DE102009054046A1 - Passive Ammoniak einsetzende selektive katalytische Reduktion zur NOx-Steuerung in Verbrennungsmotoren - Google Patents

Passive Ammoniak einsetzende selektive katalytische Reduktion zur NOx-Steuerung in Verbrennungsmotoren Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors umfasst, dass der Motor auf ein bevorzugtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, um einen Abgaszustrom aus dem Motor mit bevorzugten Konzentrationen von Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen, das Stickoxid, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff über eine erste Katalysatorvorrichtung zu Ammoniak umgewandelt werden und der Ammoniak an einer Ammoniak einsetzenden Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion gespeichert wird, die fluidtechnisch in Reihe unterstromig der ersten Katalysatorvorrichtung verbunden ist.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung ist eine teilweise Fortsetzung der US-Patentanmeldung Nr. 12/430 819, eingereicht am 27. April 2009, welche die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/049 804, eingereicht am 2. Mai 2008, beansprucht, und ferner die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/117 269, eingereicht am 24. November 2008, beansprucht, die hiermit alle durch Bezugnahme aufgenommen sind.
  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenlegung bezieht sich auf die Steuerung der Nachbehandlung von NOx-Emissionen in Verbrennungsmotoren.
  • Hintergrund
  • Die Angaben in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation in Bezug auf die vorliegende Offenlegung und stellen möglicherweise nicht den Stand der Technik dar.
  • Hersteller von Verbrennungsmotoren entwickeln kontinuierlich neue Motorsteuerungsstrategien, um die Kundenbedürfnisse zu befriedigen und verschiedenen Bestimmungen zu entsprechen. Eine solche Motorsteuerungsstrategie umfasst das Betreiben eines Motors bei einem Luft/Kraft stoff-Verhältnis (LKV), welches überstöchiometrisch ist, um die Kraftstoffökonomie zu verbessern und Emissionen zu reduzieren. Solche Motoren umfassen sowohl Selbstzündungs- als auch fremdgezündete Magermotoren.
  • Ein magerer Motorbetrieb kann Stickoxide (NOx), ein bekanntes Verbrennungs-Nebenprodukt, produzieren, wenn sich Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle, die in einer Motoreinlassluft vorhanden sind, unter den hohen Temperaturen einer Verbrennung voneinander trennen. Die Geschwindigkeiten der NOx-Produktion folgen bekannten Beziehungen des Verbrennungsprozesses, wobei z. B. höhere Geschwindigkeiten der NOx-Produktion mit höheren Verbrennungstemperaturen und längerem Ausgesetztsein von Luftmolekülen gegenüber hohen Temperaturen verbunden sind.
  • NOx-Moleküle, sobald sie im Brennraum produziert sind, können in Nachbehandlungsvorrichtungen zu Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen reduziert werden. Die Wirksamkeit bekannter Nachbehandlungsvorrichtungen ist in großem Ausmaß abhängig von Betriebsbedingungen wie z. B. der durch die Abgasströmungstemperaturen und das Motor-LKV gesteuerten Vorrichtungsbetriebstemperatur. Überdies umfassen Nachbehandlungsvorrichtungen Materialien, die gegenüber einem Schaden oder einer Qualitätsverschlechterung im Gebrauch infolge des Ausgesetztseins gegenüber hohen Temperaturen und Schadstoffen in dem Abgaszustrom anfällig sind.
  • Bekannte Motorbetriebsstrategien zur Beeinflussung der Verbrennung, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, umfassen ein Betreiben bei einem mageren LKV mithilfe einer Verbrennung mit lokalisierter oder geschichteter Ladung innerhalb des Brennraumes während eines Betriebes in einem ungedrosselten Zustand. Während die Temperaturen in dem Brennraum in Taschen der Verbrennung hoch genug werden können, um beträchtliche Mengen von NOx zu erzeugen, kann der gesamte Energieausgang des Brennraumes, insbesondere die von dem Motor durch die Abgasströmung ausgestoßene Wärmeenergie von normalen Werten stark reduziert werden. Solche Bedingungen können für Abgasnachbehandlungsstrategien herausfordernd sein, da die Nachbehandlungsvorrichtungen oft erhöhte Betriebstemperaturen erfordern, die durch die Abgasströmungstemperatur gesteuert sind, um entsprechend zu arbeiten, um NOx-Emissionen zu behandeln.
  • Nachbehandlungssysteme umfassen katalytische Vorrichtungen zum Erzeugen chemischer Reaktionen, um Abgasbestandteile zu behandeln. Dreiwege-Katalysatorvorrichtungen (TWC von three-way catalytic devices) werden insbesondere in Benzinanwendungen verwendet, um Abgasbestandteile zu behandeln. Mager-NOx-Adsorber (NOx-Falle) verwenden Katalysatoren, die in der Lage sind, eine gewisse Menge an NOx zu speichern, und es wurden Motorsteuerungstechnologien entwickelt, um diese NOx-Adsorber mit kraftstoffeffizienten Motorsteuerungsstrategien zu kombinieren, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und dennoch akzeptable Niveaus von NOx-Emissionen zu erreichen. Eine bekannte Strategie umfasst die Verwendung eines Mager-NOx-Adsorbers, um NOx-Emissionen während magerer Betriebe zu speichern, und dann die gespeicherten NOx während fetter Motorbetriebsbedingungen zu spülen und mit einem TWC zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren. Partikelfilter (DPF) fangen Ruß und Partikel in Dieselanwendungen auf und das aufgefangene Material wird während Hochtemperatur-Regenerationsereignissen periodisch gespült.
  • Eine bekannte Nachbehandlungsvorrichtung umfasst eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Die SCR-Vorrichtung umfasst ein katalytisches Material, welches die Reaktion von NOx mit einem Reduktionsmittel wie z. B. Ammoniak oder Harnstoff unterstützt, um Stickstoff und Wasser zu produzieren. Die Reduktionsmittel können in einen Abgaszustrom oberstromig der SCR-Vorrichtung eingespritzt werden, was Einspritzsysteme, Tanks und Steuerschemen erfordert. Die Tanks können ein periodisches Auffüllen erfordern und können unter kalten Klimas frieren, was zusätzliche Heizeinrichtungen und Isolierungen erfordert.
  • Katalytische Materialien, die in SCR-Vorrichtungen verwendet werden, haben Vanadium (V) und Wolfram (W) auf Titan (Ti) und unedlen Metallen umfassend Eisen (Fe) oder Kupfer (Cu) mit einem Zeolith-Washcoat umfasst. Katalytische Materialien, die Kupfer umfassen, können bei niedrigen Temperaturen eine effektive Leistung erbringen, es hat sich jedoch gezeigt, dass sie bei höheren Temperaturen eine schlechte thermische Beständigkeit aufweisen. Katalytische Materialien, die Eisen umfassen, können bei höheren Temperaturen eine effektive Leistung erbringen, allerdings bei einer abnehmenden Reduktionsmittelspeichereffizienz bei niedrigeren Temperaturen.
  • Für mobile Anwendungen weisen SCR-Vorrichtungen im Allgemeinen einen Betriebstemperaturbereich von 150°C bis 600°C auf. Der Temperaturbereich kann abhängig von dem Katalysator variieren. Dieser Betriebstemperaturbereich kann sich während oder nach Betrieben mit höherer Last verringern. Temperaturen von mehr als 600°C können bewirken, dass Reduktionsmittel durchbrechen und die SCR-Katalysatoren zerstören, während die Effektivität der NOx-Verarbeitung bei Temperaturen von weniger als 150°C abnimmt.
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors umfasst, dass der Motor auf ein bevorzugtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, um einen Abgaszustrom aus dem Motor mit einer bevorzugten Konzentration von Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen, das Stickoxid, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff über eine erste Katalysatorvorrichtung zu Ammoniak umgewandelt werden und der Ammoniak an einer Ammoniak einsetzenden Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion gespeichert wird, die fluidtechnisch in Reihe unterstromig der ersten Katalysatorvorrichtung verbunden ist.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen wird/werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Motorsystems und Nachbehandlungssystems gemäß der vorliegenden Offenlegung ist;
  • 2 beispielhafte Testdaten von einem NOx-Sensor und einem Ammoniaksensor als eine Funktion des LKV gemäß der vorliegenden Offenlegung grafisch veranschaulicht;
  • 3 ein Steuerschema zur Beeinflussung eines Abgaszustromes von dem Motor gemäß der vorliegenden Offenlegung ist;
  • 4 beispielhafte Testdaten grafisch zeigt, die eine Beziehung zwischen der Ammoniakproduktion und einer Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Offenlegung beschreiben;
  • 5 beispielhafte Testdaten grafisch zeigt, die eine Beziehung zwischen kumulativen NOx-Emissionen und einer Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Offenlegung beschreiben;
  • 6–10 schematisch beispielhafte Konfigurationen des Abgasnachbehandlungssystems gemäß der vorliegenden Offenlegung veranschaulichen;
  • 11 ein Steuerschema zur Beeinflussung eines Abgaszustromes von dem Motor gemäß der vorliegenden Offenlegung ist;
  • 12–16 beispielhafte Testdaten gemäß der vorliegenden Offenlegung grafisch veranschaulichen;
  • 17 ein Flussdiagramm eines Steuerschemas zur Beeinflussung eines Abgaszustromes von dem Motor gemäß der vorliegenden Offenlegung ist;
  • 18–19 beispielhafte Testdaten gemäß der vorliegenden Offenlegung grafisch veranschaulichen;
  • 20 eine Tabelle von Probereaktionsgemischen zeigt, die in einen ersten chemischen Reaktor eingeleitet wurden, gemäß der vorliegenden Offenlegung; und
  • 21 beispielhafte Testdaten gemäß der vorliegenden Offenlegung grafisch veranschaulicht.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen die Abbildungen nur den Zweck haben, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen zu veranschaulichen und dieselben nicht einzuschränken, zeigt 1 schematisch einen Verbrennungsmotor 10, ein Nachbehandlungssystem 70 und ein beigefügtes Steuermodul 5, die gemäß einer Ausführungsform der Offenlegung hergestellt wurden. Der Motor 10 wird selektiv bei einem fetten LKV, einem stöchiometrischen LKV und einem LKV, das vorwiegend überstöchiometrisch ist, betrieben. Die Offenlegung kann auf verschiedene Verbrennungsmotorsysteme und Verbrennungstakte angewendet werden.
