DE102019115658A1 - Verfahren für den betrieb und die diagnose von abgas-behandlungssystemen für verbrennungsmotoren - Google Patents

Verfahren für den betrieb und die diagnose von abgas-behandlungssystemen für verbrennungsmotoren Download PDF

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Abstract

Verbrennungsmotor-(ICE-)Abgasbehandlungssysteme schließen den ICE mit einem oder mehreren Zylindern, die dazu konfiguriert sind, ein Mischung aus Luft und Kraftstoff zu empfangen, die durch ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (AFR) zur Verbrennung darin definiert ist, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), der dazu konfiguriert ist, NOx-Spezies innerhalb des Abgases zu empfangen, und eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR) ein, die dazu konfiguriert ist, Abgas vom DOC zu empfangen. Verfahren zum Betrieb und Diagnostizieren derartiger Systeme schließen das Bestimmen eines Grundlinienwerts eines SCR-Leistungsparameters, der ungeeignet ist, über das Steuermodul, das Ändern des AFR, das Ändern des NO:NO-Verhältnisses am DOC-Auslass, anschließend das Bewerten eines zweiten Werts des SCR-Leistungsparameters und das Implementieren einer Steueraktion basierend auf dem zweiten Wert des SCR-Leistungsparameters ein.

Description

  • EINLEITUNG
  • Während des Verbrennungszyklus eines Verbrennungsmotors (internal combustion engine, ICE) werden Luft/Kraftstoff-Mischungen an die Zylinder des ICE bereitgestellt. Die Luft/Kraftstoff-Mischungen werden komprimiert und/oder gezündet und verbrannt, um ein Abtriebsdrehmoment bereitzustellen. Nach der Verbrennung verdrängen die Kolben des ICE die Abgase aus den Zylindern durch das Auslassventil in ein Abgassystem. Das von einem ICE abgegebene Abgas, insbesondere einem Dieselmotor, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen enthält, wie etwa Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickoxide (NOx) und Scheweloxide (SOx), sowie Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe), die Feinstaub darstellen. Flüssigkeiten können beispielsweise Wasser und Kohlenwasserstoffe einschließen.
  • Abgasbehandlungssysteme können in einer oder mehreren Komponenten Katalysatoren einsetzen, um einen Nachbehandlungsprozess zu erzielen, in dem beispielsweise das NOx reduziert und stattdessen akzeptablere Abgasbestandteile wie Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) zu produzieren. Eine Art der Abgasnachbehandlungstechnologie zur Reduzierung von NOx-Emissionen sind Vorrichtungen für die selektive katalytische Reduktion (selective catalytic reduction, SCR), die in der Regel ein Substrat oder einen Träger mit einer darauf angeordneten Katalysatorverbindung einschließen. Wenn das Abgas über den Katalysator geleitet wird, wandeln sie die bestimmte oder alle Abgasbestandteile in die gewünschten Verbindungen um, wie etwa nicht gesetzlich regulierte Abgasbestandteile. Üblicherweise wird stromaufwärts des SCR ein Reduktionsmittel in das heiße Abgas eingedüst, das zu Ammoniak zersetzt und durch den SCR absorbiert wird. Das Ammoniak reduziert dann das NOx in Gegenwart des SCR zu Stickstoff und Wasser. Eine andere Art der Abgasnachbehandlung ist eine Vorrichtung zur Oxidationskatalyse (OC), welche allgemein stromaufwärts vom SCR angeordnet ist und mehreren katalytischen Funktionen dient, einschließlich der Oxidation von HC- und CO-Spezies im Abgas. Weiterhin können OCs NO in NO2 umwandeln, um das NO: NOx-Verhältnis im Abgas zu ändern und den NOx-Reduktionswirkungsgrad des stromabwärtigen SCR zu erhöhen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Es werden Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor (ICE) bereitgestellt. Ein ICE-Abgasbehandlungssystem kann den ICE mit einem oder mehreren Zylindern, die dazu konfiguriert sind, eine Mischung aus Luft und Kraftstoff mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (air to fuel ratio, AFR) zur Verbrennung darin zu empfangen, ein Steuermodul, das dazu konfiguriert ist, das AFR zu steuern, eine Diesel-Oxidationskatalysator-Vorrichtung (diesel oxidation catalyst, DOC), die dazu konfiguriert ist, von dem ICE erzeugtes Abgas zu empfangen und NOx-Spezies im Abgas zu oxidieren, sowie eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) einschließen, die dazu konfiguriert ist, Abgas vom DOC, sowie ein Reduktionsmittel, das dem SCR gemäß einem oder mehreren Dosierparametern zudosiert wird, zu empfangen. Das Verfahren schließt ein, dass über das Steuermodul ein Grundlinienwert eines SCR-Leistungsparameters bestimmt wird, der ungeeignet ist, wobei über das Steuermodul das AFR mit einem ersten Änderungsbetrag in einer ersten Richtung relativ zu einem anfänglichen AFR geändert wird, und anschließend ein zweiter Wert für den SCR-Leistungsparameter beurteilt wird. Wenn der zweite Wert des SCR-Leistungsparameters relativ zum Grundlinienwert des SCR-Leistungsparameters verbessert wird, kann das Verfahren ferner die Implementierung einer Steueraktion basierend auf dem zweiten Wert des SCR-Leistungsparameters einschließen. Alternativ kann, wenn der zweite Wert des SCR-Leistungsparameters relativ zum Grundlinienwert des SCR-Leistungsparameters verschlechtert wird, das Verfahren weiter die Veränderung des AFR in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung mit einem zweiten Änderungsbetrag einschließen, der größer ist als der erste Änderungsbetrag, anschließend einen dritten Wert für den SCR-Leistungsparameter bewerten und eine Aktion basierend auf dem dritten Wert des SCR-Leistungsparameters implementieren. Die ICE treibt ein Fahrzeug an, und das Verfahren kann ferner einschließen, dass eine oder mehrere Fahrzeugfreigabebedingungen vor der Änderung des AFR erreicht sein müssen. Das Verfahren kann ferner das Bestimmen einer SCR-Temperatur über einem Leistungstemperaturschwellenwert vor der Bestimmung des Grundlinienwerts für den SCR-Leistungsparameter, der ungeeignet ist, einschließen. Das Verfahren kann ferner, nach dem Bestimmen des Grundlinienwerts für den SCR-Leistungsparameter. der ungeeignet ist, und bevor das AFR geändert wird, das Einstellen eines oder mehrere Reduktionsmittel-Dosierparameter einschließen. Der SCR-Leistungsparameter kann einer oder mehrere aus einem NOx-Reduktionseffizienz-Parameter, einem NOx-Durchbruchparameter und einem NH3-Schlupfparameter sein. Die erste Änderungsrichtung des AFR kann auf der Grundlage eines Alters des DOC ausgewählt werden. Das Ändern des AFR in die erste Richtung kann das Erhöhen des AFR relativ zum anfänglichen AFR einschließen, wenn das DOC-Alter über einem Altersschwellenwert liegt. Das Ändern des AFR in die erste Richtung kann das Verringern des AFR relativ zum anfänglichen AFR einschließen, wenn das DOC-Alter unter einem Altersschwellenwert liegt. Wenn entweder der zweite Wert des SCR-Leistungsparameters oder der dritte Wert des SCR-Leistungsparameters ungeeignet ist, kann die Implementierung der Steueraktion ein oder mehrere Elemente aus der Implementierung einer DOC-spezifischen Steueraktion, die das Fahrzeug zugehörig zum ICE-Abgasbehandlungssystem in seiner Drehzahl begrenzt, und einer Leistungsbegrenzung des Fahrzeugantriebs zugehörig zum ICE-Abgasbehandlungssystem einschließen. Wenn entweder der zweite Wert des SCR-Leistungsparameters oder der dritte Wert des SCR-Leistungsparameters geeignet ist, kann die Implementierung der Steueraktion ein oder mehrere von der Implementierung einer nicht DOC-spezifischen Steueraktion, der Drehzahlbegrenzung des Fahrzeugs zugehörig zum ICE-Abgasbehandlungssystem und der Leistungsbegrenzung des Fahrzeugantriebs zugehörig zum ICE-Abgasbehandlungssystem einschließen.
