 230 dazu führen kann, dass unerwünschte Mengen an Reduktionsmittel 230 durch die SCR-Vorrichtung 220 unreagiert oder als unerwünschtes Reaktionsprodukt aus der SCR-Vorrichtung 220 austreten („Reduktionsmittelschlupf“). Reduktionsmittelschlupf und Nox-Durchbruch können auch auftreten, wenn der SCR-Katalysator unterhalb einer „Anspringtemperatur“ liegt, beispielsweise wenn die SCR-Vorrichtung 220 mit NH₃ gesättigt ist (d. h. keine Speicherstellen mehr vorhanden sind). Die SCR-Dosierlogik kann verwendet werden, um die Dosierung des Reduktionsmittels 230 anzuweisen, und Anpassungen davon, und kann beispielsweise durch das Modul 238 implementiert werden.
Eine Reduktionsmitteleinspritzdosierrate (z. B. Gramm pro Sekunde) kann durch das chemische SCR-Modell 250 ermittelt werden, das unter anderem die in der SCR-Vorrichtung 220 gespeicherte Menge an Reduktionsmittel 230 basierend auf Signalen von einer oder mehreren Reduktionsmitteleinspritzungen (z. B. Rückkopplung von Einspritzventil 236) und stromaufwärtigem Nox (z. B. Nox-Signal von dem stromaufwärtigen Nox-Sensor 242a) vorhersagt. Das chemische SCR-Modell 250 sagt ferner Nox-Niveaus von Abgas 216 voraus, die von der SCR-Vorrichtung 220 abgegeben werden. Das chemische SCR-Modell 250 kann durch das Steuermodul 238 implementiert werden. Das chemische SCR-Modell 250 kann beispielsweise um einen oder mehrere Prozesswerte über die Zeit aktualisierbar sein. Ein Dosierregler (nicht dargestellt) wie beispielsweise einer, der durch das Modul 238 gesteuert wird, überwacht das durch das chemische SCR-Modell 250 vorhergesagten Reduktionsmittelspeicherniveau und vergleicht dieses mit einem gewünschten Reduktionsmittelspeicherniveau basierend auf der SCR-Temperatur und Abgasmenge. Abweichungen zwischen dem vorhergesagten Reduktionsmittelspeicherniveau und dem gewünschten Reduktionsmittelspeicherniveau können kontinuierlich überwacht werden und eine Dosieranpassung kann ausgelöst werden, um die Reduktionsmitteldosierung zu erhöhen oder zu verringern, um die Abweichung zu eliminieren oder zu reduzieren.
Mit der Zeit können Ungenauigkeiten des chemischen SCR-Modells 250 zu anerkennenden Fehlern zwischen der modellierten SCR-Reduktionsmittelbeladung und der tatsächlichen Beladung führen. Dementsprechend kann das chemische SCR-Modell 250 kontinuierlich korrigiert werden, um Fehler zu minimieren oder zu eliminieren. Ein Verfahren zum Korrigieren eines chemischen SCR-Modells 250 beinhaltet das Vergleichen der modellierten SCR-Abgabegas-Nox-Niveaus mit den tatsächlichen Nox-Niveaus (z. B. gemessen durch den stromabwärtigen Nox-Sensor 242b), um eine Diskrepanz zu ermitteln und anschließend das Modell 250 zu korrigieren, um die Diskrepanz zu eliminieren oder zu reduzieren. Da Nox-Sensoren (z. B. stromabwärtiger Nox-Sensor 242b) für Reduktionsmittel (z. B. NH₃) und Nox querempfindlich sind, ist es wichtig, zwischen Reduktionsmittelsignalen und Nox-Signalen zu unterscheiden, da Reduktionsmittelschlupf mit unzureichender Nox-Umwandlung verwechselt werden kann.
In einem oder mehreren Beispielen ist eine passive Analysetechnik, die zum Unterscheiden zwischen Reduktionsmittelsignalen und Nox-Signalen verwendet wird, ein Korrelationsverfahren, welches das Vergleichen der stromaufwärtigen Nox-Konzentration (z. B. durch stromaufwärtigen Nox-Sensor 242a gemessene Bewegung) mit der stromabwärtigen Nox-Konzentration (z B. durch den stromabwärtigen Nox-Sensor 242b) gemessen, wobei divergierende Konzentrationsrichtungen einen Anstieg oder Abfall des Reduktionsmittelschlupfs anzeigen können. Die Korrelationsanalyse erkennt, wenn die Messungen des stromabwärtigen Nox-Sensors 242b dem Muster der Messungen des stromaufwärtigen Nox-Sensors 242a folgen (d. h. sich wie dieser bewegen). Die Korrelation ist ein statistisches Maß für die Stärke und Richtung einer linearen Beziehung zwischen den beiden Nox-Sensoren.
Der Vergleich beinhaltet beispielsweise ein Korrelationsverfahren, wobei die stromabwärtige Nox-Konzentration mit den stromaufwärtigen Nox-Messungen oder den vorhergesagten Nox-Messungen verglichen wird, worin divergierende Konzentrationsrichtungen eine Zunahme oder Abnahme des Reduktionsmittelschlupfs anzeigen können. Wenn beispielsweise die stromaufwärtige Nox-Konzentration abnimmt und die stromabwärtige Nox-Konzentration zunimmt, kann der Reduktionsmittelschlupf als ansteigend identifiziert werden. In ähnlicher Weise kann, wenn die stromaufwärtige Nox-Konzentration zunimmt und die stromabwärtige Nox-Konzentration abnimmt, der Reduktionsmittelschlupf als abnehmend identifiziert werden. Somit kann die Abweichung zwischen den beiden Sequenzen der Nox-Messungen genutzt werden, um einen Dosierstatus der SCR-Vorrichtung 220 zu bestimmen.