  • In einer Ausführungsform kann das Nachbehandlungssystem 70 mit einem Motor 10 verbunden sein, der mit einem elektromechanischen Hybridantriebssystem gekoppelt ist. Das elektromechanische Hybridantriebssystem kann kraftstofflose Drehmomentmaschinen umfassen, die ausgebildet sind, um Traktionsleistung an einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges zu übertragen.
  • Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Mehrzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der sich hin- und herbewegende Kolben 14 aufweist, welche in Zylindern 15, die Brennräume 16 mit variablem Volumen definieren, verschiebbar bewegbar sind. Die Kolben 14 sind mit einer rotierenden Kurbelwelle 12 verbunden, durch die die lineare Hin- und Herbewegung in eine Rotationsbewegung übertragen wird. Ein Lufteinlasssystem stellt Einlassluft an einen Einlasskrümmer 29 bereit, der Luft in Einlasskrümmerrohre des Brennraumes 16 leitet und in diese verteilt. Das Lufteinlasssystem umfasst ein Luftströmungskanalsystem und Vorrichtungen zum Überwachen und Steuern der Luftströmung. Die Lufteinlassvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen Luftmassensensor 32 zum Überwachen der Luftmasse und der Einlasslufttemperatur. Eine Drosselklappe 34 umfasst vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Vorrichtung, die verwendet wird, um die Luftströmung zu dem Motor 10 in Ansprechen auf ein Steuersignal (ETC) von dem Steuermodul 5 zu steuern. Ein Drucksensor 36 in dem Einlasskrümmer 29 ist ausgebildet, um den Krümmerabsolutdruck und den Luftdruck zu überwachen. Ein äußerer Strömungsdurchgang rezirkuliert Abgase von dem Motorauslass zu dem Einlasskrümmer 29 und weist ein Strömungssteuerventil auf, das als Abgasrückführungs(AGR)-Ventil 38 bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 dient dazu, den Massenstrom von Abgas zu dem Einlasskrümmer 29 zu steuern, indem es die Öffnung des AGR-Ventils 38 steuert.
  • Die Luftströmung von dem Einlasskrümmer 29 in den Brennraum 16 ist durch ein oder mehrere Einlassventil/e 20 gesteuert. Die Abgasströmung aus dem Brennraum 16 heraus ist durch ein oder mehrere Auslassventile 18 zu einem Auslasskrümmer 39 gesteuert. Der Motor 10 ist mit einem System zum Steuern und Verstellen der Öffnungen und Schließungen des Einlass- und des Auslassventils 20 und 18 ausgestattet. In einer Ausführungsform können die Öffnungen und Schließungen des Einlass- und des Auslassventils 20 und 18 durch Steuern von Einlass- und Auslassvorrichtungen zur variablen Nockenwellenphasenverstellung/variablen Hubsteuerung (VCP, für variable carn phasing/VLC, für variable lift control) 22 bzw. 24 gesteuert und verstellt werden. Die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 sind ausgebildet, um eine Einlassnockenwelle 21 bzw. eine Auslassnockenwelle 23 zu steuern und zu betreiben. Die Rotationen der Einlass- und der Auslassnockenwelle 21 und 23 sind mit der Rotation der Kurbelwelle 12 gekoppelt und indexiert, um so Öffnungen und Schließungen des Einlass- und des Auslassventils 20 und 18 mit Positionen der Kurbelwelle 12 und der Kolben 14 zu koppeln.
  • Die Einlass-VCP/VLC-Vorrichtung 22 umfasst vorzugsweise einen Mechanismus, welcher ausgebildet ist, um in Ansprechen auf ein Steuersignal (INTAKE) von dem Steuermodul 5 den Ventilhub des/der Einlassventils/e 20 zu schalten und zu steuern und die Phasenverstellung der Einlassnockenwelle 21 für jeden Zylinder 15 variabel zu verstellen und zu steuern. Die Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 24 umfasst vorzugsweise einen steuerbaren Mechanismus, welcher dazu dient, in Ansprechen auf ein Steuersignal (EXHAUST) von dem Steuermodul 5 den Ventilhub des/der Auslassventils/e 18 variabel zu schalten und zu steuern und die Phasenverstellung der Auslassnockenwelle 23 für jeden Zylinder 15 variabel zu verstellen und zu steuern.
  • Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 22 und 24 umfassen jeweils vorzugsweise einen steuerbaren zweistufigen variablen Hubsteuerungs(VLC)-Mechanismus, der ausgebildet ist, um das Ausmaß des Ventilhubes oder des Öffnens des/der Einlass- und Auslassventils/e 20 bzw. 18 auf eine von zwei separaten Stufen zu steuern. Die zwei separaten Stufen umfassen vorzugsweise eine offene Ventilposition mit niedrigem Hub (in einer Ausführungsform etwa 4–6 mm), vorzugsweise für einen Lastdrehzahl- und Niedriglastbetrieb, und eine offene Ventilposition mit großem Hub (in einer Ausführungsform etwa 8–13 mm), vorzugsweise für einen Hochdrehzahl- und Hochlastbetrieb. Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 22 und 24 umfassen jeweils vorzugsweise einen variablen Nockenwellen-Phasenverstellungs(VCP)-Mechanismus zur Steuerung und Phasenverstellung (d. h. in Bezug auf die Zeiteinstellung) des Öffnens und Schließens des/der Einlassventils/e 20 bzw. des/der Auslassventils/e 18. Das Verstellen der Phasenverstellung bezieht sich auf das Schalten der Öffnungszeiten des/der Einlass- und Auslassventils/e 20 und 18 in Bezug auf die Positionen der Kurbelwelle 12 und des Kolbens 14 in dem jeweiligen Zylinder 15. Die VCP-Mechanismen der Einlass- und der Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 22 und 24 weisen jeweils einen Bereich einer Phasenverstellungsgewalt von etwa 60°–90° Kurbelwellenrotation auf, um so zuzulassen, dass das Steuermodul 5 das Öffnen und Schließen des/der Einlass- oder Auslassventils/e 20 und 18 in Bezug auf die Position des Kolbens 14 für jeden Zylinder 15 nach früh oder spät verstellt. Der Bereich der Phasenverstellungsgewalt ist durch die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 22 und 24 definiert und begrenzt. Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 22 und 24 umfassen Nockenwellenpositionssensoren, um die Rotationspositionen der Einlass- und der Auslassnockenwelle 21 und 23 zu bestimmen. Die VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 werden mithilfe einer durch das Steuermodul 5 gesteuerten elektrohydraulischen oder hydraulischen oder elektrischen Steuerkraft betätigt.
  • Der Motor 10 umfasst ein Kraftstoffeinspritzsystem, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 28 umfasst, die jeweils derart ausgebildet sind, um in Ansprechen auf ein Signal von dem Steuermodul 5 eine Masse von Kraftstoff direkt in einen der Brennräume 16 einzuspritzen. Den Kraftstoffinjektoren 28 wird mit Druck beaufschlagter Kraftstoff von einem Kraftstoffverteilungssystem zugeführt.
  • Der Motor 10 umfasst eine Funkenzündanlage, durch welches Funkenenergie an eine Zündkerze 26 bereitgestellt werden kann, um in Ansprechen auf ein Signal (IGN) von dem Steuermodul 5 Zylinderladungen in je dem der Brennräume 16 zu zünden oder bei der Zündung zu unterstützen.
  • Der Motor 10 ist mit verschiedenen Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebes ausgestattet, die einen Kurbelsensor 42 mit einer Ausgangsdrehzahl, welcher dazu dient, die Kurbelwellenrotationsposition, d. h. den/die Kurbelwinkel und -geschwindigkeit zu überwachen, in einer Ausführungsform einen Verbrennungssensor 30, welcher ausgebildet ist, um eine Verbrennung zu überwachen, und einen Abgassensor 40, welcher ausgebildet ist, um Abgase zu überwachen, in einer Ausführungsform mit einem LKV-Sensor, umfasst. Der Verbrennungssensor 30 umfasst eine Sensorvorrichtung, welche dazu dient, einen Zustand eines Verbrennungsparameters zu überwachen, und ist als ein Zylinderdrucksensor gezeigt, welcher dazu dient, einen Zylinder-Innenverbrennungsdruck zu überwachen. Der Ausgang des Verbrennungssensors 30 und des Kurbelsensors 42 werden durch das Steuermodul 5 überwacht, welches die Verbrennungsphasenverstellung, d. h. die Zeiteinstellung des Verbrennungsdruckes in Bezug auf den Kurbelwinkel der Kurbelwelle 12 für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungstakt bestimmt. Der Verbrennungssensor 30 kann auch durch das Steuermodul 5 überwacht sein, um einen mittleren Arbeitsdruck (IMEP) für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungstakt zu bestimmen. Der Motor 10 und das Steuermodul 5 sind vorzugsweise derart mechanisiert, um Zustande des IMEP für jeden der Motorzylinder 15 während jedes Zylinderfeuerungsereignisses zu überwachen und zu bestimmen. Alternativ können andere Erfassungssysteme verwendet werden, um Zustande anderer Verbrennungsparameter innerhalb des Schutzumfanges der Offenlegung zu überwachen, z. B. Ionenerfassungszündsysteme und nicht intrusive Zylinderdrucksensoren.
  • Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten Algorithmuscode aus, um Aktuatoren zu steuern, um den Motorbetrieb zu steuern, welcher die Drosselklappenposition, die Zündzeiteinstellung, die Kraftstoffeinspritzmasse und -zeiteinstellung, die Einlass- und/oder Auslassventil-Zeiteinstellung und -phasenverstellung und die Abgasrüführungsventilposition zum Steuern der Strömung von rückgeführten Abgasen umfasst. Die Ventilzeiteinstellung und -phasenverstellung kann eine negative Ventilüberschneidung und den Hub der Auslassventil-Wiederöffnung (in einer Abgaswiederansaugstrategie) umfassen. Das Steuermodul 5 ist ausgebildet, um Eingangssignale von einem Bediener (z. B. eine Gaspedalposition und eine Bremspedalposition), um eine Bedienerdrehmomentanforderung zu bestimmen und einen Eingang von den Sensoren, welche die Motordrehzahl und die Einlasslufttemperatur und eine Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen angeben, zu empfangen.
  • Das Steuermodul 5 ist vorzugsweise ein Universaldigitalcomputer, welcher allgemein einen Mikroprozessor oder eine Zentraleinheit, Speichermedien, umfassend einen nicht flüchtigen Speicher mit einem Festspeicher und einem elektrisch steuerbaren Festspeicher, einen Arbeitsspeicher, eine hohe Taktfrequenz, eine Analog/Digital- und Digital/Analog-Schaltung und eine Eingangs/Ausgangsschaltung und -vorrichtungen und eine geeignete Signalverarbeitungs- und -pufferschaltung umfasst. Es ist jedoch einzusehen, dass das Steuermodul mehrere Universaldigitalcomputer, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder andere Hardware-Anordnungen aufweisen kann, welche den Algorithmuscode (einschließlich vorbestimmter Kalibrierungen) ausführen. Das Steuermodul 5 weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, welche residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem nicht flüchtigen Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Die Algorithmen werden vorzugs weise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Die Algorithmen werden durch die Zentraleinheit ausgeführt und dienen dazu, mithilfe voreingestellter Kalibrierungen Eingänge von den zuvor erwähnten Erfassungsvorrichtungen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb der Aktuatoren zu steuern. Die Schleifenzyklen können in regelmäßigen Intervallen, z. B. alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebes ausgeführt werden. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf das Stattfinden eines Ereignisses ausgeführt werden.
  • Im Betrieb überwacht das Steuermodul 5 Eingänge von den zuvor erwähnten Sensoren, um Zustände von Motorbetriebsparametern zu bestimmen. Das Steuermodul 5 ist ausgebildet, um Eingangssignale von einem Bediener (z. B. über ein Gaspedal und ein Bremspedal, nicht gezeigt) zu empfangen, um eine Bedienerdrehmomentanforderung zu bestimmen. Das Steuermodul 5 überwacht die Sensoren, welche die Motordrehzahl und die Einlasslufttemperatur und die Kühlmitteltemperatur und weitere Umgebungsbedingungen angeben.
  • Das Steuermodul 5 führt darin gespeicherte Algorithmuscodes aus, um die zuvor erwähnten Aktuatoren zum Bilden der Zylinderladung zu steuern, umfassend die Steuerung der Drosselklappenposition, die Funkenzündungszeiteinstellung, die Kraftstoffeinspritzmasse und -zeiteinstellung, die AGR-Ventilposition zum Steuern der Strömung der rückgeführten Abgase und die Einlass- und/oder Auslassventilzeiteinstellung und -phasenverstellung an damit ausgestatteten Motoren. Die Ventilzeiteinstellung und -phasenverstellung können in einer Ausführungsform eine negative Ventilüberschneidung (NVO von negative valve overlap) und den Hub der Auslassventil-Wiederöffnung (in einer Abgaswiederansaugstrategie) umfassen. Das Steuermodul 5 kann dazu dienen, den Motor 10 während ei nes laufenden Fahrzeugbetriebes ein- und auszuschalten, und kann dazu dienen, einen Abschnitt der Brennräume 15 oder einen Abschnitt der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 durch Steuerung der Kraftstoff- und Funken- und Ventildeaktivierung selektiv zu deaktivieren. Das Steuermodul 5 kann das LKV auf der Basis einer Rückmeldung von dem Abgassensor 40 steuern. Der Abgassensor 40 kann einen Weitbereichs-LKV-Sensor umfassen, welcher ausgebildet ist, um ein lineares Signal, welches einem LKV entspricht, über einen LKV-Bereich zu erzeugen. Alternativ kann der Abgassensor 40 in einer Ausführungsform einen stöchiometrischen Schaltsensor umfassen, welcher ausgebildet ist, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einem LKV entspricht, welches unterstöchiometrisch oder überstöchiometrisch ist.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 70 ist fluidtechnisch mit dem Auslasskrümmer 39 verbunden und umfasst eine erste Katalysatorvorrichtung 48 und eine Ammoniak einsetzende selektive Vorrichtung 50 zur katalytischen Reduktion (NH3-SCR). Die erste Katalysatorvorrichtung 48 ist fluidtechnisch und in Reihe oberstromig der Ammoniak einsetzenden selektiven Vorrichtung 50 zur katalytischen Reduktion verbunden. Die erste Katalysatorvorrichtung 48 ist vorzugsweise in einem Motorraum angeordnet und motornah mit dem Auslasskrümmer 39 gekoppelt. Die NH3-SCR-Vorrichtung 50 ist vorzugsweise an einer Stelle unter dem Boden in einem entfernten Abstand von der ersten Katalysatorvorrichtung 48 angeordnet, der auf der Basis de Motor- und Abgaszustrom-Betriebsbedingungen und weiterer Faktoren bestimmt wird. Das Abgasnachbehandlungssystem 70 kann weitere katalytische und/oder Filtersubstrate umfassen, die dazu dienen, Elemente des Abgaszustromes zu oxidieren, adsorbieren, reduzieren und zu verbrennen, wie hierin nachfolgend beschrieben.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 70 kann mit verschiedenen Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen des Abgaszustromes von dem Motor 10 ausgestattet sein, die einen ersten NOx-Sensor 49, einen zweiten NOx-Sensor 52 und einen SCR-Temperatursensor 51 umfassen, welche signaltechnisch mit dem Steuermodul 5 verbunden sind. Der erste und der zweite NOx-Sensor 49 und 52 detektieren und quantifizieren NOx-Moleküle in dem Abgaszustrom. Der erste NOx-Sensor 49 detektiert und quantifiziert NOx-Moleküle in dem Abgaszustrom, welche aus der ersten Katalysatorvorrichtung 48 austreten und in die NH3-SCR-Vorrichtung 50 eintreten. Ein zusätzlicher NOx-Sensor 60 kann in dem Abgasnachbehandlungssystem 70 umfasst sein, um NOx-Moleküle in dem Abgaszustrom zu detektieren und zu quantifizieren, die in das Nachbehandlungssystem 70 eintreten. In einer Ausführungsform ist nur der zweite NOx-Sensor 52 an dem Nachbehandlungssystem 70 umfasst.
  • Während eines Motorbetriebes erzeugt der beispielhafte Motor 10 einen Abgaszustrom, welcher Bestandteilselemente enthält, die in dem Nachbehandlungssystem umgewandelt werden können und unter anderem Kohlenwasserstoffe (HC von hydrocarbons), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Partikel (PM von particulate matter) umfassen. Sauerstoff (O2) ist in dem Abgaszustrom vorhanden, nachdem der Motor 10 überstöchiometrisch betrieben wurde. Die Erzeugung von Wasserstoff (H2) kann im Motor 10 durch den Verbrennungsprozess stattfinden. Die Verbrennung in einer stöchiometrischen oder fetten LKV-Umgebung, wobei molekularer Sauerstoff knapp ist, neigt dazu, erhöhte Konzentrationen an molekularem Wasserstoff zu produzieren.
  • Die erste Katalysatorvorrichtung 48 führt eine Anzahl katalytischer Funktionen zum Behandeln einer Abgasströmung aus. Die erste Katalysatorvorrichtung 48 oxidiert Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO).
  • Die erste Katalysatorvorrichtung 48 ist derart formuliert, dass sie während eines stöchiometrischen und fetten Motorbetriebes Ammoniak produziert. Die Formulierung kann die Verwendung variierender Katalysatoren beinhalten, welche Metalle aus der Platingruppe, z. B. Platin, Palladium und Rhodium mit Cer und Zirconiumoxiden für die Sauerstoffspeicherkapazität umfassen. In einer Ausführungsform ist die erste Katalysatorvorrichtung 48 ein Dreiwege-Katalysator, welcher ausgebildet ist, um während stöchiometrischer Motorbetriebe Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) zu oxidieren und NOx zu reduzieren.
  • Die NH3-SCR-Vorrichtung 50 reduziert NOx zu anderen Molekülen, die Stickstoff und Wasser umfassen, wie hierin unten stehend beschrieben. Eine beispielhafte NH3-SCR-Vorrichtung 50 umfasst ein Substrat, welches mit einem Zeolith-Washcoat und einem katalytischen Material mit einem katalytisch aktiven unedlen Metall beschichtet ist. Das Substrat umfasst einen Cordierit- oder Metallmonolith mit einer Zelldichte von etwa 62 bis 93 Zellen pro Quadratzentimeter (400–600 Zellen pro Quadratzoll) und einer Wanddicke von etwa drei bis sieben Mil. Die Zellen des Substrats umfassen Strömungsdurchgänge, durch welche Abgas strömt, um mit dem Katalysator in Kontakt zu treten und eine Speicherung von Ammoniak zu bewirken. Das Substrat ist mit dem Zeolith-Washcoat imprägniert. Der Zeolith-Washcoat umfasst auch die katalytisch aktiven unedlen Metalle, z. B. Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Kobalt (Co) und Nickel (Ni). Alternativ können Zusammensetzungen auf Vanadiumbasis und/oder Wolfram (W) auf Titan (Ti) als Katalysatoren verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass Kupferkatalysatoren bei niedrigeren Temperaturen, z. B. 100°C bis 450°C effektiv arbeiten, jedoch eine schlechte thermische Beständigkeit aufweisen. Eisenkatalysatoren können bei höheren Temperaturen, z. B. 200°C bis 650°C, gut arbeiten, allerdings mit abnehmender Reduktionsmittelspeicherkapazität.