  • Es wird ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Diesel-Oxidationskatalysators (DOC) eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor (ICE) bereitgestellt. Das ICE-Abgasbehandlungssystem schließt den ICE, der einen oder mehrere Zylinder einschließt, die dazu konfiguriert sind, eine Mischung aus Luft und Kraftstoff mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (AFR) zur Verbrennung darin zu empfangen, ein Steuermodul, das dazu konfiguriert ist, das AFR zu steuern und NOx-Spezies innerhalb des Abgases zu oxidieren, und eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR) ein, die dazu konfiguriert ist, Abgas vom DOC zu empfangen. Das Verfahren kann das Bestimmen, durch das Steuermodul, eines Grundlinienwerts eines SCR Leistungsparameter, der ungeeignet ist, die Änderung, durch das Steuermodul, des AFR, anschließend eine Bewertung eines zweiten Werts des SCR Leistungsparameters und die Implementierung einer Steueraktion, wenn der zweite Wert des SCR Leistungsparameter ungeeignet ist, einschließen. Das Ändern des AFR kann das Reduzieren des AFR einschließen, wenn ein Alter des DOC unter einem Altersschwellenwert liegt. Das Ändern des AFR kann das Erhöhen des AFR einschließen, wenn ein Alter des DOC über einem Altersschwellenwert liegt. Das Verfahren kann ferner das Bestimmen einer SCR-Temperatur über einem Leistungstemperaturschwellenwert vor der Bestimmung des Grundlinienwerts für den SCR-Leistungsparameter, der ungeeignet ist, einschließen. Der SCR-Leistungsparameter kann einen oder mehrere von einem NOx-Reduktionseffizienzparameter, einem NOx-Durchbruchparameter und einem NH3-Schlupfparameter einschließen. Das Implementieren der Steueraktion kann eines oder mehrere der Implementierung einer DOC-spezifischen Steueraktion, die einen Fahrzeugantrieb zugehörig zum ICE-Abgasbehandlungssystem drehzahlbegrenzt, und einer Leistungsbegrenzung des Fahrzeugs zugehörig zum ICE-Abgasbehandlungssystem einschließen.
  • Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor (ICE) bereitgestellt. Das ICE-Abgasbehandlungssystem kann den ICE, der einen oder mehrere Zylinder einschließt, die dazu konfiguriert sind, eine Mischung aus Luft und Kraftstoff zur Verbrennung darin zu empfangen, ein Steuermodul, das dazu konfiguriert ist, ein Verhältnis von Luft und Brennstoff in dem einem oder den mehreren Zylindern der ICE zu empfangen und NOx-Spezies im Abgas zu oxidieren, und eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR), die dazu konfiguriert ist, Abgas vom DOC zu empfangen, einschließen. Das Verfahren kann das Bestimmen einer SCR-Temperatur unter einem Leistungstemperaturschwellenwert und das Erhöhen des AFR über das Steuermodul einschließen, um die SCR-Leistung zu verbessern. Das Verfahren kann ferner vor der Erhöhung des AFR über das Steuermodul das Bestimmen einschließen, ob der Grundlinienwert eines SCR-Leistungsparameters ungeeignet ist. Der SCR-Leistungsparameter kann einen oder mehrere von einem NOx-Reduktionseffizienzparameter, einem NOx-Durchbruchparameter und einem NH3-Schlupfparameter einschließen. Das Verfahren kann ferner die anschließende Bestimmung einer SCR-Temperatur über dem Leistungstemperaturschwellenwert und die Absenkung des AFR über das Steuermodul einschließen.
  • Andere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Ausführungsbeispiele werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich.
  • Figurenliste
    • 1 veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Kraftfahrzeugs gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
    • 2 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines Abgasbehandlungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen,
    • 3 veranschaulicht einen Graphen der NOx-Reduktionseffizienz einer Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion als eine Funktion des ihr gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen mitgeteilten Abgas-NO2:NOx-Verhältnisses;
    • 4A veranschaulicht ein Balkendiagramm der NO2/NOx-Konzentrationsprozentsätze am Auslass einer Dieseloxidations-Katalysatorvorrichtung, die Abgasströme mit variierenden Mengen an Kohlenwasserstoffen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen empfängt;
    • 4B veranschaulicht ein Balkendiagramm der NO2/NOx-Konzentrationsprozentsätze am Auslass einer Dieseloxidations-Katalysatorvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, die Abgasströme mit variierenden Mengen an O2 empfängt; und
    • 5 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des Abgasbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich, dass die offenbarten Ausführungsformen nur Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert sein, um Details zu bestimmten Komponenten zu zeigen. Bestimmte hierin offenbarte strukturelle und funktionale Details sind daher nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Basis für die Lehre eines Fachmanns, die vorliegende Erfindung in vielfältiger Weise einzusetzen. Wie der Durchschnittsfachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die in Bezug auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
  • Im Allgemeinen betrifft diese Offenbarung Systeme und Verfahren für den Betrieb und die Diagnose von Verbrennungsmotoren (ICE) und Abgasbehandlungssystemen, insbesondere solche, die Vorrichtung zur Oxidationskatalyse (OC) und Vorrichtungen zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) einschließen. Insbesondere überwachen die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren die Leistung von OCs und SCRs, optimieren deren Leistung und stellen ferner Linderungssmaßnahmen bereit, die als geeignet bestimmt werden. Die hierin offenbarten Verfahren sind besonders geeignet zur Verwendung mit ICE-Abgasnachbehandlungssystemen, obwohl andere Anwendungen ebenfalls vorgesehen sind. Die hierin beschriebenen Verfahren sind relevant für ICE-Systeme, die Dieselmotorsysteme, Benzindirekteinspritzsysteme und Verbrennungsmotorsysteme mit homogener Ladungskompressionszündung einschließen können, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein Verbrennungsmotorkann eine Vielzahl von an einer Kurbelwelle befestigten und sich hin und her bewegenden Kolben einschließen, die betreibbar an einer Gelenkwelle befestigt ist, wie etwa einer Fahrzeuggelenkwelle, um ein Fahrzeug anzutreiben (z. B. um ein Antriebsdrehmoment an die Gelenkwelle zu liefern). Zum Beispiel kann ein ICE jede Motorkonfiguration oder Anwendung sein, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. Automobil, Schiffe und dergleichen), sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Während der ICE im Zusammenhang mit einem Fahrzeug beschrieben wird (also z. B. ein Drehmoment erzeugt), liegen auch andere Nicht-Fahrzeuganwendungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung. Wenn daher auf ein Fahrzeug Bezug genommen wird, sollte eine derartige Offenbarung auch als für jede andere Anwendung eines Verbrennungsmotors anwendbar interpretiert werden.
  • Eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 101 ist veranschaulicht in 1. Das Kraftfahrzeug 101 ist in der Form eines Pickups (Nutzfahrzeug) gezeigt, es versteht sich jedoch, dass das Kraftfahrzeug 101 verschiedene Formen annehmen kann, einschließlich Personenkraftwagen, kommerziellen Transportfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und dergleichen. Das Kraftfahrzeug 101 schließt eine Karosserie 102 mit einem Motorraum 104 und gegebenenfalls einem Fahrgastraum 105 und/oder einer Ladefläche 107 ein. Der Motorraum 104 nimmt ein Verbrennungsmotorsystem 120, einschließlich eines Verbrennungsmotors 1, auf. Luft und Kraftstoff werden einem oder mehreren Zylindern (nicht gezeigt) des ICE 1 zur Verbrennung darin zugeführt. Der ICE 1 kann einen oder mehrere Zylinder (nicht gezeigt) einschließen, die jeweils einen Kolben (nicht gezeigt) aufnehmen können, der sich darin hin- und herbewegen kann. Luft und Kraftstoff werden in dem einen oder den mehreren Zylindern verbrannt, wodurch die jeweiligen Kolben darin hin- und herbewegt werden. Die Kolben können an einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) befestigt sein, die betreibbar an einer Fahrzeuggelenkwelle (nicht gezeigt) befestigt ist, um beispielsweise Traktionsdrehmoment daran zu liefern. Das ICE-System 120 schließt ferner ein Abgassystem 121 auf, das fluidisch mit einem Nachbehandlungs- oder Abgasbehandlungssystem 100 verbunden ist. Der durch das ICE-System 120 erzeugte Abgasstrom strömt durch das Abgasbehandlungssystem 100, um Emissionen zu reduzieren und/oder umzuwandeln, die durch ein Auspuffendrohr 122 in die Umgebung austreten können. Das Steuermodul 50 ist betriebsfähig mit dem Abgasbehandlungssystem 100 und dem ICE-System 120 verbunden. Das Steuermodul 50 kann dazu konfiguriert sein, um beispielsweise die Zufuhr von Luft und Kraftstoff zu dem einen oder den mehreren Zylindern des ICE 1 zu steuern. Die Steuerung der Zufuhr von Luft und Kraftstoff zu einem oder mehreren Zylindern des ICE 1 kann beispielsweise den Zeitpunkt einer solchen Zufuhr und das Verhältnis von Luft:Kraftstoff (das „AFR“) dieser Zufuhr einschließen. So wie in dieser Offenbarung verwendet, kann sich AFR auf das kollektive oder durchschnittliche AFR für alle Zylinder des ICE 1 beziehen, da verschiedene Zylinder eines bestimmten ICE 1 unterschiedliche AFR relativ zu anderen Zylindern aufweisen können.
