DE102009051742B4

DE102009051742B4 - Verfahren und System zur Abgasnachbehandlung in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009051742B4
Application number: DE102009051742A
Authority: DE
Inventors: David J. Cleary; Wei Li
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2029-11-04
Also published as: CN101737130A; DE102009051742A1; US20100107611A1; US8091348B2; CN101737130B

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Abgaszufuhrstroms von einem Verbrennungsmotor, der selektiv überstöchiometrisch betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst: Ausstatten des Motors mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das einen Dreiwege-Katalysator umfasst, der mit einer katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung fluidverbunden ist; Betreiben des Motors; Überwachen des Abgaszufuhrstroms; beruhend auf dem überwachten Abgaszufuhrstrom selektives Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung; und beruhend auf dem überwachten Abgaszufuhrstrom selektives Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung.

Description

Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft den Betrieb und die Steuerung von Verbrennungsmotoren, die selektiv überstöchiometrisch betreibbar sind, sowie zugehörige Abgasnachbehandlungssysteme.
Hintergrund
Die Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
Das Betreiben eines Verbrennungsmotors unter überstöchiometrischen Bedingungen kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessern, kann aber NOx-Emissionen steigern. Bekannte Nachbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren, die überstöchiometrisch arbeiten, können gemäß der DE 199 18 875 A1 einen Dreiwege-Katalysator stromaufwärts eines Mager-NOx-Reduktionskatalysators, der auch als Mager-NOx-Falle (hierin nachstehend ,LNT-Vorrichtung', kurz vom engl. Lean NOx Trap) bezeichnet wird, umfassen, der gemeinsam mit anderen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen verwendet werden kann. Bekannte Dreiwege-Katalysatoren (,TWC', kurz vom engl. Three-Way Catalytic Converters) dienen zum Oxidieren von aus dem Motor ausgestoßenen Kohlenwasserstoffen (,HC') und Kohlenmonoxid (,CO') und reduzieren die Emissionen von Sauerstoffnitriden (,NOx') während stöchiometrischen Motorbetriebs und oxidieren HC- und CO-Emissionen während Magerbetrieb.
Eine LNT-Vorrichtung adsorbiert während eines mageren Motorbetriebs NOx-Emissionen und arbeitet vorzugsweise in einem Temperaturbereich von etwa 250°C bis 450°C, wobei der Wirkungsgrad oberhalb und unterhalb dieses Temperaturbereichs sinkt. Der Wirkungsgrad bekannter LNT-Vorrichtungen kann aufgrund des Einwirkens von Elementen, die in Kraftstoff vorhanden sein, einschließlich Schwefel, gesenkt werden. Eine LNT-Vorrichtung erfordert eine regelmäßige Regeneration, um adsorbierte NOx-Elemente zu desorbieren und reduzieren. Regenerative Verfahren können das Betreiben des Verbrennungsmotors bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis umfassen, das über einen Zeitraum unterstöchiometrisch ist.
Während des Motorbetriebs kann eine Sauerstoffspeicherfähigkeit (nachstehend ,OSC', kurz vom engl. Oxygen Storage Capacity) während mageren Motorbetriebs mit Sauerstoff gesättigt werden. Während eines anfänglichen Teils des Regenerationsprozesses oxidiert der in dem TWC gespeicherte Sauerstoff vom Motor emittierte Reduktionsmittel (z. B. HC, CO, H2) und emittiert das aufbereitete Gemisch zu der LNT-Vorrichtung. Dieses Luft/Kraftstoff-Gemisch bewirkt, dass die LNT-Vorrichtung gespeichertes NOx desorbiert. Wenn die Reduktionsmittel in dem TWC während des anfänglichen Teils des Regenerationsprozesses aufgebraucht werden, können desorbierte NOx-Emissionen entweichen.
Bekannte Regenerationsverfahren umfassen das unterstöchiometrische Laufenlassen des Motors, um Reduktionsmittel zu erzeugen, die mit gespeichertem NOx reagieren, um den LNT zu regenerieren. Ein wesentlicher Teil der Reduktionsmittel wird von dem in dem TWC gespeicherten Sauerstoff aufgebraucht. Ferner führt das fette Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das zum Neutralisieren des in dem TWC gespeicherten Sauerstoffs erforderlich ist, zu einer Verzögerung der Zufuhr von Reduktionsmitteln zu dem LNT, was den Wirkungsgrad der NOx-Reduktion weiter senkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, den Wirkungsgrad eines NOx-Katalysators zu verbessern.
Zusammenfassung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 7 sowie durch ein Abgasbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gehört.