Alternativ oder zusätzlich beinhaltet der Vergleich eine Frequenzanalyse. Nox-Signale, die von Nox-Sensoren erzeugt werden, können aufgrund der Variation der Nox- und Reduktionsmittelkonzentrationen während der Modulation/Demodulation mehrere Frequenzkomponenten enthalten (z. B. Hochfrequenz und Niederfrequenz). Hochfrequenzsignale beziehen sich im Allgemeinen nur auf die Nox-Konzentration, während Signale mit niedriger Frequenz im Allgemeinen sowohl die Nox-Konzentration als auch die Reduktionsmittelkonzentration betreffen. Hochfrequenzsignale für das stromaufwärtige Nox und das stromabwärtige Nox werden isoliert und verwendet, um ein SCR-Nox-Umwandlungsverhältnis zu berechnen, welches dann an das isolierte stromaufwärtige Niedrigpass-Nox-Signal angelegt wird, um ein niederfrequentes stromabwärtiges Nox-Signal zu ermitteln. Das berechnete niederfrequente stromabwärtige Nox-Signal wird dann mit dem tatsächlichen isolierten niederfrequenten stromabwärtigen Nox-Signal verglichen, wobei eine Abweichung zwischen den zwei Werten einen Reduktionsmittelschlupf anzeigen kann.
Ein Nachteil der passiven Analyseverfahren ist, dass sie nicht implementiert werden können, wenn sich das Emissionssteuerungssystem 34 und die SCR-Vorrichtung 220 im stationären Zustand befinden. „Steady State“ wird beispielsweise ermittelt, indem der Effektivwert eines Nox-Signals stromaufwärts von der SCR-Vorrichtung 220 (z. B. gemessen durch den stromaufwärtigen Nox-Sensor 242a) über einen Bewegungszeitrahmen genommen wird; ein ausreichend kleiner Wert zeigt eine minimale Variation der stromaufwärtigen Nox-Konzentration an, und der SCR-Vorrichtung 220 kann als stationär betrachtet werden. So kann beispielsweise ein stationärer Zustand einen quadratischen Mittelwert der stromaufwärtigen Nox-Konzentration von weniger als einem vorbestimmten Wert beinhalten, wie etwa 30 ppm, weniger als etwa 20 ppm oder weniger als etwa 10 ppm. SCR-Beharrungszustandsbedingungen können oft mit stationären Bedingungen des ICE 26 korrelieren (z. B. im Allgemeinen konsistente Drehzahl, Kraftstoffeinspritzung, Temperatur usw.). Intrusive Tests können verwendet werden, um zwischen Reduktionsmittelsignalen und Nox-Signalen zu unterscheiden, die das Anhalten aller oder der meisten Reduktionsmitteldosierungen für eine Zeitspanne beinhalten. Während Intrusionstests unter stationären Bedingungen durchgeführt werden können, können sie unter bestimmten Umständen unerwünschte Abgasemissionen während des Testzeitraums erzeugen, wie beispielsweise Emissionen mit einer erhöhten Nox-Konzentration.
3 veranschaulicht einen exemplarischen Abgasstrom durch die SCR-Vorrichtung 220 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das Steuermodul 238 misst die Durchflussmenge (F) des Gasvolumens und die Konzentration C des Gases. So ermittelt beispielsweise die SCR-Vorrichtung 220 eine Eingangsdurchflussmenge von Nox 310 als FC_Nox,in, wobei F das Volumen des eintretenden Gases 216 ist und C_Nox,in die Einlasskonzentration von Nox in dem einströmenden Gas 216 ist. Desgleichen ist FCNH_3,in das Volumen der Durchflussmenge von NH₃ 315 im eintretenden Gas 216, wobei CNH_3,in die Einlasskonzentration von NH₃ ist. Ferner kann das Steuermodul 238 durch Kompensieren der Adsorptionsmenge 322 und der Desorptionsmenge 324 und der auf der Katalysatoroberfläche reagierten Mengen C_NH3 als SCR-Konzentration von NH₃ und CNO_x als SCR-Konzentration von Nox ermitteln.
Dementsprechend ist FCNO_x die Nox-Auslassvolumendurchflussmenge 320 von NO_x durch den Auslass der SCR-Vorrichtung 220. In einem oder mehreren Beispielen kann das Steuermodul 238 WNO_xFCNO_x als Massendurchflussmenge von Nox ermitteln, wobei W_Nox das Molekulargewicht von Nox ist. In ähnlicher Weise ist die Auslassvolumendurchflussmenge 325 für NH₃ FCNH₃, wobei die Massendurchflussmenge von NH₃ WNH₃FCNH₃ ist.
Wie zuvor beschrieben, steuert das Steuermodul 238 die Reduktionsmitteleinspritzmenge präzise; so wie eine Ammoniak-erzeugende wässrige Harnstofflösungseinspritzmenge. Eine unzureichende Einspritzmenge kann zu unzulässig niedrigen Nox-Umwandlungen und damit zu höheren Emissionen führen. Eine Einspritzmenge, die zu hoch ist, führt zur Freisetzung von Ammoniak aus der SCR-Vorrichtung 220 in die Atmosphäre. Diese Ammoniakemissionen von SCR-Systemen sind als Ammoniakschlupf bekannt. Ammoniakschlupf ist aufgrund der Emissionen sowie der zu schnellen Absaugung der Reduktionsmittelzufuhr 234 unerwünscht.