  • 2 veranschaulicht ein Abgasbehandlungssystem 100 unter Verwendung eines OC und von SCR zur Behandlung und/oder Überwachung der Gasspezies, wie etwa Spezies des Abgases 8, die durch einen ICE 1 erzeugt werden. Das System 100 schließt im Allgemeinen eine oder mehrere Abgasleitungen 9 und eine oder mehrere stromabwärtige Abgasbehandlungsvorrichtungen ein. „Stromaufwärts“ und „stromabwärts“ sind in Bezug auf die Richtung der Strömung des Abgases 8 von dem ICE 1 definiert. Wie hierin verwendet, steht die Vielzahl von Elementen, die als stromaufwärts und/oder stromabwärts voneinander beschrieben werden, notwendigerweise in Fluidkommunikation miteinander. Die Abgasleitung 9, die mehrere Segmente umfassen kann, transportiert Abgas 8 von dem ICE 1 zu den verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 100. Der ICE 1 ist nur zu Veranschaulichungszwecken im System 100 eingeschlossen, und die Offenbarung hierin ist nicht auf Gasquellen beschränkt, die von ICE bereitgestellt werden. Es sollte sich ferner verstehen, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen zur Behandlung sämtlicher Abgasströme verwendet werden können, die Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO), HC oder andere chemische Spezies enthalten, welche vorzugsweise verbrannt oder anderweitig durch OC-Systeme oxidiert werden sollen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NOx“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NOx-Spezies können NyOx-Spezies einschließen, wobei y>0 und x>0 ist. Nicht einschränkende Beispiele für Stickoxide können NO, NO2, N2O, N2O2, N2O3, N2O4 und N2O5 einschließen. „HC“ bezieht sich auf brennbare chemische Spezies, die Wasserstoff und Kohlenstoff einschließen und schließt im Allgemeinen eine oder mehrere chemische Spezies von Benzin, Dieselkraftstoff oder dergleichen ein.
  • Das Abgas 8 wird aus der ICE 1 ausgestoßen und der Reihe nach erst an den OC 10 und dann zum SCR 20 geleitet. Eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 30 ist dazu konfiguriert, Reduktionsmittel 36, beispielsweise mit variablen Dosierraten, in die Abgasleitung 9 stromabwärts des OC 10 und stromaufwärts des SCR 20 einzuspritzen. Das System 100 kann optional eine Feinstaubfiltervorrichtung (nicht gezeigt) einschließen. Das Abgas 8 kann beispielsweise über das Auspuffendrohr 122 aus dem System 100 ausgestoßen werden. Das System 100 kann ferner ein Steuermodul 50 einschließen, das betriebsfähig über eine Anzahl von Sensoren verbunden ist, um den ICE 1 und/oder das Abgasbehandlungssystem 100 zu überwachen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam, zugewiesen oder als Gruppe verwendet) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Das Steuermodul 50 kann betriebsfähig mit dem ICE 1, dem OC 10, dem SCR 20 und/oder einem oder mehreren Sensoren verbunden sein. Zum Beispiel steht, wie gezeigt, das Steuermodul 50 in Kommunikation mit einem NOx-Sensor 60 stromaufwärts und einem NOx-Sensor 62 stromabwärts.
  • Im Allgemeinen schließt der SCR 20 alle Vorrichtungen ein, die ein Reduktionsmittel 36 und einen Katalysator zur Reduzierung von NOx-Spezies in die gewünschten chemischen Spezies einsetzen, einschließlich zum Beispiel zweiatomigen Stickstoff, Inertspezies, die Stickstoff enthalten, oder Spezies, die als annehmbare Emissionen betrachtet werden können. Das Reduktionsmittel 36 kann Ammoniak (NH3), wie etwa wasserfreies Ammoniak oder wässriges Ammoniak, sein oder aus einer stickstoff- und wasserstoffreichen Substanz wie etwa Harnstoff (CO(NH2)2) erzeugt werden, welche in der Lage ist, sich zu NH3 zu zersetzen oder anderweitig in Gegenwart von Abgas und/oder Wärme zu reagieren. Zusätzlich oder alternativ kann das Reduktionsmittel 36 jede Verbindung sein, die in der Lage ist, sich in Gegenwart von Abgas 8 und/oder Wärme zu Ammoniak zu zersetzen oder zu reagieren. Das Reduktionsmittel 36 kann in verschiedenen Umsetzungsformen mit Wasser verdünnt sein. Bei Umsetzungsformen, bei denen das Reduktionsmittel 36 mit Wasser verdünnt ist, verdampft Wärme (z. B. aus dem Abgas) das Wasser, und das Ammoniak wird dem SCR 20 zugeführt. Nicht ammoniakhaltige Reduktionsmittel können wie gewünscht als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Bei Umsetzungsformen, bei denen das Reduktionsmittel 36 Harnstoff enthält, reagiert der Harnstoff mit dem Abgas, um Ammoniak zu erzeugen, und Ammoniak wird zum SCR 20 zugeführt. Die Gleichung (1) unten stellt eine beispielhafte chemische Reaktion der Ammoniakproduktion über die Harnstoffzersetzung dar. CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2 (1)
  • Es sollte klar sein, dass die Gleichung (1) lediglich veranschaulichend ist, und es ist weder beabsichtigt, die Zersetzung von Harnstoff oder sonstigen Reduktionsmitteln 36 auf einen bestimmten einzelnen Mechanismus zu beschränken, noch die Wirkung von anderen Mechanismen auszuschließen. Die effiziente Zersetzung von Harnstoff zu NH3 erfordert üblicherweise Temperaturen über etwa 200 °C, und abhängig von der Menge an eingespritztem Harnstoff, zum Beispiel relativ zu einer Flussrate des Abgases 8, kann Harnstoff bei Temperaturen von weniger als etwa 200 °C kristallisieren. Dementsprechend werden die Einspritzereignisse für das Reduktionsmittel 36 und/oder die Dosiermengen üblicherweise basierend auf der Systemtemperatur und der Abgasflussrate 8 unter anderem derart bestimmt, dass die Harnstoffzersetzungsausbeute maximiert wird und die Harnstoffkristallisation minimiert wird.
  • Die Gleichungen (2) - (6) stellen beispielhafte chemische Reaktionen zur NOx-Reduktion unter Einschluss von Ammoniak bereit. 6NO+4NH3→5N2+6H2O (2) 4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O (3) 6NO2+8NH3→7N2+12H2O (4) 2NO2+4NH3+O2­3N2+6H2O (5) NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (6)
  • Es sollte klar sein, dass die Gleichungen (2) - (6) lediglich veranschaulichend sind und den SCR 20 nicht auf einen bestimmten NOx-Reduktionsmechanismus oder -Mechanismen beschränken oder die Wirkung von anderen Mechanismen ausschließen sollen. Der SCR 20 kann dazu konfiguriert sein, eine beliebige der oben beschriebenen NOx-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der obigen NOx-Reduktionsreaktionen und andere NOx-Reduktionsreaktionen auszuführen.