Ein Abgasnachbehandlungssystem ist mit einem Verbrennungsmotor fluidverbunden und mit einem Steuermodul signalverbunden. Das System besteht aus einem Dreiwege-Katalysator mit einem Abgasauslassrohr, eifern Strömungsumleitventil, das mit dem Motor funktionell verbunden und stromaufwärts des Dreiwege-Katalysators fluidisch angeschlossen ist, einem Abgasstromrohr mit einem mit dem Umleitventil fluidverbundenen ersten Ende und einem mit dem Abgasauslassrohr des Dreiwege-Katalysators fluidverbundenen zweiten Ende, einer katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung, die mit dem Auslassrohr des Dreiwege-Katalysators fluidverbunden ist, und einer NOx-Erfassungsvorrichtung, die stromabwärts der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung angeschlossen ist.
Ein Verfahren zum Steuern eines Abgaszufuhrstroms umfasst das Betreiben des Motors und das Überwachen des Abgaszufuhrstroms. Der Abgaszufuhrstrom wird beruhend auf dem überwachten Abgaszufuhrstrom selektiv durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung geleitet. Und der Abgaszufuhrstrom wird beruhend auf dem überwachten Abgaszufuhrstrom selektiv um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung umgeleitet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Motorssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
2 ein Flussdiagramm ist, das Abgasmanagement während LNT-Regeneration gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
3 graphisch CO-Durchbruch aus dem TWC sowie den NOx-Reduktionswirkungsgrad für unterschiedliche Sauerstoffwerte in dem TWC gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Eingehende Beschreibung
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen zeigt 1 schematisch einen Verbrennungsmotor 10, ein zugehöriges Steuermodul 5 und ein Abgasnachbehandlungssystem 70, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung konstruiert wurden. Der Motor 10 kann selektiv in mehreren Verbrennungsmodi betreibbar sein, einschließlich eines gesteuerten Selbstzündungsverbrennungsmodus, eines homogenen Fremdzündungsverbrennungsmodus und eines Fremdzündungsverbrennungsmodus mit Schichtladung. Der Motor 10 ist selektiv bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis und bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das vorrangig überstöchiometrisch ist, betreibbar. Die Offenbarung kann bei verschiedenen Verbrennungsmotorsystemen und Verbrennungszyklen angewendet werden.
Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Mehrzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der Hubkolben 14 aufweist, die in Zylindern 15, die Brennräume 16 veränderlichen Volumens festlegen, gleitend beweglich sind. Jeder Kolben 14 ist mit einer sich drehenden Kurbelwelle 12 verbunden, durch die eine lineare Hubbewegung in Drehbewegung umgewandelt wird. Ein Lufteinlasssystem liefert einem Ansaugkrümmer 29, der Luft in einen Einlasskanal zu jedem Brennraum 16 leitet und verteilt, Ansaugluft. Das Lufteinlasssystem umfasst ein Luftstrom-Rohrsystem und Vorrichtungen zum Überwachen und Steuern des Luftstroms. Die Lufteinlassvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen Luftmassensensor 32 zum Überwachen von Luftmassenstrom und Ansauglufttemperatur. Ein Drosselventil 34 umfasst vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Vorrichtung, die als Reaktion auf ein Steuersignal (,ETC') von dem Steuermodul 5 Luftstrom zu dem Motor 10 steuert. Ein Drucksensor 36 in dem Krümmer ist derart ausgelegt, dass er den Krümmerunterdruck und Luftdruck überwacht. Ein externer Strömungskanal führt Abgase von dem Motorauslass zu dem Ansaugkrümmer zurück, wobei er ein Strömungssteuerventil aufweist, das als Ventil 38 für Abgasrückführung (,AGR') bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 dient zum Steuern des Massenstroms von Abgas zu dem Ansaugkrümmer 29 durch Steuern des Öffnens des AGR-Ventils 38.
Luftstrom von dem Ansaugkrümmer 29 in jeden der Brennräume 16 wird durch ein oder mehrere Einlassventile 20 gesteuert. Das Strömen von verbrannten Gasen von jedem der Brennräume 16 zu einem Abgaskrümmer 39 wird durch ein oder mehrere Auslassventile 18 gesteuert. Das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 wird vorzugsweise mit einer doppelten Nockenwelle (wie dargestellt) gesteuert, deren Drehungen mit der Drehung der Kurbelwelle 12 verbunden und indiziert sind. Der Motor 10 ist mit Vorrichtungen zum Steuern von Ventilhub der Einlassventile und Auslassventile ausgestattet, die als Steuervorrichtungen für veränderlichen Hub (nachstehend ,VLC', kurz vom engl. Variable Lift Control) bezeichnet werden. Die Steuervorrichtungen für veränderlichen Hub dienen zum Steuern des Ventilhubs oder Öffnens zu einem von zwei unterschiedlichen Schritten, z. B. einem Ventilöffnen mit niedrigem Hub (etwa 4–6 mm) bei einem Motorbetrieb mit niedriger Drehzahl und niedriger Last und einem Ventilöffnen mit hohem Hub (etwa 8–10 mm) bei einem Motorbetrieb mit hoher Drehzahl und hoher Last. Der Motor ist weiterhin mit Vorrichtungen zum Steuern von Phaseneinstellung (d. h. relativer Zeitsteuerung) des Öffnens und Schließens der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 ausgestattet, die als veränderliche Nockenphaseneinstellung (nachstehend ,VCP', kurz vom engl. Variable Cam Phasing) bezeichnet wird, um eine Phaseneinstellung über das durch den zweistufigen VLC-Hub bewirkte Maß hinaus zu steuern. Für die Einlassventile 20 ist ein VCP/VLC-System 22 vorhanden, und für die Motorauslassventile 18 ist ein VCP/VLC-System 24 vorhanden. Die VCP/VLC-Systeme 22 und 24 werden durch das Steuermodul 5 gesteuert und liefern dem Steuermodul 5 eine Signalrückmeldung, zum Beispiel durch Nockenwellendrehstellungssensoren für die (nicht gezeigte) Einlassnockenwelle und die (nicht gezeigte) Auslassnockenwelle.