Dementsprechend, unter erneuter Bezugnahme auf 2, steuert das Steuermodul 238 den Betrieb der Einspritzdüse 236 basierend auf dem chemischen Modell 250 und dem gewünschten NH₃-Speichersollwert, um eine Menge an Reduktionsmittel 230 zu ermitteln, das wie hier beschrieben eingespritzt wird. Das Steuermodul 238 kann basierend auf der Überwachung des einen oder der mehreren Sensoren einen Korrekturkoeffizienten ermitteln, der dem Reduktionsmittelspeicher entspricht, und kann die durch die Einspritzdüse 236 bereitgestellte Menge an injiziertem Reduktionsmittel 230 genauer steuern. So ermittelt beispielsweise das Steuermodul 238 einen Reduktionsmittelinjektor-Erregungszeit-Korrekturkoeffizienten, um eine Diskrepanz zwischen dem chemischen Modell 250 und den tatsächlichen SCR-Auslass-Nox-Emissionen weiter zu reduzieren oder zu eliminieren. Alternativ oder ergänzend dazu ermittelt das Steuermodul 238 eine NH₃-Sollwertkorrektur, um eine Diskrepanz zwischen dem chemischen Modell 250 und den tatsächlichen Nox-Emissionen des SCR-Auslasses zu verringern oder zu beseitigen. Dementsprechend kann die Zufuhr 234 von Reduktionsmittel 230 effizienter genutzt werden. So kann beispielsweise das Reduktionsmittel, das in das Abgas 216 eingespritzt wird, NH₃ bilden, wenn es in das Abgas eingespritzt wird. Dementsprechend steuert das Steuermodul 238 eine Menge an NH₃, die der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt wurde. Der SCR-Katalysator adsorbiert (d. h. speichert) NH₃. Die Menge des von der SCR-Vorrichtung 220 gespeicherten NH₃ kann nachfolgend als „NH₃-Speicherwert“ bezeichnet werden. Das Steuermodul 238 kann die Menge an NH₃ steuern, die der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt wird, um den NH₃-Speicherpegel zu regeln. Das in der SCR-Vorrichtung 220 gespeicherte NH₃ reagiert mit Nox durch Durchströmen des Abgases 216.
In einem oder mehreren Beispielen kann der Prozentsatz von Nox, der aus dem Abgas 216 entfernt wird, das in die SCR-Vorrichtung 220 eintritt, als eine Umwandlungseffizienz der SCR-Vorrichtung 220 bezeichnet werden. Das Steuermodul 238 kann den Umwandlungswirkungsgrad der SCR-Vorrichtung 220 basierend auf Nox_in und Nox_out-Signalen ermitteln, die von dem ersten (stromaufwärtigen) Nox-Sensor 242a bzw. dem zweiten (stromabwärtigen) Nox-Sensor 242b erzeugt werden. So kann beispielsweise das Steuermodul 238 die Umwandlungseffizienz der SCR-Vorrichtung 220 basierend auf der folgenden Gleichung ermitteln: $SCReff = (Noxin - Noxout) / Noxin$
NH₃-Schlupf kann auch durch eine Erhöhung der Temperatur des SCR-Katalysators erreicht werden. So kann beispielsweise NH₃ vom SCR-Katalysator desorbieren, wenn die Temperatur zunimmt, wenn der NH₃ -Speicherpegel nahe an dem maximalen NH₃-Speicherpegel liegt. NH₃-Schlupf kann auch aufgrund eines Fehlers (z. B. Speicherlevelschätzungsfehler) oder einer fehlerhaften Komponente (z. B. fehlerhafte Einspritzdüse) im Emissionssteuerungssystem 34 auftreten.
Typischerweise schätzt das Steuermodul 238 ein NH₃ -Speicherniveau der SCR-Vorrichtung 220 basierend auf dem chemischen Modell 250. In einem oder mehreren Beispielen ist der NH₃-Speicher-Sollwert („Sollwert“) kalibrierbar. Das Steuermodul 238 nutzt das chemische Modell 250 zur Abschätzung des aktuellen NH₃-Niveaus in der SCR-Vorrichtung 220 und ein Speicherniveauregler sendet Feedback an die Einspritzsteuerung, um die Einspritzmenge zur Bereitstellung von NH₃ für Reaktionen nach dem chemischen Modell 250 und einen Soll-Speicher-Pegel zu ermitteln. Der Sollwert kann einen Soll-Speicherwert für gegebene Betriebsbedingungen (z. B. eine Temperatur des SCR-Katalysators) angeben. Dementsprechend kann der Sollwert einen Speicherpegel (S) und eine Temperatur (T) der SCR-Vorrichtung 220 anzeigen. Der Sollwert kann als (S, T) bezeichnet werden. Das Steuermodul 238 steuert die Reduktionsmittel-Einspritzdüse 236, um die Menge an Reduktionsmittel, die in das Abgas 216 eingespritzt wird, zu verwalten, um den Speicherpegel der SCR-Vorrichtung 220 auf den Sollwert einzustellen. So weist beispielsweise das Steuermodul 238 die Einspritzdüse 236 an, den Speicherpegel zu erhöhen oder zu verringern, um den Sollwert zu erreichen, wenn ein neuer Sollwert ermittelt wird. Zusätzlich weist das Steuermodul 238 den Reduktionsmittel-Einspritzdüse 236 an, den Speicherpegel zu erhöhen oder zu verringern, um den Sollwert beizubehalten, wenn der Sollwert erreicht wurde.