  • Wie in 2 gezeigt wird, schließt der SCR 20 eine katalytische Zusammensetzung (CC) 22 ein, die in einem Mantel oder einem Behälter untergebracht ist und allgemein eine stromaufwärtige Seite 20' (d. h. einen Einlass) und eine stromabwärtige Seite 20" (d. h. einen Auslass) definiert, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 9 und optional mit anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen (z. B. dem OC 10) angeordnet ist. Der Mantel oder der Behälter kann ein in Bezug auf die Abgasbestandteile im Wesentlichen inertes Material umfassen, wie etwa Edelstahl. Der SCR 20 ist so konfiguriert, dass er Abgas 8 und Reduktionsmittel 36 an der stromaufwärtigen Seite 20' empfängt. Das Reduktionsmittel 36 kann aus einem Reduktionsmitteltank (nicht gezeigt) zugeführt werden und in die Abgasleitung 9 an einer Stelle stromaufwärts von SCR 20 über einen Injektor 30 oder andere geeignete Zuführmittel eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel 36 kann in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit, oder einer wässrigen Lösung vorliegen, wie etwa einer wässrigen Harnstofflösung. Das Reduktionsmittel 36 kann im Injektor 30 mit Luft gemischt werden, um die Verteilung des eingespritzten Sprays zu unterstützen. Ein Turbolenzmischer 38 (d. h. ein Mischer) kann auch innerhalb der Abgasleitung 9 in unmittelbarer Nähe zum Injektor 30 und/oder SCR 20 zur weiteren Unterstützung bei der gründlichen Mischung von Reduktionsmittel 36 mit dem Abgas 8 und/oder zur gleichmäßigen Verteilung im gesamten SCR 20 und insbesondere innerhalb der CC 22 angeordnet sein.
  • Die CC 22 kann eine poröses Material mit großer Oberfläche sein, das NOx-Bestandteile im Abgas 8 in der Gegenwart eines Reduktionsmittels 36, wie etwa Ammoniak, effizient umwandeln kann. Beispielsweise kann die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith enthalten, der mit einer oder mehreren Basismetallkomponenten wie etwa Eisen (Fe), Kobalt (Cu), Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (w) und Kombinationen davon imprägniert ist. In einer besonderen 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-Typ-Zeolith, ein Y-Typ-Zeolith, ein ZM5-Zeolith, oder jede andere kristalline Zeolithstruktur sein, wie etwa ein Chabazit oder ein USY (extrem stabiler Y-Typ-)Zeolith. In einer besonderen Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer besonderen Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ. Geeignete CC 22 können eine hohe thermische strukturelle Stabilität aufweisen, besonders in Tandemanordnung mit Feinstaubfilter (z. B. Dieselfeinstaubfilter) oder bei Integration in selektive katalytische Reduktions-Filtervorrichtungen (SCRF), die über die hohe Temperatur des Abgases mit Rußverbrennungstechniken regeneriert werden. CC 22 kann optional ferner ein oder mehrere Basismetalloxide als Vermittler umfassen, um die SO3-Bildung weiter zu verringern und die Katalysatorlebensdauer zu verlängern. Das eine oder die mehreren Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO3, Al2O3 und MoO3 einschließen. In einer Ausführungsform kann WO3, Al2O3 und MoO3 in Kombination mit V2O5 verwendet werden.
  • Der SCR 20 kann eine Zündungstemperatur aufweisen, oberhalb der CC 22 eine gewünschte oder geeignete katalytische Aktivität oder Ausbeute aufweist (z. B. Reduktion von NOx-Spezies). Die Zündungstemperatur kann unter anderen Faktoren von der Art der katalytischen Materialien, aus denen CC 22 besteht, und der Menge an katalytischen Materialien, die im SCR 20 vorhanden sind, abhängig sein. Wenn der SCR 20 bei einer Temperatur unterhalb seiner Zündungstemperatur arbeitet, kann ein unerwünschter NOx-Durchbruch auftreten, bei dem NOx unreagiert oder ungelagert durch den SCR 20 hindurchfließt.
  • C 22 kann auf einem Substrat angeordnet sein, wie etwa einem Metall oder einem keramischen Ziegel, einer Platte, oder einer monolithischen Wabenstruktur. C 22 kann auf das Substrat zum Beispiel als Grundierung aufgebracht werden. Der Substratkörper kann aus einem Material gebildet sein, das in der Lage ist, den Temperaturen und der chemischen Umgebung zu widerstehen, die mit dem Abgasstrom 8 assoziiert sind. In einigen Ausführungsformen kann der Substratkörper eine oder mehrere Keramiken umfassen, wie etwa extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumkarbid, Siliciumnitrid, Zirkoniumoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkonsilikat, Sillimanit, Petalit oder ein und korrosionsfestes Metall wie etwa Titan oder Edelstahl. Das Substrat kann beispielsweise ein nicht sulfatierendes TiO2-Material umfassen. Ein Beispiel einer Abgasbehandlungsvorrichtung ist ein SCRF, der die katalytischen Aspekte von SCRs zusätzlich zu Feinstaubfilterfähigkeiten bereitstellt. Im Allgemeinen umfasst ein SCRF CC 22 auf einem Filtersubstrat, wie etwa einem Keramik- oder SiC-Wandfluss-Monolithfilter, gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schaumstoffe, gesinterte Metallfasern, etc. Jeder Bezug in dieser Offenbarung auf einen SCR soll SCRFs mit einschließen.
  • Der SCR 20 kann Reduktionsmittel lagern (d. h. aufnehmen und/oder abgeben), um mit dem Abgas 8 wechselzuwirken. Beispielsweise kann das Reduktionsmittel im SCR als Ammoniak gelagert werden. Während des Betriebs des SCR 20 kann das injizierte Reduktionsmittel 36 im SCR 20 gelagert und anschließend während der Reduktionsreaktionen mit NOx-Spezies wieder verbraucht werden. Ein gegebener SCR weist eine Reduktionsmittelkapazität auf, oder eine Menge an Reduktionsmittel oder Reduktionsmittelderivat, die er lagern kann. Die Menge an Reduktionsmittel, die in einem SCR in Bezug auf die SCR-Kapazität gelagert ist, kann als SCR - „Reduktionsmittelbeladung“ bezeichnet werden und in einigen Fällen als eine %-Beladung (z. B. 90 % Reduktionsmittelbeladung) angegeben werden.
  • Während des Betriebs des SCR 20 wird das injizierte Reduktionsmittel 36 im SCR 20 gelagert und während der Reduktionsreaktionen mit NOx-Spezies verbraucht, und es muss kontinuierlich nachgefüllt werden. Die Bestimmung der genauen Menge an Reduktionsmittel 36, die eingespritzt werden muss, ist entscheidend zur Beibehaltung von Abgasemissionen auf akzeptablen Niveaus: ein unzureichendes Niveau an Reduktionsmittel innerhalb des Systems 100 (z. B. im SCR 20) kann zu unerwünschten NOx-Spezies-Emissionen („NOx-Durchbruch“) aus dem System führen (z. B. über das Auspuffendrohr 122 des Fahrzeugs), während zu viel Reduktionsmittel 36-Injektion zu unerwünschten Mengen des Reduktionsmittels 36 führen kann, die durch den SCR 20 nicht umgewandelt werden oder aus dem SCR 20 als ein unerwünschtes Reaktionsprodukt austreten („Reduktionsmittelschlupf“). Reduktionsmittelschlupf und NOx-Durchbruch und im Allgemeinen ein ungeeigneter Umwandlungswirkungsgrad des SCR 20 können auch auftreten, wenn der SCR-Katalysator sich unter einer „Zündungstemperatur“ befindet.