  • Die NH3-SCR-Vorrichtung 50 speichert Ammoniak, um NOx-Emissionen zu reduzieren. Der gespeicherte Ammoniak reagiert selektiv mit NOx in der Gegenwart von katalytischen Materialien, um Stickstoff und Wasserstoff zu produzieren. Die folgenden Gleichungen beschreiben die Hauptreaktionen mit Ammoniak innerhalb der NH3-SCR-Vorrichtung 50. 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O [1] 3NO2 + 4NH3 → 3,5N2 + 6H2O [2] 2NO + 2NO2 + 4NH3 → 4N2 + 6H2O [3]
  • Es können gleichzeitig mehrere Nebenreaktionen ablaufen, die je nach Art des verbrauchten Kraftstoffes variieren werden.
  • Hierin ist ein Verfahren zum selektiven und periodischen Modulieren eines Motorbetriebes offenbart, um einen Abgaszustrom zu erzeugen, welcher Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) umfasst, um Ammoniak in einer Katalysatorvorrichtung wie z. B. der ersten Katalysatorvorrichtung 48 zu produzieren.
  • Ammoniak kann in der ersten Katalysatorvorrichtung 48 aus einem Umwandlungsprozess erzeugt werden, welcher durch die nachfolgende Gleichung beschrieben ist. NO + CO + 1,5H2 → NH3 + CO2 [4]
  • Ein Fachmann wird einsehen, dass diese Umwandlung erfordert, dass molekularer Sauerstoff von der ersten Katalysatorvorrichtung 48 abgereichert sein muss, bevor NO mit dem molekularen Wasserstoff reagieren wird. In einer Ausführungsform fand eine ausreichende Umwandlung bei Temperaturen oberhalb von 250°C in der ersten Katalysatorvorrichtung 48 statt. Überschüssiger Sauerstoff ist oft vorhanden, wenn der Verbrennungsmotor in mageren Betriebsmodi mit einem mageren LKV oder mit überschüssiger Luft betrieben wird. Somit steuert das Steuermodul 5 das LKV auf ein stöchiometrisches LKV oder fettes LKV, um Sauerstoff in dem Abgaszustrom abzureichern, wenn eine Ammoniakproduktion in der ersten Katalysatorvorrichtung 48 erwünscht ist.
  • Des Weiteren erleichtert die Wahl eines LKV innerhalb der stöchiometrischen und fetten Betriebsbereiche die Ammoniakproduktion weiter, z. B. indem Stickoxid (NO) und Wasserstoff (H2) in geeigneten Verhältnissen erzeugt werden. Die Gleichung 4 beschreibt ein ideales Verhältnis von 1,5:1 von Wasserstoff zu Stickoxid (H2:NO). Allerdings, auf der Basis der durch die NH3-SCR-Vorrichtung 50 bereitgestellten Umgebung und weiterer Reaktionen, die innerhalb der ersten Katalysatorvorrichtung 48 stattfinden, kann ein anderes tatsächliches Verhältnis von Wasserstoff (H2) zu Stickoxid (NO) Ammoniak produzieren. Zum Beispiel sind in einer Ausführungsform ein Verhältnis von zwischen 3:1 und 5:1 Wasserstoff zu Stickoxid (H2:NO) und ein Verhältnis von zwischen 9:1 und 15:1 Kohlenmonoxid zu Stickoxid (CO:NO) bevorzugt.
  • Das Modulieren des Motorbetriebes umfasst das fette oder stöchiometrische Betreiben des Motors 10, während die Bedienerdrehmomentanforderung erfüllt wird, und ohne die Motorausgangsleistung zu ändern. Ein beispielhaftes Verfahren zum unterstöchiometrischen Betreiben des beispielhaften Motors 10 kann umfassen, dass mehrere Kraftstoffeinspritz-Impulse während eines Verbrennungstaktes umfassen, die das Einspritzen eines ersten Kraftstoffimpulses und nachfolgender Kraftstoffimpulse in den Brennraum 16 während jedes Verbrennungshubes ausgeführt werden. Die Masse von Kraftstoff, die während des ersten Kraftstoffimpulses eingespritzt wird, wird auf der Basis einer Menge bestimmt, die ausreicht, um den Motor 10 zu betreiben, um die Bedienerdrehmomentanforderung und andere Lasterfordernisse zu erfüllen. Die nachfolgenden Kraftstoffimpulse können in den Brennraum 16 eingespritzt werden, um einen Abgaszustrom zu erzeugen, welcher Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) umfasst, um Ammoniak in der ersten Katalysatorvorrichtung 48 zu produzieren. In einer Ausführungsform werden die nachfolgenden Kraftstoffimpulse spät in einem Arbeitshub oder früh in einem Auslasshub des Verbrennungstakts ausgeführt, um dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Verbrennung in dem Brennraum 16 zu minimieren.
  • Die Wahl eines katalytisch aktiven Materials, welches niedrigere Verhältnisse von Wasserstoff (H2)-Molekülen zu Stickoxid (NO)-Molekülen auf der ersten Katalysatorvorrichtung 48 zulässt, ist zu bevorzugen, da Wasserstoffbedürfnisse direkt mit einer Menge an Kraftstoff in Beziehung stehen, die durch die nachfolgenden Kraftstoffimpulse verbraucht wird, um eine Ammoniakproduktion zu ermöglichen. Eine Kalibrierung in Übereinstimmung mit Testergebnissen oder ein Modellieren in Übereinstimmung mit Verfahren, die geeignet sind, um einen Motorbetrieb, Nachbehandlungsprozesse und Umwandlungen genau abzuschätzen, können verwendet werden, um ein bevorzugtes LKV zu wählen, um eine Ammoniakproduktion zu steuern. Ein Fachmann wird einsehen, dass auch das Vorhandensein von Kohlenmonoxid (CO) berücksichtigt werden muss, um die oben beschriebene Reaktion zu erleichtern.
  • Die Ammoniakproduktion kann in Übereinstimmung mit einer Anzahl von Faktoren gesteuert oder ermöglicht sein, welche den Gebrauch von Ammoniak innerhalb der NH3-SCR-Vorrichtung 50 beeinflussen, und eine abgeschätzte Ammoniakspeicherung, einen abgeschätzten oder detektierten Ammoniakdurchbruch, einen abgeschätzten oder detektierten NOx-Durchbruch unterstromig von der NH3-SCR-Vorrichtung 50 und einen Motorbetrieb umfassen, die für die Ammoniakproduktion förderlich sind. Die Überwachung dieser Faktoren kann durch Überwachen einer Anzahl von Eingängen bewerkstelligt werden, welche den Motorbetrieb, Abgaseigenschaften und den NOx-Umwandlungswirkungsgrad innerhalb der NH3-SCR-Vorrichtung 50 umfassen. Zum Beispiel produziert der Motor 10 höhere Konzentrationen von NOx und Wasserstoff während einer Motorbeschleunigung. Solche Perioden, welche für die Ammoniakproduktion förderlich sind, können verwendet werden, um einen intrusiven Betrieb der Ammoniakproduktion unter Motorbetriebsbedingungen zu minimieren, welche dieser weniger förderlich sind. Die Perioden des Modulierens des Motorbetriebes, um Ammoniak zu produzieren, werden abhängig von der erforderlichen Ammoniakproduktion, den Besonderheiten des verwendeten Systems und dem speziellen Betrieb des Motors 10 variieren.
  • 2 veranschaulicht grafisch beispielhafte Testdaten, welche Signalausgänge von einem bekannten NOx-Sensor und einem bekannten Ammoniaksensor als eine Funktion des LKV von dem Motor 10 zeigen und illustrativ für Signalausgänge von dem ersten und dem zweiten NOx-Sensor 49 und 52 und einem Ammoniaksensor sind. Bekannte NOx-Erfassungstechniken unterscheiden nicht zwischen NOx-Molekülen und Ammoniakmolekülen im Abgaszustrom. Während magerer Motorbetriebsbedingungen, wenn Ammoniak im Abgaszustrom minimal vorhanden ist und NOx-Moleküle vorhanden sind, gibt der Signalausgang von dem NOx-Sensor NOx-Moleküle an und nimmt mit ansteigendem LKV zu. Der Signalausgang von dem Ammoniaksensor ist minimal. Bei stöchiometrischen Motorbetriebsbedingungen, wenn NOx-Moleküle und Ammoniakmoleküle, die in dem Abgaszustrom vorhanden sind, minimal sind, ist der Signalausgang von dem NOx-Sensor und dem Ammoniaksensor minimal. Wenn das LKV während fetter Motorbetriebsbedingungen abnimmt, wird das Vorhandensein von Ammoniakmolekülen zunehmen, während NOx-Moleküle im Abgaszustrom minimal sind. Der Signalausgang von dem NOx-Sensor und dem Ammoniaksensor nimmt während des fetten Motorbetriebes zu, wenn das LKV abnimmt. Daher kann während eines fetten Motorbetriebes der erhöhte Signalausgang von dem ersten und dem zweiten NOx-Sensor 49 und 52 verwendet werden, um Ammoniakmoleküle im Abgaszustrom anzugeben. Somit kann ein Ammoniakdurchbruch detektiert werden, indem der Signalausgang des zweiten NOx-Sensors 52 während eines fetten Motorbetriebes überwacht wird. In einer Ausführungsform wird der zweite NOx-Sensor 52 für einen erhöhten Signalausgang während der Ammoniakproduktion überwacht. Wenn der Signalausgang von dem zweiten NOx-Sensor 52 zunimmt, bestimmt das Steuerschema 200, dass ein Ammoniakdurchbruch stattfindet.