Die hierin beschriebenen technischen Merkmale ermöglichen es dem Emissionssteuerungssystem 34, eine stationäre Ammoniakschlupferkennung basierend auf einem nachgeschalteten Nox durchzuführen. In einigen Systemen wird im stationären Zustand die Ammoniakschlupferkennung durch Deaktivieren der Einspritzung von erschöpfender Flüssigkeit (DEF) durchgeführt. Diese Techniken können jedoch die Nox-Emissionen während der DEF-Einspritzung erhöhen. Dementsprechend wird in einer oder mehreren Ausführungsformen die Ammoniakschlupf- und/oder Nox-Durchbruchdetektion durch Störung des Emissionssteuerungssystems 34 und insbesondere in einer Ausführungsform durch Störung der DEF-Einspritzmenge und Überwachung der SCR-Vorrichtung und der Nox-Reaktion durchgeführt, anstatt durch Abschalten der DEF-Einspritzung das Vorhandensein von NH₃ Schlupf oder Nox-Durchbruch im stationären Betriebszustand zu erkennen. Durch die Verwendung einer derartigen Störungstechnik kann der Anstieg der Nox-Emissionen, der durch eine Störung der DEF-Einspritzung entstehen kann, vorteilhaft verhindert werden.
In einem oder mehreren Beispielen verwendet das Steuermodul 238 das chemische Modell 250 des SCR-Katalysators, um die NOx-Konzentration in den Abgasen 216, die in die SCR-Vorrichtung 220 eintreten, vorherzusagen. Ferner ermittelt das Steuermodul 238 basierend auf der vorhergesagten NOx-Konzentration eine Menge an NH₃, mit der die Abgase 216 zu dosieren sind, um die Emissionsschwelle zu erfüllen. Das Steuermodul 238 implementiert typischerweise eine adaptive halbgeschlossen-Regelkreis-Strategie zum Aufrechterhalten der SCR-Leistung gemäß dem chemischen Modell 250, wobei das Steuermodul kontinuierlich einen oder mehrere Parameter lernt, die dem chemischen Modell 250 gemäß der laufenden Leistung des Motors zugeordnet sind.
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 400 zum Erkennen von Ammoniakschlupf in einer SCR-Vorrichtung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das Verfahren 400 wird durch die Steuerung 238 in einem oder mehreren Beispielen implementiert. Alternativ wird das Verfahren 400 durch einen oder mehrere elektrische Schaltungen implementiert. In einem oder mehreren Beispielen wird das Verfahren 400 durch Ausführen von Logik implementiert, die in Form von computerlesbaren und/oder ausführbaren Anweisungen bereitgestellt oder gespeichert werden kann.
Das Verfahren 400 beinhaltet das Empfangen einer Messung von NOx vom stromabwärtigen NOx-Sensor 242b und der Temperatur der SCR-Vorrichtung vom Temperatursensor 244, wie bei 405 dargestellt. Weiterhin wird geprüft, ob sich der ICE 26 in einem vorab ausgewählten Motorbetriebszustand befindet, beispielsweise in einem „stationären“ Betriebszustand, in dem NO_x das vom Motor erzeugt wird, im Wesentlichen konstant ist, wie in den Verfahrensschritten 410 und 415 dargestellt. So kann beispielsweise ein stationärer Betriebszustand in einer Ausführungsform einem Zustand entsprechen, in dem das Kraftfahrzeug 10 motorisiert ist, beispielsweise die Motordrehzahl oder die Last im Wesentlichen konstant ist. In einer Ausführungsform wird ein Gradient für die SCR-Temperatur und das NOx stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 220 gemessen/bestimmt. Eine Steigung von jeweils weniger als einem ausgewählten Schwellenwert zeigt an, dass der ICE 26 in einem stationären Zustand arbeitet. In einer Ausführungsform sind diese beiden Gradienten skalar und abhängig von der Katalysatorleistung. In einer Ausführungsform wird beispielsweise ein Temperaturgradient von weniger als 0,5 - 1°C/s verwendet, während ein Gradient im stromaufwärtigen NOx von weniger als 1-5ppm/s verwendet wird. Es ist zu beachten, dass, obwohl spezifische Werte oder Bereiche angegeben wurden, um die Funktionsweise der beschriebenen Ausführungsformen zu veranschaulichen, andere Steigungen und Werte möglich sind und innerhalb der Bandbreite und des Umfangs der Ansprüche liegen. Eine mögliche Technik zur stationären Identifikation ist beispielsweise die Frequenzanalyse des stromaufwärtigen NOx-Sensors 242a. Im stationären Zustand des Motors bleibt die NOx-Konzentration stabil, wobei in diesem Zustand der RMS-Wert des hohen Frequenzgehalts der Signale des NOx 242a niedrig ist (z. B. Schwellenwerte um 5 bis 10 ppm für Frequenzen über 0,01Hz).