Die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Systeme 22 und 24 weisen beschränkte Zuständigkeitsbereiche auf, in denen das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 18 und 20 gesteuert werden kann. VCP-Systeme können einen Bereich der Phaseneinstellungszuständigkeit von etwa 60°–90° Nockenwellendrehung aufweisen, was es dem Steuermodul 5 erlaubt, das Öffnen und Schließen eines der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 auf früh oder spät zu verstellen. Der Bereich der Phaseneinstellungszuständigkeit wird durch die Hardware des VCP und das Steuersystem, das die VCP betätigt, festgelegt und beschränkt. Die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Systeme 22 und 24 können gesteuert durch das Steuermodul 5 mit Hilfe elektrohydraulischer, hydraulischer oder elektrischer Steuerkraft betätigt werden.
Der Motor 10 umfasst ein Kraftstoffeinspritzsystem, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 28 umfasst, die jeweils derart ausgebildet sind, dass sie als Reaktion auf ein Signal von dem Steuermodul 5 eine Kraftstoffmasse direkt in einen der Brennräume 16 einspritzen. Den Kraftstoffinjektoren 28 wird von einem (nicht gezeigten) Kraftstoffverteilungssystem druckbeaufschlagter Kraftstoff zugeführt.
Der Motor 10 umfasst ein Fremdzündungssystem, durch das als Reaktion auf ein Signal (,IGN') von dem Steuermodul 5 einer Zündkerze 26 Zündenergie zum Zünden oder Unterstützen des Zündens von Zylinderfüllungen in jedem der Brennräume 16 geliefert wird.
Der Motor 10 ist mit verschiedenen Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen von Motorbetrieb ausgestattet, darunter mit einem Kurbelwellenwinkelgeber 42, der eine Ausgabe (,U/min.') aufweist und zum Überwachen von Kurbelwellendrehstellung, d. h. Kurbelwinkel und -drehzahl, dient, einem Verbrennungssensor 30, der derart ausgelegt ist, dass er Verbrennung überwacht, und einem Abgassensor 40, der derart ausgelegt ist, dass er Abgase überwacht, typischerweise ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor. Der Verbrennungssensor 30 umfasst eine Sensorvorrichtung, die zum Überwachen eines Zustands eines Verbrennungsparameters dient, und ist als Zylinderdrucksensor dargestellt, der zum Überwachen von Verbrennungsdruck im Zylinder dient. Die Ausgabe des Verbrennungssensors 30 und des Kurbelwellenwinkelgebers 42 werden von dem Steuermodul 5 überwacht, das Verbrennungsphaseneinstellung, d. h. Zeitsteuerung von Verbrennungsdruck im Verhältnis zum Kurbelwinkel der Kurbelwelle 12 für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungszyklus, ermittelt. Der Verbrennungssensor 30 kann auch von dem Steuermodul 5 überwacht werden, um einen effektiven Mitteldruck (nachstehend ,IMEP') für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungszyklus zu ermitteln. Vorzugsweise sind der Motor 10 und das Steuermodul 5 mechanisiert, um Zustände des IMEP für jeden der Motorzylinder 15 während jedes Zylinderzündvorgangs zu überwachen und zu ermitteln. Alternativ können andere Erfassungssysteme verwendet werden, um Zustande anderer Verbrennungsparameter innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung zu überwachen. z. B. Zündsysteme mit Ionenerfassung und nicht intrusive Zylinderdrucksensoren.
Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die vorstehend erwähnten Aktuatoren zu steuern, um einen Motorbetrieb zu steuern, einschließlich Drosselklappenstellung, Zündzeitpunkt, Masse und Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung, Zeitsteuerung und Phaseneinstellung von Einlass- und/oder Auslassventilen und Stellung des AGR-Ventils, um einen Strom rückgeführter Abgase zu steuern. Die Zeitsteuerung und Phaseneinstellung von Ventilen umfasst (in einer Strategie zur erneuten Auslassbelüftung) NVO und Hub des erneuten Öffnens von Auslassventilen. Das Steuermodul 5 ist derart ausgelegt, dass es Eingangssignale von einem Fahrer (z. B. eine Gaspedalstellung und eine Bremspedalstellung), um eine Drehmomentanforderung des Fahrers zu bestimmen, und von den Sensoren empfängt, die die Motordrehzahl, die Ansauglufttemperatur und die Kühlmitteltemperatur sowie andere Umgebungsbedingungen angeben.