  • Eine SCR-Dosierlogik kann verwendet werden, um eine Dosierung des Reduktionsmittels 36 und deren Anpassung zu befehlen, und sie kann durch das Steuermodul 50 implementiert werden. Zum Beispiel kann das Steuermodul 50 den Betrieb des Injektors 30 basierend auf einem chemischen Modell und einem gewünschten Reduktionsmittel-Lagerungssollwert (z. B. NH3) steuern, um eine Menge an Reduktionsmittel 36 zu bestimmen, die wie hierin beschrieben eingespritzt werden soll. Eine Reduktionsmitteleinspritzungs-Dosierrate (z. B. Gramm pro Sekunde) kann durch ein chemisches Modell des SCR bestimmt werden, das ein NH3-Lagerungsniveau des SCR 20 basierend auf einem oder mehreren Dosierungsparametern vorhersagt, die in der Regel gemessene und abgeleitete Prozesswerte des Systems 100 einschließen, wie etwa Signale von einem oder mehreren von Einspritzung des Reduktionsmittels 36 (z. B. Rückkopplung vom Injektor 30), NOx stromaufwärts (z. B. NOx-Signal vom NOx-Sensor 60 stromaufwärts), NOx stromabwärts (z. B. NOx-Signal vom NOx-Sensor 62 stromabwärts) und die Temperatur des Katalysators SCR 20, unter vielen anderen. Das chemische Modell des SCR 20 sagt ferner NOx-Niveaus vom Abgas 8 voraus, das aus dem SCR 20 ausgestoßen wird. Das chemische Modell des SCR und die nachstehend beschriebenen Strategien und Verfahren können durch das Steuermodul 50 oder alternativ durch eine oder mehrere elektrische Schaltungen oder durch die Ausführung einer Logik implementiert werden, die in Form von computerlesbaren und/oder ausführbaren Anweisungen bereitgestellt oder gespeichert sein können. Das chemische Modell des Katalysators SCR kann beispielsweise durch einen oder mehrere Prozesswerte über die Zeit aktualisierbar sein.
  • Der OC 10 ist eine Durchflussvorrichtung, die eine katalytische Zusammensetzung (CC) 12 aufweist und dazu konfiguriert ist, Abgas 8 zu empfangen. CC 10 wird im Allgemeinen zur Oxidation von verschiedenen Spezies von Abgas 8 verwendet, einschließlich der CO-Spezies, CO und NOx-Spezies. CC 12 kann in einem Gehäuse untergebracht sein, wie etwa einem Metallgehäuse, das eine Einlassöffnung (d. h. stromaufwärts) und Auslassöffnung (d. h. stromabwärts) aufweist, oder kann anderweitig dazu konfiguriert sein, strukturellen Halt bereitzustellen und den Fluidfluss (z. B. Abgas) durch den OC 10 zu erleichtern. Das Gehäuse kann idealerweise ein in Bezug auf die Abgasbestandteile im Wesentlichen inertes Material umfassen, wie etwa Edelstahl, und kann jede geeignete Form und Größe einschließlich einer zylindrisch geformten Kammer umfassen.
  • CC 12 kann viele verschiedene erste Oxidationskatalysatormaterialien und physikalische Konfigurationen davon umfassen, um HC, CO und NOx zu oxidieren. CC kann ferner ein Substrat umfassen, wie etwa eine poröse keramische Matrix oder dergleichen. Die Substrate können beispielsweise Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zeolith, Zirkonoxid, Titandioxid und/oder Lanthanoxid umfassen. Erste Oxidationskatalysatormaterialien können Metallkatalysatoren der Platingruppe, Metalloxidkatalysatoren und Kombinationen davon umfassen. Geeignete Metallkatalysatoren der Platingruppe können Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Ru (Ruthenium), Osmium (Os) oder Iridium (Ir) und Kombinationen davon, einschließlich deren Legierungen, einschließen. In einer Ausführungsform schließen geeignete Metalle Platin, Palladium, Rhodium und Kombinationen davon ein, einschließlich deren Legierungen. Geeignete Metalloxidkatalysatoren können beispielsweise Eisenoxide, Zinkoxide, Aluminiumoxide, Perowskite und Kombinationen davon einschließen. In einer Ausführungsform kann CC 12 Pt und Al2O3 umfassen. Es versteht sich, dass der CC 12 ist nicht auf die speziellen Beispiele oben beschränkt ist und jede katalytisch aktive Vorrichtung einschließen kann, die in der Lage ist, HC-die Spezies, CO und NOx-Spezies zu oxidieren. In vielen Ausführungsformen umfasst der CC 12 Zeolith, der mit einer oder mehreren katalytisch aktiven Basismetallkomponenten imprägniert ist. Der Zeolith kann ein β-Typ-Zeolith, ein Y-Typ-Zeolith, ein ZM5-Zeolith oder eine andere kristalline Zeolithstruktur wie etwa ein Chabazit oder ein USY (extrem stabiler Y-Typ-) Zeolith sein. In einer besonderen Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer besonderen Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ.
  • OC 10 kann NOx-Spezies im Abgas 8 oxidieren, die sich beispielsweise während der Verbrennung von Kraftstoff bilden können. Genauer gesagt wird der OC 10 zur Umwandlung von NO in NO2 verwendet, um das Verhältnis NO: NO2 im Abgas für stromabwärtige SCRs und/oder SCRFs zu optimieren, die im Allgemeinen effizienter arbeiten, wenn der Abgaszufuhrstrom ein NO :NO2-Verhältnis von etwa 1:1 aufweist. Zum Beispiel veranschaulicht 3 einen Graphen der NOx-Reduktionseffizienz eines bestimmten SCR als eine Funktion des NO2:NOx-Verhältnisses des ihm zugeführten Abgases. Das optimale NO2:NOx-Verhältnis für die SCR-Leistung hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der physikalischen Eigenschaften (z. B. Substratmaterial, katalytischer Beladung, SCR-Größe, etc.) und dem Alter des SCR.
  • Es wurde festgestellt, dass die O2- und HC-Konzentration im Abgas 8, das dem OC 10 zugeführt wird, sich auf die Oxidationseffizienz von NO zu NO2 auswirken kann. Zum Beispiel veranschaulicht 4A ein Balkendiagramm der NO2/NOx Konzentrationsanteile am Auslass eines DOC, der Abgasströme mit variierenden Mengen an HC (z. B. C3, H6, C3H8), gemessen vor dem DOC-Einlass, empfängt. Die Einlasstemperatur des DOC betrug 259 °C, und das Abgas stromaufwärts des DOC-Einlasses umfasst 506 ppm CO, zu 12 Vol.-% O2, zu 3,5 Vol.-% H2O, 33 ppm NO und 40 ppm NO2. Es ist ersichtlich, dass ein Verringern des HC-Gehalts im Abgas, das dem DOC zugeführt wird, die NOx-Oxidationsaktivität des DOC erhöht und somit die NO2-Konzentration im Abgas am DOC-Auslass erhöht. Ähnlich veranschaulicht 4B ein Balkendiagramm der NO2/NOx-Konzentrationsprozentsätze am Auslass eines DOC, der Abgasströme mit variierenden Mengen an O2 empfängt, wie stromaufwärts vom DOC-Einlass gemessen. Die Einlasstemperatur des DOC betrug 259 °C, und das Abgas stromaufwärts vom DOC-Einlass umfasst 506 ppm CO, zu 3,5 Vol.-% H2O, 310 ppm C3H6, 155 ppm C3H8, 33 ppm NO und 40 ppm NO2. Es ist ersichtlich, dass das Erhöhen des O2-Gehalts des Abgases, das dem DOC zugeführt wird, die NOx-Oxidationsaktivität des DOC erhöht und somit die NO2-Konzentration des Abgases am DOC-Auslass erhöht.
  • Es ist aufgrund der inhärenten Kreuzempfindlichkeit von NOx-Sensoren gegenüber NO2 und NOx schwierig, das Auslass-NO2:NOx-Verhältnis eines DOC zu bestimmen, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen. Wie in 3 veranschaulicht, wirkt sich das NO: NO2-Verhältnis im Abgas auf die NOx-Reduktionsleistung einer SCR 20 aus. Dementsprechend sind hier Verfahren zum Betrieb und zur Diagnose von ICE und Abgasbehandlungssystemen 100 bereitgestellt, die im Allgemeinen das Ändern des AFR-Verhältnisses in dem ICE 1 mit der Absicht einschließen, den Sauerstoff - und/oder HC-Gehalt des Abgases 8 zu verändern und dadurch die NOx-Oxidationsleistungseigenschaften des OC 10 zu beeinflussen und anschließend die NOx-Reduktionseigenschaften des selektiven SCR 20 zu beeinflussen. Veränderungen in der NOx-Reduktionsleistungeigenschaften des SCR 20 können leicht gemessen werden, zum Beispiel durch den stromabwärtigen NOx-Sensor 62, und solche Änderungen können verwendet werden, um Aspekte der Systems 100 zu diagnostizieren (z. B. die DOC-Leistung) und das ordnungsgemäße Management des Systems 100 weiter zu optimieren und allgemein zu informieren. Die Verfahren und Systeme werden in Bezug auf das Abgasbehandlungssystem 100 aus den 1 und 2 beschrieben, aber die Verfahren sollen nicht auf deren besondere Eigenschaften beschränkt sein. Die nachstehend beschriebenen Verfahren beschreiben notwendigerweise auch Steuermodule (z. B. das Steuermodul 50) und zugehörige Systeme (z. B. Abgasbehandlungssystem 100), die dazu konfiguriert sind, die beschriebenen Verfahren zu implementieren.