Das Verfahren fährt mit dem Erkennen der NH₃ Schlupferkennung für andere Betriebszustände des ICE 26 fort und durchläuft diese Schritte, bis die vorgewählten stationären Betriebszustände des Entscheidungsblocks 415 erkannt werden, wie bei 420 dargestellt. Wenn der ICE 26 als im stationären Zustand betrieben wird, führt das Verfahren eine stationäre NH₃ Schlupferkennung für den stationären Betrieb des ICE 26 durch, wie bei 420 dargestellt. Die stationäre NH₃-Schlupferkennung beinhaltet das Berechnen eines vorhergesagten stromabwärtigen NOx-Werts basierend auf dem chemischen Modell 250 der SCR-Vorrichtung 220, wie durch 421 dargestellt. Der vorhergesagte stromabwärtige NOx-Wert wird basierend auf den hierin beschriebenen halbgeschlossenen Regelkreisberechnungen ermittelt, zusammen mit einem oder mehreren Sensorwerten, wie beispielsweise Eingangs-/Ausgangstemperatur, Eingangs-/Ausgangsdruck und früheren NOx-Messungen. Die Schlupferkennung beinhaltet weiterhin das Vergleichen der NOx-Messung des Sensors 242b, wie sie durch 422 dargestellt wird, mit dem vorhergesagten stromabwärtigen NOx-Wert und/oder das Bestimmen einer Differenz zwischen den beiden Werten. Die Differenz kann in einem oder mehreren Beispielen als NOx-Messfehler bezeichnet werden.
Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Vergleichen des Absolutwerts (d. h. der Größe) des NOx-Messfehlers mit einem Schwellenwert, wie bei 425 dargestellt. Wenn die Differenz gering ist, dann korrespondieren die NOx-Emissionen und die vom chemischen Modell 250 berechneten Werte und eine weitere Auswertung ist nicht erforderlich. Mit anderen Worten, wenn die Größe des NOx-Messfehlers kleiner ist als (oder gleich) ein ausgewählter Schwellenwert, wird davon ausgegangen, dass die SCR-Vorrichtung 220 ohne NH₃ Schlupf arbeitet, und der Betrieb wird fortgesetzt, wie bei 426 dargestellt. Wenn die Größe des NOx-Messfehlers größer als der Schwellenwert ist, fährt das Verfahren mit der Störungsprüfung der beschriebenen Ausführungsformen fort, wie in Zeile 428 dargestellt. Auch hier ist zu beachten, dass der gewählte Schwellwert ein einfacher Skalar sein kann und in Abhängigkeit von den Komponenten und der Konfiguration des Systems gewählt wird. In einer Ausführungsform wird eine Schwellenwertdifferenz von 30 -60 ppm/s verwendet, wobei andere Werte möglich sind.
Es ist zu beachten, dass die NOx-Messung und der vorhergesagte Wert eine NOx-Konzentration in den Abgasen 216 anzeigen. In diesem Fall kann der vorgegebene Schwellenwert in einem oder mehreren Beispielen einer vorgegebenen Konzentration von NOx entsprechen, beispielsweise 37,5 ppm (oder jedem anderen Wert). In einem oder mehreren Beispielen kann der vorgegebene Wert basierend auf einer festgelegten Statistik, wie beispielsweise einer Standardabweichung, zum Beispiel 1,5 Standardabweichung, ermittelt werden. So kann beispielsweise der vorgegebene Wert auf einen modellierten stromabwärtigen NOx-Wert kalibriert werden, der als akzeptabel angesehen wird. In einer Ausführungsform wird das gemessene stromabwärtige NOx somit auf den erwarteten Fehler des Sensors normiert. Der normierte Fehler, in diesem Beispiel 1,5, wird dann mit dem Schwellenwert für den Eintritt in die stationäre Schlupferkennungslogik verglichen. Der vorgegebene Wert der Konzentration des NOx, der in diesem Fall als Vergleichsschwellenwert verwendet wird, wird basierend auf den früheren Werten des vom NOx-Sensor 242b' gemessenen NOx berechnet. Mit anderen Worten, im vorstehenden Beispielszenario wird 37,5 ppm als Schwellenwert verwendet, da 37,5 der 1,5 Standardabweichungswert früherer NOx-Messungen ist. Es ist zu beachten, dass in einem oder mehreren Beispielen die NOx-Messung und der vorhergesagte Wert vom chemischen Modell 250 eine NOx-Durchflussrate oder ein anderes NOx-Attribut (anstelle der NOx-Konzentration) sein kann.
Fortfahrend mit 4 und dem Verfahren zum Erkennen eines NH₃ Schlupfzustands 400 gemäß einer Ausführungsform. Nach Zeile 428, am Prozessblock 430, wird das Verfahren mit der Speicherung der Daten bezüglich der verwendeten NOx-Sensorinformationen und der aktuellen DEF-Einspritzung fortgesetzt. Ein Störeingang wird erzeugt und auf die NH₃ Einspritzung angewendet. In einer Ausführungsform ist der Störeingang im Wesentlichen ein einzelner Zyklus einer Rechteckwelle mit entgegengesetzten Polaritätsspitzen, auch als Dublett bezeichnet. Die Größe der Einspritzstörung ist ein Prozentsatz der aktuellen DEF-Einspritzung für den stationären Betrieb des Emissionssteuerungssystems 34. In einer Ausführungsform entspricht die Größe dem gespeicherten stationären Wert für die DEF-Injektion plus einem Inkrement für die erste Hälfte und minus einem Inkrement für die zweite Hälfte. Ebenso kann die Dauer der Störung in Abhängigkeit von Faktoren und Betriebsparametern des Emissionssteuerungssystems gewählt werden. So kann beispielsweise die prozentuale Größe und Dauer der Störung in einer Ausführungsform eine Funktion des stationären Abgasstroms durch die SCR-Vorrichtung 220 und der vom Temperatursensor 244 gemessenen Temperatur sein. Es ist zu beachten, dass im Allgemeinen die Größe und Dauer der Störung so groß gewählt werden sollte, dass sie zumindest einen messbaren Einfluss auf das Ansprechverhalten des Systems hat, der für die Messung ausreicht, ohne dass dies zu einer Gesamtauswirkung auf den stationären Betrieb des Emissionsminderungssystems 34 führt. 5 zeigt eine exemplarische grafische Darstellung des Zeitverlaufs 500, welche die Störung 502 als Zugabe zur nominalen DEF-Einspritzung darstellt. In der Figur ist zu erkennen, dass eine nominelle stationäre Dosierung von 50 mg/s NH₃ vorliegt. Pfeil 505 zeigt an, wenn der Wert des NOx-Modells 250, wie durch 504 dargestellt, von den Daten des NOx-Sensors über einen Schwellenwert hinaus abweicht (dargestellt als 506). Wenn die durch Pfeil 505 dargestellte Abweichung groß genug ist, wird die Störung wie bei 508 dargestellt ausgelöst.