  • 3 zeigt ein Steuerschema 200 zum Beeinflussen eines Abgaszustromes von dem Motor 10 während eines Motorbetriebes. Das Steuerschema 200 ist als eine Vielzahl von separaten Elementen gezeigt. Diese Veranschaulichung dient der einfacheren Beschreibung und es sollte einzusehen sein, dass die durch diese Elemente ausgeführten Funktionen in einer oder mehreren Vorrichtungen kombiniert, z. B. in einer Software, Hardware und/oder einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis implementiert sein können. Zum Beispiel kann das Steuerschema 200 als ein oder mehrere Algorithmen in dem Steuermodul 5 ausgeführt werden. Das Steuerschema 200 umfasst die Überwachung des Abgaszustromes und des Nachbehandlungssystems (203) einschließlich der Detektion eines NOx-Durchbruchs und eines Ammoniakdurchbruchs unterstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50 mithilfe des zweiten NOx-Sensors 52. Die Überwachung des Nachbehandlungssystems umfasst das Überwachen der Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 mithilfe des SCR-Temperatursensors 51.
  • Bevor ein magerer Motorbetrieb eingeleitet oder ein Motorbetrieb moduliert wird, um Ammoniak zu produzieren, muss die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches liegen (206). In einer Ausführungsform der NH3-SCR-Vorrichtung 50 liegt der vorbestimmte Temperaturbereich zwischen 150°C und 450°C. Vorzugsweise wird die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 durch kontinuierliche Verwendung des SCR-Temperatursensors 51 überwacht. Wenn die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 außerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches liegt, kann der Motorbetrieb zu einem stöchiometrischen LKV gesteuert werden.
  • Wenn die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches liegt, moduliert das Steuerschema 200 den Motorbetrieb, um Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) zur Ammoniakproduktion zu produzieren (209). Ammoniak wird in der ersten Katalysatorvorrichtung 48 mithilfe von Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) produziert (212), wie hierin oben beschrieben, und unterstromig zu der NH3-SCR-Vorrichtung 50 zum Speichern transportiert (215).
  • Das Steuerschema 200 kann den Motorbetrieb anpassen, um die Ammoniakproduktion zu unterbrechen, nachdem bestimmt wurde, dass die NH3-SCR-Vorrichtung 50 mit Ammoniak gesättigt ist (218). Die Ammoniakproduktion kann auch nach einer bestimmten Schwelle von erzeugten Ammoniakmolekülen unterbrochen werden, oder wenn Motorbetriebsbedingungen einer Ammoniakproduktion nicht förderlich sind, z. B. während Fahrzeugverlangsamungen, eines Motorleerlaufes oder Motorab schaltungen. Eine Ammoniaksättigung kann auf der Basis einer vorbestimmten verstrichenen Zeit oder durch Überwachen des Abgaszustromes unterstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50, um einen Ammoniakdurchbruch zu detektieren, abgeschätzt werden, oder nach dem Ausführen einer vorbestimmten Anzahl von Zylinderereignissen bestimmt werden. Ein Ammoniakdurchbruch kann durch Überwachen eines Signalausganges eines Ammoniaksensors detektiert werden, welcher ausgebildet ist, um den Abgaszustrom unterstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50 zu überwachen. Ein weiteres Verfahren zum Detektieren eines Ammoniakdurchbruchs umfasst das Überwachen des zweiten NOx-Sensors 52. Während eines fetten Motorbetriebes nimmt der Signalausgang von dem zweiten NOx-Sensor 52 zu, was einen Ammoniakdurchbruch anzeigt. In einer Ausführungsform kann eine Sättigung mithilfe eines Modells in Übereinstimmung mit Verfahren, die geeignet sind, um den Betrieb des Verbrennungstaktes genau abzuschätzen, Nachbehandlungsprozessen, Umwandlungen und überwachten Betriebsbedingungen, welche die Einlassluftmassenströmung, das LKV, die Motordrehzahl, die TWC-Temperatur, den TWC-Alterungszustand, die SCR-Vorrichtungstemperatur und den SCR-Vorrichtungs-Alterungszustand umfassen, abgeschätzt werden. Das Modell kann in Übereinstimmung mit Testergebnissen kalibriert sein, die einer speziellen Hardwareanwendung entsprechen.
  • Nach dem Bestimmen, dass die NH3-SCR-Vorrichtung 50 mit Ammoniak gesättigt ist, unterbricht das Steuerschema 200 das Modulieren des Motorbetriebes und der Ammoniakproduktion und führt den Motorbetrieb in einen mageren Motorbetrieb über (221), was erhöhte NOx-Emissionen in die Abgasströmung zur Folge hat. Die erste Katalysatorvorrichtung 48 reduziert einen Teil der NOx-Emissionen und befördert Sauerstoff und Stickstoff unterstromig zu der NH3-SCR-Vorrichtung 50. Ammoniak, der auf dem Katalysator der NH3-SCR-Vorrichtung 50 gespeichert ist, reagiert mit NOx, das in die NH3-SCR-Vorrichtung 50 eintritt, um dadurch NOx-Emissionen zu reduzieren und Stickstoff und Wasser zu produzieren. Der gespeicherte Ammoniak wird abgereichert, wenn Ammoniakmoleküle mit NOx-Molekülen reagieren. Wenn der Ammoniak auf dem Katalysator der NH3-SCR-Vorrichtung 50 abgereichert ist, gelangen NOx-Emissionen unbehandelt durch die NH3-SCR-Vorrichtung 50.
  • Daher unterbricht das Steuerschema 200 bevorzugt einen mageren Motorbetrieb, nachdem ein NOx-Durchbruch unterstromig von der NH3-SCR-Vorrichtung 50 detektiert wurde (224). Eine Zunahme im Signalausgang von dem zweiten NOx-Sensor 52 ist mit einem Anstieg der NOx-Emissionen aus der NH3-SCR-Vorrichtung 50 während eines mageren Motorbetriebes korrelierbar und zeigt einen NOx-Durchbruch an. Ein weiteres Verfahren zum Detektieren eines NOx-Durchbruchs umfasst das Modellieren einer Ammoniak-Abreicherung. Eine Ammoniak-Abreicherung und damit ein NOx-Durchbruch kann mithilfe eines Modells in Übereinstimmung mit Verfahren, die geeignet sind, um den Betrieb des Verbrennungstaktes genau abzuschätzen, Nachbehandlungsprozessen, Umwandlungen und überwachten Betriebsbedingungen, welche die Einlassluftmassenströmung, das LKV, die Motordrehzahl, die TWC-Temperatur, den TWC-Alterungszustand, die SCR-Vorrichtungstemperatur und den SCR-Vorrichtungs-Alterungszustand umfassen, abgeschätzt werden. Das Modell kann in Übereinstimmung mit Testergebnissen kalibriert sein, die einer speziellen Hardwareanwendung entsprechen. Nach dem Bestimmen, dass Ammoniak abgereichert ist, oder dem Detektieren eines NOx-Durchbruchs kann das Steuerschema 200 den Motorbetrieb modulieren, um Ammoniak zu produzieren (209).
  • 4 zeigt grafisch beispielhafte Testdaten, die eine Beziehung zwischen der Ammoniakproduktion und Fahrzeuggeschwindigkeiten beschreiben.
  • Ammoniakkonzentrationen wurden mit einem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer während Motorbetrieben unter Verwendung des beispielhaften Nachbehandlungssystems 70 gemessen. Wie 4 zeigt, können Ammoniakkonzentrationen während Motorbeschleunigungen, die durch die erste Katalysatorvorrichtung 48 erzeugt werden, ansteigen, wenn der beispielhafte Motor 10 stöchiometrisch oder leicht unterstöchiometrisch (z. B. bei einem LKV zwischen 13,8:1 und 14,2:1) arbeitet.
  • 5 zeigt grafisch beispielhafte Testdaten, die eine Beziehung zwischen kumulativen NOx-Emissionen aus dem beispielhaften Motor 10, der ersten Katalysatorvorrichtung 48 und der NH3-SCR-Vorrichtung 50 und der Fahrzeuggeschwindigkeit veranschaulichen. Wenn der beispielhafte Motor gesteuert wird, um zwischen mageren und fetten Auslenkungen zu wechseln, gelangen deutlich weniger NOx-Emissionen aus dem Nachbehandlungssystem 70 als durch den beispielhaften Motor 10 in den Abgaszustrom emittiert werden. 5 veranschaulicht auch die NOx-Reduktion durch die NH3-SCR-Vorrichtung 50 nach der NOx-Reduktion in der ersten Katalysatorvorrichtung 48.
  • Die oben erwähnten Verfahren können in Motorsystemen verwendet werden, die verschiedene Abgasnachbehandlungskonfigurationen verwenden, wobei gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen.
  • 6 zeigt einen Motor 10 und ein Abgasnachbehandlungssystem, welches einen Partikelfilter umfasst, der mit einem TWC (PF/TWC) 48 oberstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50 kombiniert ist. 7 zeigt einen Motor 10 und ein Abgasnachbehandlungssystem, welches einen ersten TWC 48 oberstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50 und einen zweiten TWC 48' unterstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50 umfasst. Der zweite TWC 48' unterstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50 kann einen Oxidati onskatalysator umfassen, um einen NH3-Durchbruch zu beeinflussen. 8 zeigt einen Motor 10 und eine Abgasnachbehandlungskonfiguration, welche einen TWC 48, eine SCR-Vorrichtung 50 (NH3-SCR) und eine NOx-Adsorbervorrichtung 100 (LNT) unterstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50 umfasst. 9 zeigt einen Motor 10 und eine Abgasnachbehandlungskonfiguration, welche einen TWC 48 und eine NH3-SCR-Vorrichtung kombiniert mit einem Partikelfilter 50' umfasst.