Das Steuermodul 5 ist vorzugsweise ein digitaler Mehrzweckcomputer, der allgemein einen Mikroprozessor oder eine zentrale Recheneinheit, Speichermedien mit einem nicht flüchtigem Speicher, der einen Festspeicher und einen elektrisch programmierbaren Festspeicher einschließt, einen Arbeitsspeicher, einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltungsanordnung sowie eine Schaltungsanordnung und Einrichtungen für Eingabe/Ausgabe und eine geeignete Schaltungsanordnung zur Signalaufbereitung und Pufferung umfasst. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen mit residenten Programmbefehlen und Kalibrierungen auf, die im nicht flüchtigen Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Computers vorzusehen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Algorithmen werden von der zentralen Recheneinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den vorstehend erwähnten Erfassungseinrichtungen zu überwachen und Steuerungs- und Diagnoseroutinen auszuführen, um einen Betrieb der Aktuatoren unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Schleifenzyklen können in regelmäßigen Intervallen, z. B. alle 3,125, 6,25, 12,5, 25, 25 und 100 Millisekunden während eines laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Bei Betrieb überwacht das Steuermodul 5 Eingaben von den vorstehend erwähnten Sensoren, um Zustande von Motorparametern zu ermitteln. Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die vorstehend erwähnten Aktuatoren zu steuern, um die Zylinderfüllung zu bilden, einschließlich Steuern von Drosselklappenstellung, Fremdzündungszeitpunkt, Masse und Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, Stellung des AGR-Ventils, um ein Strömen von rückgeführten Abgasen zu steuern, und Zeitsteuerung und Phaseneinstellung von Einlass- und/oder Auslassventilen bei derart ausgestatteten Motoren. Das Steuermodul 5 kann so arbeiten, dass es den Motor während laufenden Fahrzeugbetriebs ein- und ausschaltet, und kann so arbeiten, dass es einen Teil der Brennräume oder einen Teil der Ventile durch Steuerung von Kraftstoff und Zündung sowie Ventildeaktivierung selektiv deaktiviert.
Das Abgasnachbehandlungssystem 70 umfasst in dieser Ausführungsform einen Dreiwege-Katalysator 80 (nachstehend ,TWC'), einen katalysierten NOx-Adsorber 60 (nachstehend ,LNT-Vorrichtung'), ein Strömungsumleitventil 72 und ein Umgehungsrohr 74. Das Nachbehandlungssystem 70 ist mit dem Verbrennungsmotor 10 fluidverbunden und mit dem Steuermodul 5 signalverbunden sowie funktionell verbunden. Das Umleitventil 72 ist mit dem Motor 10, dem Dreiwege-Katalysator 80 und dem Umgehungsrohr 74 fluidverbunden und mit dem Steuermodul 5 funktionell verbunden. Das Strömungsumleitventil 72 kann das Strömen des Abgaszufuhrstroms direkt durch den Dreiwege-Katalysator 80 zu der LNT-Vorrichtung 60 steuern und kann Abgaszufuhrstrom von dem Motor 10 um den Dreiwege-Katalysator 80 herum und direkt in die katalysierte LNT-Vorrichtung 60 umleiten.
Der Dreiwege-Katalysator 80 ist stromabwärts des Umleitventils 72 und stromaufwärts der LNT-Vorrichtung 60 fluidisch angeschlossen. Die LNT-Vorrichtung 60 ist stromabwärts des Dreiwege-Katalysators 80 und des Umgehungsrohrs 74 fluidisch angeschlossen. Das Umgehungsrohr 74 ist an einem ersten Ende 82 mit dem Umleitventil 72 fluidverbunden und ist an einem zweiten Ende 84 mit dem Eingang der LNT-Vorrichtung 60 fluidverbunden. Abgassensoren 50 und 52 sind angeordnet, um den Zufuhrstrom zu überwachen, und sind mit dem Steuermodul signalverbunden. Die Abgassensoren 50 und 52 können beliebige von Luft/Kraftstoff-Sensoren, NOx-Sensoren und Sauerstoffsensoren sein.
Die LNT-Vorrichtung 60 dient zum Adsorbieren von Sauerstoffnitriden in dem Abgaszufuhrstrom, wobei die Adsorptionsmenge auf Temperatur, Durchfluss und Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgaszufuhrstroms und der bereits daran adsorbierten Sauerstoffnitridmenge beruht.