Weiter mit 4, mit der Einleitung der Störung, wie unter dem Verfahrensschritt 435 dargestellt, wird der vom stromabwärtigen Sensor 242b gemessene Gradient des NOx mit den stationären Werten vor der Störung verglichen und in Schritt 430 gespeichert. Basierend auf dem Vergleich, wie im Verfahrensschritt 440 dargestellt, wenn die Menge an zugegebenem NH₃ vom Katalysator in der SCR-Vorrichtung 220 nicht vollständig verbraucht wird und einen ausgewählten Schwellenwert überschreitet, dann wird das Verfahren wie in Zeile 442 dargestellt wiederholt. In einer Ausführungsform ist der Schwellenwert eine Funktion der SCR-Eigenschaften. In einer Ausführungsform ist der Schwellenwert beispielsweise eine Funktion der vom Temperatursensor 244 gemessenen Temperatur der SCR-Vorrichtung 220. Darüber hinaus kann der Schwellenwert eine Funktion des NOx-Gehalts und/oder des Abgasstroms sein. In einer Ausführungsform liegt der Schwellenwert in der Größenordnung von 0,2 - 2,0g. Es ist zu beachten, dass, obwohl spezifische Werte oder Bereiche angegeben wurden, um die Funktionsweise der beschriebenen Ausführungsformen zu veranschaulichen, andere Steigungen und Werte möglich sind und innerhalb der Bandbreite und des Umfangs der Ansprüche liegen.
Zurück zur Figur, wenn der vom Katalysator in der SCR-Vorrichtung 220 verbrauchte NH₃ den gewählten Schwellenwert überschreitet, wird der Gradient des vom stationären Wert gemessenen NOx wie im Prozessentscheidungsblock 445 dargestellt ausgewertet. Wenn der Gradient einen anderen gewählten Schwellenwert überschreitet, wird eine NH₃ - Schlupfbedingung erkannt und wie in Zeile 446 und dem Prozessblock 450 dargestellt identifiziert. Wenn der Gradient kleiner oder gleich dem gewählten Schwellenwert ist, wird ein schlechter Wirkungsgrad und damit potenziell zu viel NOx erkannt und identifiziert, wie in Zeile 447 und Prozessblock 455 dargestellt. In einer Ausführungsform ist der Schwellenwert erneut eine Funktion der Eigenschaften der SCR-Vorrichtung. In einer Ausführungsform ist der Schwellenwert beispielsweise eine Funktion der vom Temperatursensor 244 gemessenen Temperatur der SCR-Vorrichtung 220. Darüber hinaus kann der Schwellenwert eine Funktion des NOx-Gehalts und/oder des Abgasstroms sein. In einer Ausführungsform liegt der Schwellenwert in der Größenordnung von 0,1ppm/sek. - 5,0 ppm/sek. Es ist zu beachten, dass, obwohl ein spezifischer Wert oder Bereiche angegeben wurden, um die Funktionsweise der beschriebenen Ausführungsformen zu veranschaulichen, andere Steigungen und Werte möglich sind und innerhalb der Bandbreite und des Umfangs der Ansprüche liegen.
In Bezug auf die Hardware-Architektur kann eine derartige Rechenvorrichtung einen Prozessor, Speicher und eine oder mehrere Ein- und/oder Ausgabeschnittstellen (E/A) beinhalten, die über eine lokale Schnittstelle kommunikativ gekoppelt sind. Die lokale Schnittstelle kann beispielsweise einen oder mehrere Busse und/oder andere drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein. Die lokale Schnittstelle kann zusätzliche Elemente aufweisen, die der Einfachheit halber weggelassen werden, wie beispielsweise Steuerung, Puffer (Zwischenspeicher), Treiber, Repeater und Empfänger, um die Kommunikation zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die lokale Schnittstelle Adress-, Steuer- und/oder Datenverbindungen beinhalten, um eine angemessene Kommunikation zwischen den vorgenannten Komponenten zu ermöglichen.