  • 10 zeigt eine weitere Ausführungsform, die einen Motor 10' und eine Abgasnachbehandlungskonfiguration umfasst, welche einen motornahen TWC 48 und einen Unterboden-Konverter mit einem zweiten TWC 48', der mit einer NH3-SCR-Vorrichtung 50 gekoppelt ist, umfasst. Der Motor 10' umfasst vorzugsweise einen Einlasskanal-Einspritzmotor, der Kraftstoff in Krümmerrohre eines Einlasskrümmers oberstromig jedes Brennraumes einspritzt. Der Motor 10' ist gesteuert, um innerhalb eines schmal gesteuerten Bandes für +/–ΔLKV um Stöchiometrie herum, was in einer Ausführungsform ein LKV-Band von 14,6:1 +/– 0,05 sein kann, bei oder um Stöchiometrie herum zu arbeiten.
  • 11 zeigt ein zweites Steuerschema 200', welches ein Verfahren zum Beeinflussen eines Abgaszustromes von der mit Bezug auf 10 beschriebenen Ausführungsform umfasst, die den Einlasskanal-Einspritzmotor 10' und das Nachbehandlungssystem mit dem TWC 48 und der NH3-SCR-Vorrichtung 50 umfasst, während Motorbetrieben, wobei gleiche Elemente unter Verwendung gleicher Ziffern gekennzeichnet sind. Wenngleich nicht im Detail gezeigt, umfasst die in 10 beschriebene Ausführungsform einen Sensor für Abgas aus dem Motor, einen ersten NOx-Sensor oberstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50, einen zweiten NOx-Sensor unterstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50 und einen Tempera tursensor, welcher ausgebildet ist, um die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 zu überwachen.
  • Das Steuerschema 200' umfasst das Überwachen des Abgaszustromes und des Nachbehandlungssystems (203). Das Überwachen des Abgaszustromes umfasst das Detektieren eines NOx-Durchbruchs und eines Ammoniakdurchbruchs unterstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50 mithilfe des zweiten NOx-Sensors. Das Überwachen des Nachbehandlungssystems kann das Überwachen der Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 mithilfe des SCR-Temperatursensors umfassen. Bevor der Motorbetrieb moduliert wird, um Ammoniak zu produzieren, liegt die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 vorzugsweise innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches, der dem spezifischen katalytischen Material entspricht, welches ein katalytisch aktives unedles Metall umfasst, das in der NH3-SCR-Vorrichtung 50 verwendet wird (206). In einer Ausführungsform liegt der vorbestimmte Temperaturbereich zwischen 150°C und 450°C für die NH3-SCR-Vorrichtung 50. Vorzugsweise wird die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 mithilfe des SCR-Temperatursensors kontinuierlich überwacht. In diesem Steuerschema 200' ist der Motorbetrieb vorzugsweise stöchiometrisch oder beinahe stöchiometrisch. Wenn die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 außerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches liegt, wird der Motorbetrieb gesteuert, um einen Betrieb in einem Kraftstoff-Abschaltungsmodus, z. B. während Verlangsamungen, zu verhindern, und autonome Motorabschaltungen zu verhindern.
  • 12 zeigt eine Ammoniakproduktion (NH3), die einem LKV (L/K-Verhältnis) aus dem Motor heraus im Abgaszustrom unterstromig eines motornahen Dreiwege-Katalysators für ein beispielhaftes System bei verschiedenen Motorlasten (Niedrig, Mittel, Hoch) bei einer vorbestimmten Motorbetriebsdrehzahl (1000 U/min) entspricht. Die Ergebnisse zeigen an, dass die Ammoniakproduktion bei einem LKV von etwa 14:1 und innerhalb eines LKV-Bereiches zwischen 13,5:1 und 14,5:1 ein Maximum erreicht, und geben somit einen bevorzugten LKV-Punkt zur Maximierung der Ammoniakproduktion an. Die Ergebnisse zeigen ferner an, dass während eines stöchiometrischen Betriebes eine gewisse Ammoniakproduktion stattfindet, wenn das LKV aus dem Motor zwischen unter- und überstöchiometrisch oszilliert, einschließlich dessen, wenn das LKV zwischen unter- und überstöchiometrisch mit einem erweiterten Band für +/–ΔLKV um Stöchiometrie herum oszilliert.
  • Wenn die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches liegt, moduliert das Steuerschema 200' den Motorbetrieb, um Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) zur Ammoniakproduktion zu produzieren (209'). In dieser Ausführungsform kann das Modulieren des Motorbetriebes umfassen, dass der Motor 10' bei Stöchiometrie betrieben wird, der Motor 10' bei Stöchiometrie mit einem erweiterten Band für +/–ΔLKV um Stöchiometrie herum, z. B. 14,6:1 +/– 0,2 in einer Ausführungsform, betrieben wird, und der Motor 10' bei oder um ein/em LKV von 14:1 herum, abhängig von einem vorweggenommenen Bedarf an Ammoniak, betrieben wird. Der in der ersten Katalysatorvorrichtung 48, wie hierin oben beschrieben, mithilfe von Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) erzeugte Ammoniak 212 wird unterstromig zu der NH3-SCR-Vorrichtung 50 zur Speicherung transportiert (215), während die NH3-SCR-Vorrichtung 50 im Hinblick auf eine Sättigung überwacht wird (218). Solange die NH3-SCR-Vorrichtung 50 nicht gesättigt ist, kann das Steuerschema 200' innerhalb dieser Schleife arbeiten, um den Abgaszustrom zu beeinflussen.
  • Wenn das Steuerschema 200' bestimmt, dass die NH3-SCR-Vorrichtung 50 mit Ammoniak gesättigt ist (218), kann der Motorbetrieb angepasst werden, um das Modulieren des Motorbetriebes zur Ammoniakproduktion zu unterbrechen (221'). Dies umfasst das Ansprechen auf Befehle für Motorbetriebsbedingungen, die für eine Ammoniakproduktion nicht förderlich sind, umfassend Kraftstoffabschaltungsereignisse, z. B. während Verlangsamungsereignissen und einer Motarabschaltung, und das Überführen des Motorbetriebs in einen mageren Motorbetrieb. Das Steuerschema 200' unterbricht das Modulieren des Motorbetriebes, um Ammoniak zu erzeugen, wenn die NH3-SCR-Vorrichtung 50 gesättigt ist, und führt den Motorbetrieb in einen mageren Motorbetrieb über, der erhöhte NOx-Emissionen in den Abgaszustrom zur Folge hat. Der magere Motorbetrieb kann einen Betrieb bei einem LKV vorzugsweise zwischen 15,5:1 und 25:1 umfassen. Der gespeicherte Ammoniak wird abgereichert, wenn Ammoniakmoleküle mit NOx-Molekülen reagieren. Wenngleich nicht explizit gezeigt, kann dem Motor 10' befohlen werden, in Ansprechen auf einen Motor- und Fahrzeugbetrieb überstöchiometrisch zu arbeiten, was Kraftstoffabschaltungsereignisse, z. B. während Verlangsamungsereignissen, eines Motorleerlaufs und Motarabschaltungsereignissen umfasst, die bei Motorausschalt/Start-Systemen stattfinden können, die mit einem Hybridantriebssystembetrieb verbunden sind. Das Steuerschema 200' unterbricht einen mageren Motorbetrieb vorzugsweise nach dem Detektieren eines NOx-Durchbruches unterstromig von der NH3-SCR-Vorrichtung 50 (224). Nach dem Bestimmen, dass Ammoniak abgereichert ist, oder dem Detektieren eines NOx-Durchbruches kann das Steuerschema 200' den Motorbetrieb modulieren, um Ammoniak zu produzieren (209).
  • 13 zeigt grafisch das LKV (L/K) aus dem Motor, die Fahrzeuggeschwindigkeit (MPH) und die Ammoniakerzeugung (NH3) über eine Reihe von Beschleunigungs- und Verlangsamungsereignissen für ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem Motor 10' und einem Nachbehandlungssystem, das wie unter Bezugnahme auf 10 beschrieben ausgebildet ist, wobei der Motor 10' bei Stöchiometrie arbeitet. Die eine Reihe von Beschleunigungs- und Verlangsamungsereignissen ist analog zu einem FTP-18 Fahrzyklus. Die Ergebnisse zeigen an, dass eine beträchtliche Menge Ammoniak während eines stöchiometrischen Motorbetriebes produziert wird.
  • 14 zeigt grafisch die Fahrzeuggeschwindigkeit (MPH) und die NOx-Emissionen in die und aus der NH3-SCR-Vorrichtung 50, die eine Fe-SCR-Vorrichtung umfasst, über eine Reihe von Beschleunigungs- und Verzögerungsereignissen für ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem beispielhaften Motor 10 und einem Nachbehandlungssystem, wobei der Motor 10 bei Stöchiometrie arbeitet. Die eine Reihe von Beschleunigungs- und Verzögerungsereignissen ist analog zu einem FTP-18 Fahrzyklus. Die Ergebnisse zeigen eine Reduktion der NOx-Emissionen über die NH3-SCR-Vorrichtung hinweg bei Vorhandensein von Ammoniak, der während eines stöchiometrischen Motorbetriebes produziert wird, an.