Die LNT-Vorrichtung 60 umfasst vorzugsweise ein Substrat mit einem Washcoat, der katalytisch aktives Material enthält. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein aus Cordierit gebildetes monolithisches Element mit einer Zellendichte, die vorzugsweise bei 64–96 Zellen pro Quadratzentimeter (400 bis 600 Zellen pro Quadratzoll) liegt, und mit einer Wanddicke von 0,0762 mm bis 0,1778 mm. Die Zellen des Substrats umfassen Strömungsdurchlässe, durch die Abgas strömt, um die katalytisch aktiven Materialien des Washcoat zu kontaktieren, um Adsorption und Desorption von Sauerstoffnitriden, Sauerstoffspeicherung und Oxidation sowie Reduktion von Bestandteilen des Abgaszufuhrstroms zu bewirken. Der Washcoat enthält vorzugsweise Alkali-Elemente, z. B. Li, Na und K, sowie Erdalkalimetallverbindungen, z. B. Ba, Mg, Ca und Sr, und/oder Lanthangruppenmetalle, z. B. La und Ce, die zum Speichern von NOx als Sauerstoffnitride dienen, die während eines Motorbetriebs, der überstöchiometrisch ist, erzeugt werden. Der Washcoat kann auch katalytisch aktive Materialien, d. h. Platingruppenmetalle (nachstehend ,PGM'), die Pt, Pd und Rh umfassen, und Zusätze (z. B. Ce, Zr, La) enthalten. Wenn der Abgaszufuhrstrom unterstöchiometrisch ist, sind überschüssige Reduktionsmittel und adsorbierte Sauerstoffnitride vorhanden, die nicht stabil sind und sich zersetzen, um gespeichertes NOx freizusetzen. Die Reduktionsmittel in dem Abgaszufuhrstrom umfassen vorzugsweise HC-Moleküle, Wasserstoffmoleküle und CO, die erzeugt werden, wenn der Motor bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird. Der Washcoat adsorbiert während mageren Motorbetriebs Sauerstoffnitride und desorbiert und reduziert während eines Motorbetriebs, der einen fetten Abgaszufuhrstrom erzeugt, Sauerstoffnitride. Die desorbierten Sauerstoffnitride werden durch die überschüssigen Reduktionsmittel an PGM-Katalysatorstellen reduziert. Die LNT-Vorrichtung 60 kann sich mit adsorbierten Sauerstoffnitriden sättigen, wodurch ihr Wirkungsgrad verringert wird. Die LNT-Vorrichtung 60 kann durch Desorbieren der adsorbierten Sauerstoffnitride bei Vorhandensein der vorstehend erwähnten Reduktionsmittel durch Reagieren mit den Reduktionsmitteln, um zu Stickstoff und anderen inerten Elementen reduziert zu werden, regeneriert werden.
Wie in 1 gezeigt umfasst das Nachbehandlungssystem 70 vorzugsweise einen Luft/Kraftstoff-Sensor 40 stromaufwärts des Umleitventils 72 und einen Sensor 52, der vorzugsweise einen Luft/Kraftstoffsensor umfasst, stromaufwärts der LNT-Vorrichtung 60 und stromabwärts des zweiten Endes 84 des Umgehungsrohrs 74. Das Nachbehandlungssystem 70 kann auch einen Sensor 50, der einen NOx-Sensor umfasst, stromabwärts der LNT-Vorrichtung 60 umfassen, der vorzugsweise das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgaszufuhrstroms messen kann. Alternativ kann der Sensor 50 einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor stromabwärts der LNT-Vorrichtung 60 umfassen. In einer Ausführungsform können sowohl ein NOx-Sensor als auch ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor stromabwärts der LNT-Vorrichtung angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform kann ein einzelner Sensor derart ausgelegt sein, dass er eine Funktionalität sowohl als NOx-Sensor als auch als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bietet. Die Sensoren 50 und 52 erzeugen jeweils Ausgangssignale, die von dem Steuermodul 5 überwacht werden, das für Steuerung und Diagnose des Motors 10 und des Nachbehandlungssystems 70 verwendet werden kann.
2 stellt ein Verfahren zum Steuern eines Abgaszufuhrstroms von dem Motor 5 während laufenden Antriebsstrangbetriebsabläufen dar, das vorzugsweise in dem Steuermodul 5 als ein oder mehrere Algorithmen ausgeführt wird. Wenn der Motor 10 überstöchiometrisch läuft, wird Abgas durch den TWC 80 zu der LNT-Vorrichtung 60 geleitet (200). Das Steuermodul 5 überwacht die Sensoren, darunter den NOx-Sensor 50. Der NOx-Sensor 50 überwacht die Menge an NOx-Emissionen, die aus der LNT-Vorrichtung 60 emittiert wird, sowie das Luft/Kraftstoff-Verhältnis und benachrichtigt das Steuermodul 5. Wenn der NOx-Sensor 50 anzeigt, dass ein vorbestimmter Schwellenwert von NOx-Emissionen aus der LNT-Vorrichtung 60 emittiert wird, dann kann das Steuermodul 5 LNT-Regeneration anordnen, vorzugsweise vor Sättigung des LNT und NOx-Durchbruch (202). Ein Fachmann erkennt, dass ein NOx-Durchbruch mit einem mathematischen Modell an Stelle von oder in Verbindung mit dem NOx-Sensor 50 überwacht werden kann. Wenn das Modell einen NOx-Durchbruch anzeigt, kann das Steuermodul 5 eine LNT-Regeneration anordnen (202).