Wenn die Rechenvorrichtung in Betrieb ist, kann der Prozessor so konfiguriert sein, dass er die im Speicher gespeicherte Software ausführt, Daten zum und vom Speicher übermittelt und die Funktionen der Rechenvorrichtung im Allgemeinen gemäß der Software steuert. Software im Speicher, ganz oder teilweise, wird durch den Prozessor gelesen, eventuell im Prozessor gepuffert und dann ausgeführt. Der Prozessor kann eine Hardwarevorrichtung zum Ausführen von Software sein, insbesondere von im Speicher gespeicherter Software. Der Prozessor kann eine Spezialanfertigung oder ein handelsüblicher Prozessor sein, eine Zentraleinheit (CPU), ein Hilfsprozessor unter mehreren Prozessoren verbunden mit der Rechenvorrichtung, ein Mikroprozessor auf Halbleiterbasis (in Form eines Mikrochips oder Chipsatzes), oder allgemein eine Vorrichtung zur Ausführung der Software.
Der Speicher kann ein beliebiges oder eine Kombination von flüchtigen Speicherelementen (z. B. Arbeitsspeicher (RAM, wie DRAM, SRAM, SDRAM, VRAM, usw.)) und/oder nichtflüchtigen Speicherelementen (z. B. ROM, Festplatte, Band, CD-ROM, usw.) beinhalten. Darüber hinaus kann der Speicher elektronische, magnetische, optische oder andere Arten von Speichermedien enthalten. Zu beachten ist, dass der Speicher auch eine verteilte Architektur aufweisen kann, wobei verschiedene Komponenten voneinander entfernt liegen, auf die jedoch der Prozessor zugegriffen kann.
Die Software im Speicher kann ein oder mehrere separate Programme beinhalten, von denen jede eine geordnete Auflistung von ausführbaren Anweisungen zum Implementieren von logischen Funktionen beinhaltet. Eine als Software verkörperte Systemkomponente kann auch als Quellprogramm, ausführbares Programm (Objektcode), Skript oder jede andere Einheit mit einem Satz von auszuführenden Anweisungen ausgelegt werden. Bei der Konstruktion als Quellprogramm wird das Programm über einen Compiler, Assembler, Interpreter oder dergleichen übersetzt, der im Speicher enthalten sein kann oder nicht.
Die Eingabe-/Ausgabevorrichtungen, die an die E/A-Schnittstellen des Systems angeschlossen werden können, können Eingabevorrichtungen wie Tastatur, Maus, Scanner, Mikrofon, Kamera, Näherungsschalter usw. beinhalten. Weiterhin können die Eingabe-/Ausgabevorrichtungen auch Ausgabevorrichtungen beinhalten, beispielsweise einen Drucker, eine Anzeige usw., jedoch nicht ausschließlich. Schließlich können die Eingabe-/Ausgabevorrichtungen des Weiteren Vorrichtungen beinhalten, die sowohl Eingaben als auch Ausgaben übermitteln, beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, einen Modulator/Demodulator (Modem; zum Zugriff auf eine andere Vorrichtung, ein anderes System oder Netzwerk), eine Hochfrequenz (HF) oder einen anderen Sendeempfänger, eine Telefonschnittstelle, eine Brücke, einen Router usw.
Zu beachten ist, dass die 3, 4 und 5 die Architektur, Funktionalität und/oder den Betrieb einer möglichen Implementierung der Software darstellen. In dieser Hinsicht kann einer oder mehrere der Blöcke ein Modul, ein Segment oder einen Abschnitt eines Codes darstellen, der zum Implementieren der spezifizierten logischen Funktion(en) einen oder mehrere ausführbare Befehle umfasst. Zudem ist anzumerken, dass in einigen alternativen Implementierungen die in dem Block erwähnten Funktionen möglicherweise nicht in der angegebenen Reihenfolge auftreten. So können beispielsweise zwei nacheinander dargestellte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, bzw. die Blöcke können je nach der jeweiligen Funktionalität zum Teil in umgekehrter Abfolge ausgeführt werden.
Es ist zu beachten, dass jede der hierin beschriebenen Funktionen in jedem computerlesbaren Medium zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem Anweisungen ausführenden System, einem Gerät oder einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem computergestützten System, einem Prozessor enthaltenden System oder einem anderen System, das die Anweisungen von dem Anweisungen ausführenden System, dem Gerät oder der Vorrichtung abrufen und ausführen kann, enthalten sein kann. Im Kontext dieses Dokuments enthält ein „computerlesbares Medium“ das Speichern, Übermitteln, Verbreiten und/oder Transportieren des Programms zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Anweisungen ausführenden System, Gerät oder Vorrichtung. Das computerlesbare Medium kann beispielsweise ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, -gerät oder -vorrichtung sein. Spezifischere Beispiele (eine nicht erschöpfende Liste) für ein computerlesbares Medium sind eine tragbare Computerdiskette (magnetisch), ein Direktzugriffsspeicher (RAM) (elektronisch), ein Nur-Lese-Speicher (ROM) (elektronisch), ein löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM oder Flash-Speicher) (elektronisch) und ein tragbarer Nur-Lese-Speicher (CD-ROM) (optisch).
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen beinhalten, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „enthält“, „aufweist“, „verfügt über“, „ausgestattet mit“, „einschließlich“ und „hat“ sind nicht ausschließlich und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen hiervon aus.
Während die obige Offenbarung mit Bezug auf illustrative Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, aber alle Ausführungsformen beinhaltet, die in deren Umfang fallen.