  • 5 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Verfahrens 500 zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems 100 für einen ICE 1. Das Verfahren 500 umfasst auch ein Verfahren zur Diagnose von OC 10. Wie oben diskutiert, umfasst der ICE 1 die Steuerung eines oder mehrerer Zylinder, die dazu konfiguriert sind, eine Mischung aus Luft und Kraftstoff, die ein AFR aufweist, zur Verbrennung darin zu empfangen, und das Steuermodul 50, das dazu konfiguriert ist, das AFR zu steuern. Das Steuermodul 50 kann auch dazu konfiguriert sein, die Dosierung des Reduktionsmittels 36 über einen oder mehrere Dosierungsparameter zu steuern. Das Verfahren 500 umfasst das Bestimmen 520 (z. B. über das Steuermodul 50) eines Grundwerts für den Leistungsparameter eines SCR 20, der ungeeignet ist, die Änderung 540 des AFR mit einer ersten Änderungsbetrag in einer ersten Richtung relativ zu einem anfänglichen AFR, und die anschließend die Bewertung 550 eines zweiten Wertes für den SCR-Leistungsparameter. Wenn der zweite Wert des Leistungsparameters für den SCR 20 bezüglich des Grundwerts des Leistungsparameters für den SCR 20 verbessert ist, umfasst das Verfahren 500 ferner das Implementieren 560 einer Steueraktion basierend auf dem zweiten Wert des SCR-Leistungsparameters. Wenn der zweite Wert des SCR 20-Leistungsparameters relativ zum Grundwert des SCR-Leistungsparameter verschlechtert ist, umfasst das Verfahren 500 ferner das Ändern 570 des AFR in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung mit einem zweiten Änderungsbetrag, der ist als der erste Änderungsbetrag, anschließend das Bewerten 571 eines dritten Wertes für den Leistungsparameter des SCR 20, und das Implementieren 572 einer Steueraktion basierend auf den dritten Wert des Leistungsparameters für den SCR 20.
  • Ein Leistungsparameter für den SCR 20 kann einen oder mehrere von einem NOx-Reduktionseffizienzparameter, einem NOx-Durchbruchparameter (z. B. einer Konzentration oder Flussrate von NOx stromabwärts des SCR 20) und einem NH3-Schlupfparameter (z. B. einer Konzentration oder Flussrate von NH3 stromabwärts des SCR 20) umfassen. Jeder der SCR-Leistungsparameter kann relativ zu einem jeweiligen Schwellenwert als geeignet oder ungeeignet angesehen werden. Beispielsweise kann ein NOx-Reduktionseffizienzparameter als ungeeignet betrachtet werden, wenn er unter einem NOx-Reduktionseffizienz-Parameterschwellenwert liegt. In ähnlicher Weise kann ein NH3-Schlupfparameter als ungeeignet betrachtet werden, wenn er oberhalb einem NH3-Schlupfparameterschwellenwert liegt. In ähnlicher Weise kann ein NOx-Durchbruchparameter als ungeeignet betrachtet werden, wenn er über einem NOx-Durchbruchparameterschwellenwert liegt. In einer Ausführungsform kann die NOx-Reduktionseffizienz durch Gleichung (7) bestimmt werden: η g e m e s s e n d = 1 − ∫ N o x s t r o m a b w a ¨ r t s N O x s t r o m a u f w a ¨ r t s
    Figure DE102019115658A1_0001
    wobei NOxstromabwärts durch den stromabwärtigen NOx-Sensor 62 gemessen wird und NOxstromaufwärts durch den stromaufwärtigen NOx-Sensor gemessen wird 60. In ähnlicher Weise kann die Referenz-NOx-Reduktionseffizienz durch Gleichung (8) bestimmt werden: η R e f e r e n z = 1 − ∫ N o x S c h w e l l e N O x S t r o m a u f w a ¨ r t s
    Figure DE102019115658A1_0002
    wobei die NOxstromaufwärts durch den vorgeschalteten NOx-Sensor 60 gemessen wird, und NOxschweiie auf der Basis von Faktoren wie etwa NOxStromaufwärts, Abgasfluss 8, SCR 20-Temperatur und der SCR 20-Beladung mit Reduktionsmittel 36 bestimmt wird.
  • Das Verfahren 500 bestimmt dementsprechend, ob die Leistung des SCR 20 geeignet ist, und ändert das AFR des ICE 1, um das NO2:NOx-Ausgangsverhältnis am OC 10 zu verändern und so zur Verbesserung oder anderweitigen Optimierung des Leistungsparameters des SCR 20 beizutragen. Jedoch kann, ohne das aktuelle NO2:NOx-Ausgangsverhältnis des OC 10 zu kennen, nicht bestimmt werden, ob eine Erhöhung oder Verringerung des NO2:NOx-Ausgangsverhältnisses am OC-10 die Leistung des SCR 20 verbessern wird. Insbesondere unter Bezugnahme auf die in 3 veranschaulichten Daten gilt, wenn das Ausgangsverhältnis von NO2:NOx am OC 10 50 % beträgt, verbessert eine Erhöhung des Verhältnisses die Leistung des SCR 20 (durch Verschieben des Verhältnisses in Richtung des optimalen Verhältnisses), und eine Verringerung des Verhältnisses verschlechtert die Leistung des SCR 20 (durch Verschieben des Verhältnisses weg vom optimalen Verhältnis). In ähnlicher Weise wird, wenn das NO2:NOx-Ausgangsverhältnis vom OC 10 70 % beträgt, eine Erhöhung des Verhältnisses die Leistung des SCR 20 verschlechtern (durch Verschieben des Verhältnisses weg vom optimalen Verhältnis), und eine Verringerung des Verhältnisses die Leistung des SCR 20 verbessern (durch Verschieben des Verhältnisses in Richtung des optimalen Verhältnisses).
  • Wie oben beschrieben, wenn der zweite Wert für den Leistungsparameter des SCR 20 relativ zum Grundlinienwert des SCR-Leistungsparameters verschlechtert wird, umfasst das Verfahren 500 ferner das Ändern 570 des AFR in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung mit einem zweiten Änderungsbetrag, der größer ist als der erste Änderungsbetrag. In diesem Fall wurde das NO2:NOx-Ausgangsverhältnis vom OC 10 durch Änderung des AFR in die falsche Richtung (d. h. weg vom optimalen OC-10 NO2:NOx-Ausgangsverhältnis) geändert.
  • Im Allgemeinen erzeugt ein neuer OC 10 hohe Mengen an NO2 (d. h. der OC 10 zeigt eine hohe NOx-Oxidationsfähigkeit) und produziert sukzessive immer weniger NO2 für Abgase 8 mit einer bestimmten Zusammensetzung unter bestimmten Bedingungen, wenn er altert. Daher kann, wenn das AFR geändert wird 540, der erste Änderungsbetrag und/oder die erste Änderungsrichtung relativ zur anfänglichen AFR basierend auf dem Alter des OC 10 ausgewählt werden. Das Alter des DOC kann unter anderem auf Basis einer oder mehrerer Elemente aus verstrichener Zeit seit der OC-10-Installation im System 100, der kumulativen Betriebszeit (d. h. der Zeit, die mit dem Empfang von Abgas 8 verbracht wurde) und der Anzahl von extremen thermischen Ereignissen (z. B. Dieselfeinstaubfilter-Regenerationsereignissen) bestimmt werden. Genauer gesagt, wenn das AFR geändert wird 540, kann der erste Änderungsbetrag und/oder die erste Änderungsrichtung in Bezug auf das anfängliche AFR basierend auf dem Alter des OC 10 relativ zu einem Altersschwellenwert für den OC 10 gewählt werden. Der DOC-Altersschwellenwert kann so bestimmt werden, dass er eine korrekte Richtung der Änderung des AFR bewirkt (und somit eine korrekte Richtung der Änderung des OC 10-NO2:NOx Ausgangsverhältnisses zum optimalen NO2:NOx-Ausgangsverhältnis). Der DOC-Altersschwellenwert kann ein kalibrierter statischer Wert sein, der durch eine oder mehrere Nachschlagetabellen definiert ist, oder dynamisch basierend auf Faktoren, wie etwa den Betriebsbedingungen des OC 10 (z. B. DOC-Temperatur) und der Zusammensetzung des Abgases 8 bestimmt werden.