Während LNT-Regeneration kann das Steuermodul 5 das Umleitventil 72 anweisen zu öffnen (204). Sobald das Umleitventil 72 offen ist, wird der Abgaszufuhrstrom um den TWC 80 herum zu der LNT-Vorrichtung 60 geleitet (206). Durch Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den TWC 80 herum können die durch den Motor 10 erzeugten Reduktionsmittel unbehindert NOx-Emissionen desorbieren, die in der LNT-Vorrichtung 60 gespeichert sind, wodurch die Reduktionsmittelmenge verringert wird, die zum Erreichen von LNT-Regeneration und zum Verbessern von Kraftstoffwirtschaftlichkeit erforderlich ist.
Zu Beginn der LNT-Regeneration kann dem Motor 10 befohlen werden, einen Abgaszufuhrstrom zu bilden, der unterstöchiometrisch ist, um die Reduktionsmittel zu erzeugen (208). Die LNT-Regeneration kann das Einspritzen eines ersten Kraftstoffpulses in den Brennraum 16 während des Verdichtungstakts umfassen. Die während des ersten Kraftstoffpulses eingespritzte Kraftstoffmasse wird beruhend auf einer Menge ermittelt, die ausreicht, um den Motor 10 so zu betreiben, dass er die Drehmomentforderung des Fahrers erfüllt. Anschließende Kraftstoffpulse können während des Verbrennungszyklus zu dem Brennraum 16 eingespritzt werden. Die anschließenden Kraftstoffpulse können während anderer Take des Verbrennungszyklus eingespritzt werden, z. B. während des Arbeitstakts oder des Auspufftakts, um einen Abgaszufuhrstrom mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erzeugen, das unterstöchiometrisch ist, damit sie als Reduktionsmittel wirken, um die LNT-Vorrichtung 60 zu regenerieren.
Das Steuermodul 5 ermittelt, dass die LNT-Vorrichtung 60 regeneriert wurde (210). Gleichzeitig mit der Regeneration und dem Wechsel des Betriebs des Motors 10 von überstöchiometrisch zu unterstöchiometrisch kann das Steuermodul 5 mit Hilfe des Sensors 50 zum Überwachen von Luft/Kraftstoff-Verhältnis und/oder NOx-Emissionen NOx und/oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stromabwärts der LNT-Vorrichtung 60 überwachen. Wenn der Sensor 50 ein vorbestimmtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder einen vorbestimmten NOx-Schwellenwert anzeigt, kann das Steuermodul 5 ermitteln, dass die Regeneration abgeschlossen ist. Alternativ kann das Steuermodul 5 Regeneration auslösen und den Motor 10 über ein vorbestimmtes Zeitintervall unterstöchiometrisch betreiben. Sobald der Zeitraum verstreicht, ermittelt das Steuermodul 5, dass die Regeneration abgeschlossen ist, und hört auf, den Motor 10 unterstöchiometrisch zu betreiben.
Sobald das Steuermodul 5 ermittelt, dass die Regeneration abgeschlossen ist, befiehlt das Steuermodul 5 dem Umleitventil 72 zu schließen (212). Sobald das Umleitventil 72 geschlossen ist, wird der Abgaszufuhrstrom durch die Vorrichtung TWC 80 zu der LNT-Vorrichtung 60 geleitet (214). Das Steuermodul 5 kann auch den Motorbetrieb zu überstöchiometrisch zurückführen (200). Das Steuermodul 5 überwacht den NOx-Sensor 50 stromabwärts der LNT-Vorrichtung 60 weiter, um zu ermitteln, wann anschließende LNT-Regenerationsvorgänge auszulösen sind.
3 zeigt einen Datengraphen, der einen CO-Durchbruch aus dem TWC 80 darstellt, sowie einen NOx-Wirkungsgrad des LNT, der als Funktion der OSC für das Nachbehandlungssystem 70 abgebildet ist. Wenn die OSC weniger der von dem Motor 10 erzeugten Reduktionsmittel aufbraucht, nimmt ein CO-Durchbruch aus dem TWC 80 etwas zu. Der CO-Durchbruch aus dem TWC 80 reagiert mit dem adsorbierten NOx in der LNT-Vorrichtung 60, was den NOx-Wirkungsgrad in der LNT-Vorrichtung 60 steigert und NOx-Emissionen senkt.