  • 15 zeigt grafisch den NOx-Umwandlungswirkungsgrad (%), welcher der Temperatur über die NH3-SCR-Vorrichtung hinweg entspricht, wobei Kupfer als katalytisches Material verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigen an, dass der Umwandlungswirkungsgrad gering ist, wenn kein Sauerstoff (O2) vorhanden ist, bei geringen Niveaus von Sauerstoff, z. B. einer Konzentration von 0,5% im Zustrom, stieg der Umwandlungswirkungsgrad jedoch deutlich an und umfasste einen Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 80% bei einer Sauerstoffkonzentration von 0,5% im Zustrom, wenn die Temperatur 350°C oder mehr betrug. 16 zeigt grafisch den NOx-Umwandlungswirkungsgrad (%), welcher der Temperatur über die NH3-SCR-Vorrichtung hinweg entspricht, wobei Eisen als katalytisches Material verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigen an, dass der Umwandlungswirkungsgrad gering ist, wenn kein Sauerstoff (O2) vorhanden ist, bei geringen Niveaus von Sauerstoff, z. B. einer Konzentration von 0,05% oder 500 ppm im Zustrom, stieg der Umwandlungswirkungsgrad jedoch deutlich an und umfasste einen Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 60% bei einer Sauerstoffkonzentration von 0,05% im Zustrom, wenn die Temperatur 350°C oder mehr betrug. Die Ergebnisse der 15 und 16 zeigen an, dass eine beträchtliche NOx-Umwandlung bei Abgaszustrombedingungen mit niedrigen Niveaus von Sauerstoff, wie es z. B. bei einem stöchiometrischen Motorbetrieb der Fall ist, stattfinden kann.
  • Ein weiteres Verfahren zum Betreiben des Motors 10 bei einem bevorzugten LKV, um einen Abgaszustrom aus dem Motor mit bevorzugten Konzentrationen und Verhältnissen von Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) zur Umwandlung in Ammoniak über die erste Katalysatorvorrichtung 48 hinweg zu erzeugen, umfasst, dass der Ammoniak auf einer Ammoniak einsetzenden selektiven Vorrichtung 50 zur katalytischen Reduktion gespeichert wird und ein anschließender Motorbetrieb bei einem mageren LKV zugelassen wird. Das bevorzugte LKV liegt innerhalb eines Bereiches von LKVs in einem Abgaszustrom, der bevorzugte Konzentrationen und Verhältnisse von Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) aus dem Motor erzeugt, die über die erste Katalysatorvorrichtung 48 hinweg in Ammoniak umgewandelt werden. Der Bereich von LKVs entspricht einem bevorzugten Bereich von Lambdawerten. Lambda ist ein ratiometrischer Wert des tatsächlichen LKV verglichen mit einem stöchiometrischen LKV für einen vorhandenen Motorkraftstoff. Wie hierin beschrieben und im Detail ausgeführt, liegt der bevorzugte Bereich von Lambda zwischen 0,95 und 1,00, um bevorzugte Konzentrationen und Verhältnisse von Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) aus dem Motor zu erzeugen, die über die erste Katalysatorvorrichtung 48 hinweg in Ammoniak umgewandelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der bevorzugte Lambdabereich zwischen 0,97 und 1,0, wobei das bevorzugte LKV diesem zugeordnet ist.
  • Das hierin offenbarte bevorzugte LKV entspricht dem Betreiben des beispielhaften Motors 10 unter Verwendung von Benzinkraftstoff mit einem stöchiometrischen LKV-Wert von 14,6:1 und soll dadurch nicht beschränkt sein. Es können andere Kraftstoffmischungen in Übereinstimmung mit der Offenlegung verwendet werden, die verschiedene Qualitäten von Benzin und leichte Ethanolblends davon, flüssige und gasförmige Kraftstoffe wie z. B. höhere Ethanolblends (z. B. E80, E85), unvermischtes Ethanol (E99), unvermischtes Methanol (M100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Syngase und andere umfassen. Unabhängig von dem verwendeten Kraftstoff arbeitet der Motor 10 bei dem bevorzugten LKV, das dem Bereich von Lambdawerten zwischen 0,97 und 1 entspricht, um die bevorzugten Konzentrationen von Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) im Abgaszustrom zur Umwandlung in Ammoniak über die erste Katalysatorvorrichtung 48 hinweg zu erzeugen.
  • 17 zeigt ein Flussdiagramm für ein Steuerschema 300 zum Beeinflussen eines Abgaszustromes von dem Motor 10 während eines Motorbetriebes. Das Steuerschema 300 ist als eine Vielzahl von separaten Elementen gezeigt. Diese Veranschaulichung dient der einfacheren Beschreibung und es sollte einzusehen sein, dass die durch diese Elemente ausgeführten Funktionen in einer oder mehreren Vorrichtungen kombiniert, z. B. in einer Software, Hardware und/oder einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis implementiert sein können. Zum Beispiel kann das Steuerschema 300 als ein oder mehrere Algorithmen in dem Steuermodul 5 ausgeführt werden. Das Steuerschema 300 umfasst die Überwachung des Motorbetriebes einschließlich der Überwachung von Aktivierungskriterien für die NH3-SCR-Vorrichtung 50 (303). Die Aktivierungskriterien umfassen die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50, die Katalysatorbett- Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 und die Raumgeschwindigkeit der Abgasströmung durch die NH3-SCR-Vorrichtung 50.
  • Bevor der Motorbetrieb auf ein bevorzugtes LKV zur Ammoniakproduktion gesteuert wird, müssen die Aktivierungskriterien für die NH3-SCR-Vorrichtung 50 erfüllt sein (306). Die NH3-SCR-Vorrichtung 50 muss sich innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches befinden, wie hierein oben beschrieben. Vorzugsweise wird die Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 kontinuierlich mithilfe des SCR-Temperatursensors 51 überwacht. Wenn sich die NH3-SCR-Vorrichtung 50 außerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches befindet, kann der Motorbetrieb auf ein stöchiometrisches LKV gesteuert werden. Darüber hinaus muss die Katalysatorbett-Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50 niedriger sein als eine vorbestimmte Temperatur und die Raumgeschwindigkeit der Abgasströmung durch die NH3-SCR-Vorrichtung 50 muss kleiner sein als eine vorbestimmte Raumgeschwindigkeit, wie hierin unten stehend beschrieben.
  • Wenn die Aktivierungskriterien erfüllt sind, steuert das Steuerschema 300 den Motorbetrieb auf ein bevorzugtes LKV, um Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) zur Ammoniakproduktion zu erzeugen (309). Ammoniak wird in der ersten Katalysatorvorrichtung 48 mithilfe des Stickoxids (NO), Kohlenmonoxids (CO) und Wasserstoffes (H2), wie hierin oben beschrieben, produziert (312) und unterstromig zu der NH3-SCR-Vorrichtung 50 zur Speicherung transportiert (315). Nachdem der Ammoniak in der NH3-SCR-Vorrichtung 50 gespeichert wurde, wird der Motor 10 bei einem mageren LKV betrieben (318).
  • 18 veranschaulicht grafisch die Testergebnisse in Verbindung mit dem Betrieb eines Motors auf einem Dynamometer unter Verwendung ei ner Magerverbrennungs-Fremdzündungs-Direkteinspritzverbrennung, der in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenlegung arbeitet. Der Motor umfasst einen motornahen Dreiwege-Katalysator zum Einbringen und Behandeln von Abgas. Die gezeigten Daten umfassen Konzentrationen (ppm) der Abgasbestandteile aus dem Motor, NOx, CO und H2, und einen Abgasbestandteil, NH3, der aus dem Dreiwege-Katalysator ausgegeben wird, über einen Bereich von Motor-LKVs von 15,0:1 bis 12,0:1. Das nominale stöchiometrische LKV für den gezeigten Betrieb lautet 14,6:1. Es ist auch die entsprechende Temperatur (Grad C) des Dreiwege-Katalysators gezeigt. Der Motor arbeitet bei einer Drehzahl von 2000 U/min und einer Last von 2 bar. Wie oben beschrieben, ändern sich die Konzentrationen und Verhältnisse der Abgasbestandteile aus dem Motor, NO, CO und H2, mit Änderungen des LKV, was die Konzentration des von dem Dreiwege-Katalysator ausgegebenen NH3 beeinflusst. In dem beispielhaften Datensatz von 18 ist gezeigt, dass die aus dem TWC austretende NOx-Konzentration mit abnehmendem LKV abnimmt, und es zeigt sich, dass die H2-Konzentration mit abnehmendem LKV ansteigt. Es zeigt sich, dass die resultierende Konzentration von NH3 mit abnehmendem LKV ansteigt und eine Spitze bei ungefähr 14,2:1 aufweist und danach mit abnehmendem LKV, d. h. wenn das LKV zunehmend fetter wird, abnimmt. Infolgedessen kann in der beispielhaften Konfiguration mit dem speziellen Katalysator, der zur Erzeugung des in 18 gezeigten Datensatzes verwendet wurde, ein Ammoniak-Produktionszyklus am besten bei einem LKV entsprechend 14,2:1 für einen nominalen stöchiometrischen Punkt von 14,6:1 betrieben werden. Allerdings, wie oben beschrieben, können verschiedene Konfigurationen und insbesondere verschiedene Katalysatoren das Verhältnis von Wasserstoff und NOx ändern, um die Ammoniakproduktion am besten zu ermöglichen. Die zugehörigen Lambdawerte werden auf der Basis des nominalen stöchiometrischen LKV von 14,6:1 bestimmt.
  • 19 veranschaulicht grafisch die Testergebnisse in Verbindung mit dem Betrieb des Motors auf einem Dynamometer unter Verwendung einer Magerverbrennungs-Fremdzündungs-Direkteinspritzverbrennung, der in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenlegung arbeitet. Der Motor umfasst einen motornahen Dreiwege-Katalysator zum Einbringen und Behandeln von Abgas. Die gezeigten Daten umfassen Konzentrationen (ppm) der Abgasbestandteile aus dem Motor, NOx, CO und H2, und einen Abgasbestandteil, NH3, der aus dem Dreiwege-Katalysator ausgegeben wird, über einen Bereich von Motor-LKVs von 15,0:1 bis 12,0:1. Das nominale stöchiometrische LKV für den gezeigten Betrieb lautet 14,6:1. Es ist auch die entsprechende Temperatur (Grad C) des Dreiwege-Katalysators gezeigt. Der Motor arbeitet bei einer Drehzahl von 1500 U/min und einer Last von 1 bar. Wie oben in Verbindung mit 18 beschrieben, zeigt 19 die Ammoniakproduktion über einen Bereich von LKV-Werten. Wiederum weist die Ammoniakproduktion bei einem unterstöchiometrischen LKV-Wert eine Spitze auf und ist teilweise durch die Konzentrationen und Verhältnisse von H2 und NOx gesteuert. In den beispielhaften Testergebnissen von 19 tritt der Spitzenwert der Ammoniakproduktion bei einem LKV-Wert von ungefähr 14,2:1 für einen nominalen stöchiometrischen Punkt von 14,6:1 auf. Dieser Wert ist, wie oben beschrieben von den Eigenschaften des verwendeten Katalysators abhängig.