  • Dementsprechend umfasst bei einer Ausführungsform das Ändern 540 des AFR in der ersten Richtung eine Verringerung des AFR relativ zum anfänglichen AFR (und somit die Verringerung des NO2:NOx-Ausgangsverhältnisses des OC 10), wenn das Alter des OC 10 unter einem Altersschwellenwert liegt. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass der neuere OC 10 NO2 überproduziert und das NO2:NOx-Ausgangsverhältnis zum optimalen NO2:NOx-Ausgangsverhältnis des OC 10 hin verringert wird. Ebenso umfasst in einer anderen Ausführungsform das Ändern 540 des AFR in die erste Richtung einen Anstieg des AFR in Bezug auf ein anfängliches AFR (und somit eine Erhöhung des NO2:NOx-Ausgangsverhältnisses des OC 10), wenn der OC 10 ein Alter über einem Alterungsschwellenwert hat. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass der ältere OC 10 NO2 unterproduziert und dass das NO2:NOx-Ausgangsverhältnis am OC 10 in Richtung des optimalen Verhältnisses erhöht werden muss.
  • Der zweite Wert des Leistungsparameters für den SCR 20 oder der dritte Wert des Leistungsparameters für den SCR 20 kann verwendet werden, um die Art der in Schritt 560 oder 572 implementierten Steueraktion bekannt zu geben. In einer Ausführungsform kann, wenn der zweite Wert des Leistungsparameters für den SCR 20 oder der dritten Wert des Leistungsparameters für den SCR 20 ungeeignet ist, die Steueraktion zur Implementierung von 560 bzw. 572das Implementieren eines oder mehreres von Implementieren einer DOC-spezifischen Steueraktionen (z. B. Aktivieren eines DOC-Alarms, Wartung des DOC, Aktualisieren der SCR-Steuerlogik zum Widerspiegeln einer verringerten DOC-Leistungsfähigkeit), das Begrenzen der Fahrzeuggeschwindigkeit (z. B. Begrenzen der Geschwindigkeit auf ein Maximum von 80 km/h) und das Begrenzen der Leistung des Fahrzeugs umfassen. Die Geschwindigkeitsbegrenzung und/oder Leistungsbegrenzung kann in einigen Ausführungsformen 560 oder 572 als eine Steueraktion implementiert werden, nachdem eine erste Steueraktion (z. B. Aktivierung eines Alarms) in 560 oder 572 implementiert worden ist. Bei einer solchen Ausführungsform könnte eine geeignete Leistung des SCR 20 nicht einmal nach der Optimierung des NO2:NOx-Ausgangsverhältnisses am OC 10 erreicht werden, und der OC 10 kann somit als fehlerhaft oder in anderer Weise ungeeignet diagnostiziert werden. Das Aktivieren eines Alarms kann zum Beispiel das Aktivieren eines hörbaren Alarms, das Beleuchten einer Anzeige (z. B. einer Armaturenbrettanzeige) oder das anderweitige Alarmieren eines Systems (z. B. eines Fahrzeugkonnektivitätsnetzwerks) oder einer Person, über die ungeeignete Leistung und/oder ungeeigneten Fähigkeiten des OC 10 umfassen. Das Warten des OC 10 kann beispielsweise das Reparieren des OC 10 (z. B. Reinigen) oder den Austausch des OC 10 umfassen. Das Aktualisieren der Steuerlogik kann zum Beispiel das Aktualisieren des chemischen Modells oder der Dosierlogik für das Reduktionsmittel 36 für den SCR 20 umfassen.
  • In ähnlicher Weise umfasst bei einer Ausführungsform die Steueraktion, wenn entweder der zweite Leistungsparameter des SCR 20 oder der dritte Leistungsparameter des SCR 20 geeignet ist, das Implementieren 560 bzw. 572 einer nicht-DOC-spezifischen Steueraktion (z. B. Aktivierung eines nicht-DOC-Alarms, Aktualisierung der SCR-Steuerlogik, Wertung einer nicht-DOC-Vorrichtung, Diagnose einer nicht-DOC-Vorrichtung), einer Fahrzeuggeschwindigkeitseinschränkung (z. B. eine Begrenzung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf ein Maximum von 80 km/h) und eine Leistungsbegrenzung des Fahrzeugs. Die Geschwindigkeitsbegrenzung und/oder Leistungsbegrenzung kann in einigen Ausführungsformen 560 oder 572 als eine Steueraktion implementiert werden, nachdem eine erste Steueraktion (z. B. Aktivierung eines Alarms) in 560 oder 572 implementiert worden ist. Bei einer solchen Ausführungsform kann nach Erreichen der geeigneten SCR 20-Leistung, der DOC als in der Lage diagnostiziert werden, ausreichende Mengen von NO2 zu produzieren, und entsprechend müssen dann andere Vorrichtungen des Systems 100 diagnostiziert oder gewartet werden. Eine Nicht-DOC-Vorrichtung kann unter anderem den SCR 20, die Reduktionsmitteleinspritzdüse 30, den Tank zugehörig zu dem Reduktionsmittel 36, das dem Injektor 30 zugeführt wird, und einen oder mehrere Sensoren (z. B. NOx-Sensoren 60, 62) einschließen. Das Diagnostizieren eines oder mehrerer Aspekte des Tanks für das Reduktionsmittel 36 kann beispielsweise das Diagnostizieren eines Tankpegelsensors oder die Zusammensetzung des Reduktionsmittels 36 einschließen.
  • Das Aktivieren eines Alarms kann zum Beispiel das Aktivieren eines hörbaren Alarms, das Beleuchten einer Anzeige (z. B. einer Armaturenbrettanzeige) oder das anderweitige Alarmieren eines Systems (z. B. eines Fahrzeugkonnektivitätsnetzwerks) oder einer Person über die ungeeignete Leistung und/oder ungeeigneten Fähigkeiten der Nicht-DOC-Vorrichtung umfassen. Die Wartung an der Nicht-DOC-Vorrichtung kann beispielsweise das Reparieren der Nicht-DOC-Vorrichtung (z. B. das Reinigen) oder das Ersetzen der Nicht-DOC-Vorrichtung einschließen. Das Aktualisieren der Steuerlogik kann zum Beispiel das Aktualisieren des chemischen Modells oder der Dosierlogik für das Reduktionsmittel 36 für den SCR 20 umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen, in denen der ICE 1 ein Fahrzeug 101 antreibt, umfasst das Verfahren ferner das Erzielen 541 einer oder mehrerer Aktivierungsbedingungen für das Fahrzeug 101 vor dem Ändern des AFR in Schritt 540. Eine Aktivierungsbedingung kann unter anderem eine Fahrzeugbetriebsbedingung umfassen, in der sich ein Ändern 540 des AFR nicht ungeeignet auf die Fahrzeugleistung, -Sicherheit oder -Emissionsstandards auswirkt. Zum Beispiel kann eine Aktivierungsbedingung einen Fahrzeugbetriebszustand einschließen, in dem sich das Fahrzeug nicht im Leerlauf befindet oder beschleunigt.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 500 ferner das Bestimmen 510 der Temperatur des Katalysators SCR 20 umfassen (z. B. über einen Temperatursensor), die über einem Leistungstemperaturschwellenwert liegt, bevor das Bestimmen 520 des Grundlinienwerts des Leistungsparameters SCR 20 erfolgt, welcher ungeeignet ist. Der Leistungstemperaturschwellenwert kann beispielsweise die „Zündungstemperatur“ des SCR 20 sein. Falls die in 510 ermittelte Temperatur des SCR 20 unter dem Leistungstemperaturschwellenwert liegt, kann das Verfahren 500 unterbrochen werden, da die ungeeignete Leistung des SCR 20 der zu niedrigen Temperatur des SCR 20 und nicht der Leistung des OC 10 zugeschrieben werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 500 nach dem Bestimmen 520 des Grundlinienwerts des ungeeigneten Leistungsparameter für den SCR und vor dem Ändern 540 des AFR ferner das Einstellen 530 eines oder mehrerer Reduktionsmittel-Dosierparameter umfassen. Anschließend an das Einstellen 530 eines oder mehrerer Dosierparameter für das Reduktionsmittel 36 kann ein neuer Wert des Leistungsparameters für den SCR 20 bestimmt werden. Wenn der neue Wert des Leistungsparameters für den SCR 20 geeignet ist, kann das Verfahren 500 unterbrochen werden, da die ungeeignete Leistung des SCR 20 eher den Dosierattributen für das Reduktionsmittel 36 zugeschrieben werden kann als der Leistung des OC 10.