Das Umleitventil 72 und das Umgehungsrohr 74 können auch während eines Motorstarts und eines anfänglichen Motorbetriebs verwendet werden. Während eines Motorstarts und anfänglichen Betriebs kann der Motor 10 stöchiometrisch oder unterstöchiometrisch arbeiten. Der Abgaszufuhrstrom wird durch den TWC 80 zu der LNT-Vorrichtung 60 geleitet. Wenn der Abgaszufuhrstrom durch das Nachbehandlungssystem 70 strömt, erwärmt er den TWC 80 auf eine Temperatur, bei der HC in dem Abgaszufuhrstrom oxidiert werden kann. Bei der beispielhaften LNT-Vorrichtung 60 erfolgt NOx-Absorption und -Reduktion zwischen einem Temperaturbereich von etwa 250°C bis 450°C am wirksamsten. Sobald die LNT-Vorrichtung 60 eine Temperatur in dem Bereich von 200°C erreicht, kann das Steuermodul 5 dem Motor 10 befehlen zu beginnen, überstöchiometrisch zu arbeiten. Dann kann der Abgaszufuhrstrom für LNT-Regeneration beruhend auf dem stromabwärts der LNT-Vorrichtung 60 angezeigten NOx um den TWC 80 herum geleitet werden.
Während stöchiometrischen oder unterstöchiometrischen Motorstarts kann alternativ der Abgaszufuhrstrom um den TWC 80 herum geleitet werden, bis der Abgaszufuhrstrom die LNT-Vorrichtung 60 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur erwärmt. Das Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den TWC 80 herum kann beruhend auf der Temperatur des TWC 80, der seit Motorstart verstrichenen Zeit und/oder Motorzyklen ausgelöst werden. Sobald das Steuermodul 5 ermittelt, dass eine vorbestimmte Temperatur, eine verstrichene Zeit oder eine vorbestimmte Anzahl an Motorzyklen erreicht sind, kann der Abgaszufuhrstrom zu der LNT-Vorrichtung 60 umgeleitet werden. Sobald die LNT-Vorrichtung 60 die Betriebstemperatur erreicht, kann das Steuermodul 5 dem Motor 10 befehlen, überstöchiometrischen Betrieb aufzunehmen, und dem Umleitventil 72 befehlen, den Abgaszufuhrstrom durch den TWC 80 zu der LNT-Vorrichtung 60 zu leiten, bis das Steuermodul 5 LNT-Regeneration auslöst. Dieses Verfahren erwärmt die LNT-Vorrichtung 60 auf eine Betriebstemperatur, wodurch es dem Motor 10 ermöglicht wird, überstöchiometrischen Betrieb aufzunehmen.
Die gleichen Verfahren, wie sie hierin vorstehend beschrieben sind, sind bei vielen weiteren Antriebsstrangsystemen anwendbar, darunter Antriebsstrangsysteme mit Motoren mit Kompressionszündung, Fremdzündung, homogener Kompressionszündung und Fremdzündung mit Direkteinspritzung. Die hierin vorstehend beschriebenen Verfahren sind auch bei Antriebsstrangsystemen anwendbar, die elektrische Maschinen und Verbrennungsmotoren umfassen, die während laufender Antriebsstrangarbeitsschritte zwischen Zuständen mit ausgeschaltetem und eingeschaltetem Motor wechseln. Ein anderes beispielhaftes Antriebsstrangsystem umfasst ein riemengetriebenes Startergeneratorsystem (BAS, kurz vom engl. Belt Alternator Starter). Bei dem BAS-System kann ein Motor während Stopps abgeschaltet und dann für ein Batterieladen und verschiedene Beschleunigungssituationen gestartet werden. Der elektrische Motor kann zum Laden der Batterie oder zum mechanischen Vorsehen von Drehmoment durch den Verbrennungsmotor während Beschleunigung des Verbrennungsmotors verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Abgaszufuhrstroms von einem Verbrennungsmotor, der selektiv überstöchiometrisch betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst: Ausstatten des Motors mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das einen Dreiwege-Katalysator umfasst, der mit einer katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung fluidverbunden ist; Betreiben des Motors; Überwachen des Abgaszufuhrstroms; beruhend auf dem überwachten Abgaszufuhrstrom selektives Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung; und beruhend auf dem überwachten Abgaszufuhrstrom selektives Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen des Abgaszufuhrstroms das Überwachen von NOx-Emissionen in dem Abgaszufuhrstrom stromabwärts der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung umfasst; und wobei das selektive Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung das Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung umfasst, wenn die NOx-Emissionen in dem Abgaszufuhrstrom stromabwärts des katalysierten NOx-Adsorbers einen ersten vorbestimmten Schwellenwert übersteigen, wobei vorzugsweise das selektive Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung das Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung umfasst, wenn die NOx-Emissionen in dem Abgaszufuhrstrom stromabwärts des katalysierten NOx-Adsorbers unter einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: unterstöchiometrisches Betreiben des Motors bei Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei: (a) das Überwachen des Abgaszufuhrstroms stromabwärts der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung das Überwachen des Abgaszufuhrstroms stromabwärts der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung mit einem NOx-Sensor umfasst; und wobei, wenn der NOx-Sensor NOx-Emissionen unterhalb des zweiten vorbestimmten Schwellenwerts anzeigt, das Verfahren weiterhin umfasst: Wechseln des unterstöchiometrischen Betriebs des Motors zu einem überstöchiometrischen Betrieb des Motors; Aussetzen des Umleitens des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung; und Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung, und/oder (b) das Überwachen des Abgaszufuhrstroms stromabwärts der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung das Überwachen des Abgaszufuhrstroms stromabwärts der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung mit einem Luft/Kraftstoff-Sensor umfasst; und wobei, wenn der Luft/Kraftstoff-Sensor ein vorbestimmtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis anzeigt, das Verfahren weiterhin umfasst: Wechseln des unterstöchiometrischen Betriebs des Motors zu einem überstöchiometrischen Betrieb des Motors; Aussetzen des Umleitens des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung; und Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das selektive Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung das Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung über ein vorbestimmtes Zeitintervall umfasst, wobei es vorzugsweise weiterhin das unterstöchiometrische Betreiben des Motors bei Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung umfasst, wobei es vorzugsweise weiterhin umfasst: Wechseln des unterstöchiometrischen Betriebs des Motors zu einem überstöchiometrischen Betrieb des Motors; Aussetzen des Umleitens des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung, wenn das vorbestimmte Zeitintervall verstrichen ist; und Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung.