Claims

Emissionssteuerungssystem (34) zum Behandeln von Abgas (216) in einem Kraftfahrzeug (10) mit einem Verbrennungsmotor (26), ICE, das Emissionssteuerungssystem (34) umfassend: eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion, SCR, (220); einen NOx-Sensor (242b); und ein Steuermodul (238), das konfiguriert ist, um eine Reduktionsmittelschlupferkennung durchzuführen durch: Bestimmen, ob sich die SCR-Vorrichtung (220) in einem stationären Betriebszustand mit einer stationären Reduktionsmitteleinspritzung befindet; Vergleichen einer stationären NOx-Messung vom NOx-Sensor (242b) mit einem vorhergesagten stationären NOx-Wert; und als Reaktion auf eine Größe der stationären NOx-Messung, die den vorhergesagten stationären NOx-Wert um einen ersten Schwellenwert überschreitet: Störung einer Reduktionsmitteleinspritzung, die dem stationären Zustand entspricht; wobei die Störung der Reduktionsmitteleinspritzung eine ausgewählte Größe und eine ausgewählte Dauer aufweist; Messen eines NOx-Werts, der sich aus der Störung der Reduktionsmitteleinspritzung ergibt, und Berechnen eines Gradienten im NOx-Wert, der sich aus der Störung der Reduktionsmitteleinspritzung in Bezug auf den im stationären Zustand gemessenen NOx-Wert ergibt; Bestimmen, ob das von der SCR-Vorrichtung (220) verbrauchte Reduktionsmittel (230), das aus der Störung resultiert, einen zweiten ausgewählten Schwellenwert überschreitet; und Ermitteln, ob ein Gradient des aus der Störung resultierenden NOx einen dritten ausgewählten Schwellenwert überschreitet, und Identifizieren eines reduzierenden Schlupfzustands, wenn ja, andernfalls Identifizieren eines schlechten Wirkungsgrads für die SCR-Vorrichtung (220), ferner mit einem Temperatursensor (244) und einem anderen NOx-Sensor (242a), worin der andere NOx-Sensor (242a) der SCR-Vorrichtung (220) vorgeschaltet ist und worin das Bestimmen das Berechnen eines Gradienten einer Temperatur der SCR-Vorrichtung (220) und eines Gradienten des von dem anderen NOx-Sensor (242a) gemessenen NOx beinhaltet.
Emissionssteuerungssystem (34) nach Anspruch 1, worin das Bestimmen weiterhin das Identifizieren der SCR-Vorrichtungen (220) als im stationären Zustand beinhaltet, wenn der Gradient einer Temperatur der SCR-Vorrichtung (220) kleiner als ein dritter ausgewählter Schwellenwert ist und ein Gradient des Nox, gemessen durch den anderen NOx-Sensor (242a), kleiner als ein vierter ausgewählter Schwellenwert ist.
Emissionssteuerungssystem (34) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin der vorhergesagte NOx-Wert auf einem chemischen Modell der SCR-Vorrichtung (220) basiert.
Emissionssteuerungssystem (34) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin sich der NOx-Sensor (242b) stromabwärts von der SCR-Vorrichtung (220) befindet.
Emissionssteuerungssystem (34) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin mindestens eine der ausgewählten Größenordnung und ausgewählten Dauer der Störung einer Reduktionsmitteleinspritzung basierend auf mindestens einer Größenordnung der stationären Reduktionsmitteleinspritzung, einem Abgasstrom und einer Temperatur vorliegt.
Emissionssteuerungssystem (34) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner mit einer Steuerung, die eine Reduktionsmitteldosierrate der SCR-Vorrichtung (220) entsprechend der Ermittlung zum Erreichen einer gewünschten NH₃-Speicherung anpasst.
Ein computerimplementiertes Verfahren (400) zum Steuern einer selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Vorrichtung (220) eines Abgassystems (30) eines Verbrennungsmotors (26), ICE, wobei das Verfahren (400) folgendes umfasst: Bestimmen, ob sich die SCR-Vorrichtung (220) in einem stationären Betriebszustand mit einer stationären Reduktionsmitteleinspritzung befindet; Vergleichen einer stationären NOx-Messung von einem NOx-Sensor (242b) mit einem vorhergesagten stationären NOx-Wert; und als Reaktion auf eine Größe der stationären NOx-Messung, die den vorhergesagten stationären NOx-Wert um einen ersten Schwellenwert überschreitet: Störung einer Reduktionsmitteleinspritzung, die dem stationären Zustand entspricht; wobei die Störung der Reduktionsmitteleinspritzung eine ausgewählte Größe und eine ausgewählte Dauer aufweist; Messen eines NOx-Werts, der sich aus der Störung der Reduktionsmitteleinspritzung ergibt, und Berechnen eines Gradienten im NOx-Wert, der sich aus der Störung der Reduktionsmitteleinspritzung in Bezug auf den im stationären Zustand gemessenen NOx-Wert ergibt; Bestimmen, ob das von der SCR-Vorrichtung (220) verbrauchte Reduktionsmittel (230), das aus der Störung resultiert, den zweiten ausgewählten Schwellenwert überschreitet; und Ermitteln, ob ein Gradient des aus der Störung resultierenden NOx einen dritten ausgewählten Schwellenwert überschreitet, und Identifizieren eines reduzierenden Schlupfzustands, wenn ja, andernfalls Identifizieren eines schlechten Wirkungsgrads für den SCR-Vorrichtung (220), worin das Bestimmen das Berechnen eines Gradienten einer Temperatur der SCR-Vorrichtung (220) und eines Gradienten des von dem anderen NOx-Sensor (242a) gemessenen NOx beinhaltet, wobei der andere NOx-Sensor (242a) der SCR-Vorrichtung (220) vorgeschaltet ist.