  • Das Verfahren 500 definiert ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems 100 für einen ICE 1 unter kalten Bedingungen. Kalte Bedingungen können Kaltstarts des ICE 1 oder allgemein eine Temperatur des SCR 20 unterhalb einer optimalen oder geeigneten Betriebstemperatur (z. B. unterhalb einer SCR-Zündungstemperatur) einschließen. Solch ein Verfahren kann das Bestimmen 510 der Temperatur des SCR 20 (z. B. über einen Temperatursensor) unterhalb eines Leistungstemperaturschwellenwerts und die Änderung 540 (z. B. über das Steuermodul 50) des AFR umfassen, um das AFR zu erhöhen (und somit die NO2-Konzentration und/oder den Durchfluss des Abgases am DOC-Ausgang zu erhöhen) und so die Leistung des SCR 20 zu verbessern (z. B. um den Leistungsparameter des SCR 20 zu verbessern). Die Änderung 540 des AFR (z. B. über das Steuermodul 50) kann gegebenenfalls ferner das nachträgliche Einspritzen von Kraftstoff in einen oder mehrere Zylinder der ICE 1 und/oder in den Auspuff in das Behandlungssystem 100 (z. B. in der Abgasleitung 9) stromaufwärts vom OC 10 umfassen, so dass der nacheingespritzte Kraftstoff unverbrannt zum OC 10 gelangt. Das Verfahren kann optional ferner das Bestimmen 520 umfassen (z. B. über das Steuermodul 50), ob ein Grundlinienwert eines Leistungsparameters für den SCR 20 ungeeignet ist, bevor das AFR erhöht wird (z. B. über das Steuermodul). Das Verfahren kann optional ferner nachfolgend das Bestimmen 541 einer Temperatur über dem Leistungstemperaturschwellenwert des SCR 20 und das Verringern 542 des AFR (z. B. über das Steuermodul) umfassen. Das Verringern 542 des AFR kann beispielsweise das Verringern des AFR zurück zum anfänglichen AFR vor der Änderung 540 des AFR umfassen.
  • Obwohl Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen erfasst werden. Die in der Patentschrift verwendeten Wörter sind Worte zur Beschreibung und nicht zur Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Während verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder bevorzugter gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf ein oder mehrere gewünschte Merkmale hätten bezeichnet werden können, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um die gewünschten Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der bestimmten Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt. Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert beschrieben werden als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften, liegen daher nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors (ICE), wobei das System den ICE, der einen oder mehrere Zylinderumfasst, die dazu konfiguriert sind, eine Mischung aus Luft und Kraftstoff zur Verbrennung darin zu empfangen, ein Steuermodul, das zur Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (AFR) konfiguriert ist, wobei dieses AFR an die Zylinder geliefert wird, eine Dieseloxidations-Katalysatorvorrichtung (DOC), die dazu konfiguriert ist, Abgas von der ICE zu empfangen und NOx-Spezies im Abgas zu oxidieren, und eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR), die dazu konfiguriert ist, Abgas vom DOC zu empfangen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmen einer SCR-Temperatur unter einem Leistungstemperaturschwellenwert; und Erhöhen des AFR über das Steuermodul, um die SCR-Leistung zu verbessern.
  2. Verfahren zum Betrieb des Abgasbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors (ICE), wobei das System den ICE einschließt, der einen oder mehrere Zylindern zur Empfangen einer Mischung aus Luft und Kraftstoff mit einem Verhältnis von Luft zu Kraftstoff (AFR) zur Verbrennung darin, ein Steuermodul zum Steuern des AFR, eine Dieseloxidationskatalysator-Vorrichtung (DOC), die dazu konfiguriert ist, Abgas von der ICE zu empfangen und die Oxidation von NOx-Spezies innerhalb des Abgases vorzunehmen, und eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zum Empfang von Abgas vom DOC und Reduktionsmittel, das dem SCR nach einem oder mehreren Dosierparameter zudosiert wurde, umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmung, eines Grundlinienwertes für einen SCR-Leistungsparameter durch das Steuermodul, der ungeeignet ist; Ändern des AFR über das Steuermodul mit einem ersten Änderungsbetrag in einer ersten Richtung relativ zu einem anfänglichen AFR; anschließendes Bewerten eines zweiten Werts des SCR-Leistungsparameters; und, wenn der zweite Wert des SCR-Leistungsparameters relativ zum Grundlinienwert des SCR-Leistungsparameters verbessert ist, Implementieren einer Steueraktion basierend auf dem zweiten Wert des SCR-Leistungsparameters, oder wenn der zweite Wert des SCR-Leistungsparameters relativ zum Grundlinienwert des SCR-Leistungsparameters verschlechtert ist: Ändern der AFR in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung mit einem zweiten Änderungsbetrag, der größer ist als der erste Änderungsbetrag, anschließendes Bewerten eines dritten Werts des SCR-Leistungsparameters, und Implementieren einer Steueraktion auf der Grundlage des dritten Werts des SCR-Leistungsparameters.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bestimmen einer SCR-Temperatur über einem Leistungstemperaturschwellenwert vor dem Bestimmen des Grundlinienwerts des SCR-Leistungsparameters, der ungeeignet ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend, im Anschluss an das Bestimmen des Grundlinienwerts des SCR-Leistungsparameters, der ungeeignet ist, und vor dem Ändern des AFR, das Einstellen eines oder mehrerer Reduktionsmittel-Dosierungsparameter.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der SCR-Leistungsparameter einen oder mehrere von NOx-Reduktionseffizienzparameter, NOx-Durchbruchparameter und einem NH3-Schlupfparameter umfassen kann.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Änderungsrichtung des AFR basierend auf dem Alter des DOC ausgewählt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ändern des AFR in der ersten Richtung das Erhöhen des AFR relativ zum ersten AFR umfasst, wenn das DOC-Alter über einem Altersschwellenwert liegt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ändern des AFR in der ersten Richtung eine Verringerung des AFR relativ zum ersten AFR umfasst, wenn das DOC-Alter unter einem Altersschwellenwert liegt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn entweder der zweite Wert des SCR-Leistungsparameters oder der dritte Wert des SCR-Leistungsparameters ungeeignet ist, das Implementieren der Steueraktion eines oder mehreres von Implementieren einer DOC-spezifischen Steueraktion, Begrenzen einer Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zugehörig zum ICE- Abgasbehandlungssystem und Begrenzen der Leistung eines Fahrzeugs zugehörig zum ICE-Abgasbehandlungssystem umfasst.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn entweder der zweite Wert des SCR-Leistungsparameters oder der dritte Wert des SCR-Leistungsparameters geeignet ist, das Implementieren der Steueraktion eines oder mehreres von Implementieren einer nicht-DOC-spezifischen Steueraktion, Begrenzen einer Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zugehörig zum ICE- Abgasbehandlungssystem und Begrenzen der Leistung eines Fahrzeugs zugehörig zum ICE-Abgasbehandlungssystem umfasst.
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US16/206,021 US10907521B2 (en) 2018-11-30 2018-11-30 Methods for operating and diagnosing internal combustion engine exhaust gas treatment systems

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