Verfahren zum Steuern eines Abgaszufuhrstroms von einem Verbrennungsmotor, der selektiv überstöchiometrisch betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst: Ausstatten des Motors mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das einen Dreiwege-Katalysator umfasst, der mit einer katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung fluidverbunden ist; Betreiben des Motors; während des unterstöchiometrischen Betriebs des Motors selektives Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung; und während des überstöchiometrischen Betriebs des Motors selektives Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei: (a) das selektive Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung umfasst: Aussetzen des Umleitens des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung, wenn ein vorbestimmtes Zeitintervall verstrichen ist; Wechseln des unterstöchiometrischen Betriebs des Motors zu einem überstöchiometrischen Betrieb; und Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung, und/oder (b) das selektive Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung umfasst: Überwachen des Abgaszufuhrstroms stromabwärts der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung mit einem Luft/Kraftstoff-Sensor; Aussetzen des Umleitens des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung, wenn der Luft/Kraftstoff-Sensor ein vorbestimmtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis anzeigt; Wechseln des unterstöchiometrischen Betriebs des Motors zu einem überstöchiometrischen Betrieb; und Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung, und/oder (c) das selektive Leiten des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung umfasst: Überwachen des Abgaszufuhrstroms stromabwärts der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung mit einem NOx-Sensor; Aussetzen des Leitens des Abgaszufuhrstroms durch den Dreiwege-Katalysator und durch die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung, wenn der NOx-Sensor einen vorbestimmten NOx-Schwellenwert anzeigt; Wechseln des überstöchiometrischen Betriebs des Motors zu einem unterstöchiometrischen Betrieb; und Umleiten des Abgaszufuhrstroms um den Dreiwege-Katalysator herum zu der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung.
Abgasnachbehandlungssystem, das mit einem Verbrennungsmotor fluidverbunden und mit einem Steuermodul signalverbunden ist, wobei das System aus Folgendem besteht: einem Dreiwege-Katalysator mit einem Abgasauslassrohr; einem Strömungsumleitventil, das mit dem Motor funktionell verbunden und stromaufwärts des Dreiwege-Katalysators fluidisch angeschlossen ist; einem Abgasstromrohr mit einem mit dem Umleitventil fluidverbundenen ersten Ende und einem mit dem Abgasauslassrohr des Dreiwege-Katalysators fluidverbundenen zweiten Ende; einer katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung, die mit dem Auslassrohr des Dreiwege-Katalysators fluidverbunden ist; und einer NOx-Erfassungsvorrichtung, die stromabwärts der katalysierten NOx-Adsorbervorrichtung angeschlossen ist.
System nach Anspruch 8, wobei die NOx-Erfassungsvorrichtung mit dem Steuermodul signalverbunden ist, wobei die NOx-Erfassungsvorrichtung vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass sie ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases überwacht.
System nach Anspruch 8, weiterhin umfassend, dass das Steuermodul derart konfiguriert ist, dass es den Verbrennungsmotor über einen Zeitraum, der so bestimmt ist, um die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung im Wesentlichen zu regenerieren, selektiv bei einem unterstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis steuert, vorzugsweise weiterhin umfassend, dass das Steuermodul derart konfiguriert ist, dass es das Strömungsumleitventil selektiv steuert, wenn eine Signalausgabe von der NOx-Erfassungsvorrichtung einen vorbestimmten NOx-Emissionswert anzeigt, vorzugsweise weiterhin umfassend, dass das Steuermodul derart betreibbar ist, dass es das Strömungsumleitventil selektiv steuert, wenn eine Signalausgabe von der NOx-Erfassungsvorrichtung ein vorbestimmtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis anzeigt.