  • Während Kraftstoffeinspritz-Verbrennungsereignissen kann im Motor 10 eine Produktion von molekularem Wassserstoff stattfinden. Wie in den 18 und 19 veranschaulicht, produziert eine Verbrennung in einer fetten LKV-Umgebung, in der molekularer Sauerstoff knapp ist, erhöhte Niveaus von molekularem Wasserstoff. Die Wasserstoffproduktion kann als Ergebnis einer einzigen Einspritzung stattfinden. In einem weiteren beispielhaften Verfahren kann eine geteilte Einspritzung verwendet werden, wobei eine erste Einspritzung in Übereinstimmung mit einem mageren oder stö chiometrischen Betrieb ausgeführt wird und eine zweite Einspritzung später im Verbrennungstakt ausgeführt wird, wodurch das Gesamt-LKV in den stöchiometrischen oder fetten Bereich gebracht wird, der erforderlich ist, um molekularen Wasserstoff zu produzieren. Es wurde ferner festgestellt, dass das LKV der ersten Einspritzung die Tendenz zeigt, die NOx-Produktion zu steuern, und der resultierende Betrieb des Verbrennungstakts nach der zweiten Einspritzung die Tendenz zeigt, die Produktion von molekularem Wasserstoff zu steuern. In einer zusätzlichen oder alternativen Strategie kann eine zweite Einspritzung in dem Motor eingesetzt werden, nachdem die Verbrennung im Wesentlichen abgeschlossen ist, oder die Einspritzung kann direkt in den Abgasstrom hinein eingesetzt werden. Diese Kraftstoffeinspritzung nach der Verbrennung kann dann auf einem Katalysator wie z. B. der ersten Katalysatorvorrichtung 48 reformiert werden, um Wasserstoff zu bilden. Dieses Reformieren der Kohlenwasserstoffe ist eine exotherme Reaktion und kann eine beträchtliche Wärme erzeugen. Die Temperatur der ersten Katalysatorvorrichtung 48 wird vorzugsweise überwacht oder abgeschätzt, um den Katalysator vor Übertemperaturbedingungen zu schützen. Ein beispielhaftes Verfahren kann zwischen einer Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungstakt und einer Kraftstoffeinspritzung nach dem Verbrennungstakt auf der Basis relevanter Parameter umschalten, die vorzugsweise die Temperatur der ersten Katalysatorvorrichtung 48 umfassen. Vorzugsweise wird der Katalysator auf der ersten Katalysatorvorrichtung 48 verwendet, um Wasserstoff oberstromig des Katalysators zu bilden, welcher verwendet wird, um Ammoniak zu bilden, kann aber als separate Vorrichtung oder als Katalysator innerhalb der ersten Katalysatorvorrichtung 48 vorhanden sein. Überdies sind Katalysatorkonstruktionen bekannt, um Wasserstoff selbst in Gegenwart von molekularem Sauerstoff zu produzieren, um die Effizienz der Wasserstoffproduktion zu erhöhen, indem die Notwendigkeit reduziert wird, zusätzlichen Kraftstoff einzuspritzen, um den Sauerstoff vollständig abzureichern.
  • Der durch die obigen Verfahren erzeugte Ammoniak kann auf einem Katalysator innerhalb der NH3-SCR-Vorrichtung 50 gespeichert werden, der mit einem Vermögen zum Speichern von Ammoniak gewählt ist. Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, ist die Speicherung von Ammoniak auf einem Katalysator von einer Anzahl von Eigenschaften der Abgasströmung, z. B. der Katalysatorbett-Temperatur der NH3-SCR-Vorrichtung 50, TBED, und der Raumgeschwindigkeit SV der Abgasströmung durch die NH3-SCR-Vorrichtung 50, abhängig. Erhöhte Katalysatorbett-Temperaturen oder erhöhte Geschwindigkeiten der Abgasströmung innerhalb der NH3-SCR-Vorrichtung 50 verursachen einen Ammoniakschlupf. Das Betreiben des Motors bei einem bevorzugten LKV kann auf der Basis von vorhergesagten TBED- und SV-Bereichen begrenzt sein, die für das Zurückhalten von gespeichertem Ammoniak förderlich sind. TBED kann gemessen oder in Übereinstimmung mit einem Modell vorhergesagt werden. Ein beispielhafter Ausdruck für TBED kann durch die folgende funktionelle Beziehung gegeben werden. TBED = f(T1,T2,MDOT_EXH, TAMB, SCR-Geometrie) [5]
  • T1 beschreibt die Temperatur der Abgasströmung, gemessen oberstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50, und T2 beschreibt die Temperatur der Abgasströmung, gemessen unterstromig der NH3-SCR-Vorrichtung 50. MDOT_EXH beschreibt eine Massenströmungsrate von Abgas durch die NH3-SCR-Vorrichtung 50 und kann auf der Basis des Betriebes des Motors abgeschätzt oder modelliert werden. TAMB beschreibt eine Temperatur von Umgebungsbedingungen für das Auslasssystem und kann direkt gemessen oder auf der Basis von in üblicher Weise gemessenen Werten wie z. B. der Einlasslufttemperatur bestimmt werden. Ebenso kann SV in Übereinstimmung mit MDOT_EXH und der SCR-Geometrie vorhergesagt werden. Auf diese Weise kann eine Ammoniakproduktion zu Zeiten bewerkstelligt werden, zu denen ein übermäßiger Ammoniakschlupf nicht vorhersehbar den Ammoniak von der NH3-SCR-Vorrichtung 50 abreichern wird.
  • Die Motordrehzahlen und -lasten sind für die Ammoniakproduktionszyklen von Bedeutung. Ein Motorbetrieb kann eine hohe Temperatur und hohe Massenströmungsraten in der Abgasströmung erzeugen. Die aus dem Betrieb des Motors 10 resultierenden Bedingungen in der Abgasströmung können übermäßige Kraftstoffbedürfnisse oder Bedingungen für eine bevorzugte Abgasnachbehandlung erfordern, die einen übermäßigen Schlupf in der NH3-SCR-Vorrichtung 50 erzeugen. Allerdings können Hybridantriebe, die einen Motor und weitere kraftstofflose Drehmomenterzeugungsvorrichtungen umfassen, ein benötigtes Ausgangsdrehmoment an einen Antriebsstrang liefern und gleichzeitig das Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Vorrichtungen des Antriebes und das Gleichgewicht zwischen der Drehmomenterzeugung für den Fahrzeugbetrieb und der Drehmomenterzeugung für die Abgasnachbehandlung modulieren.
  • In Hybridantrieben können die kraftstofflosen Drehmomenterzeugungsvorrichtungen eine elektrische Maschine oder Maschinen umfassen, die in der Lage sind, in einem Drehmomenterzeugungs-Motormodus oder einem Energierückgewinnungs-Generatormodus zu arbeiten. Solche elektrischen Maschinen sind funktionell mit einer Energiespeichervorrichtung gekoppelt, die in der Lage ist, elektrische Energie an die elektrischen Maschinen zu liefern oder von diesen zu empfangen und zu speichern. Auf diese Weise kann der Motorbetrieb von dem benötigten Ausgangsdrehmoment abgekoppelt werden, um die Effizienz der Ammoniakproduktion und -speicherung in einem Nachbehandlungssystem zu erhöhen. Es kann z. B. zugelassen sein, dass das Motordrehmoment das benötigte Ausgangsdrehmoment übersteigt, wobei ein stöchiometrischer oder fetter Motorbetrieb eingesetzt wird, der für eine Ammoniakproduktion bei hoher Last förderlich ist, und dass das Motordrehmoment, welches das benötigte Ausgangsdrehmoment übersteigt, mithilfe einer elektrischen Maschine zurückgewonnen wird, um das überschüssige Motordrehmoment in elektrische Energie zur Speicherung in der Energiespeichervorrichtung umzuwandeln. Auf diese Weise kann zusätzlicher Kraftstoff, der eingesetzt wird, um Wasserstoff zu erzeugen, gespeicherte Energie erzeugen, anstatt in dem Nachbehandlungssystem vollständig als Wärme abgegeben zu werden. Alternativ kann ein Motordrehmomentausgang vermindert werden, um den Motor bei einem bevorzugten LKV zu betreiben, während der Drehmomentausgang von den Drehmomenterzeugungsvorrichtungen erhöht wird. In einem weiteren Beispiel, unter einem Hochlastbetrieb, z. B. in einem Fahrzeug, das ein schweres Objekt eine anhaltende Steigung unter weit offenen Drosselklappenbedingungen hochzieht, können die Abgastemperaturen, die aus dem Betrieb des Motors unter Hochlast resultieren, einen übermäßigen Schlupf in der NH3-SCR-Vorrichtung 50 erzeugen. Eine elektrische Maschine oder Maschinen kann/können eingesetzt werden, um etwas von dem benötigten Ausgangsdrehmoment bereitzustellen, um dadurch den Drehmomentausgang von dem Motor zu vermindern und einen Betrieb des Motors in einem Gangzustand zuzulassen, der eine geringere Motordrehzahl zulässt und die resultierenden Temperaturen im Abgas reduziert. Auf diese Weise kann ein Hybridantrieb verwendet werden, um die Ammoniakproduktion und -speicherung zu erleichtern.
  • Die 20 und 21 beziehen sich auf Reaktanden, die in einen ersten chemischen Reaktor eingeleitet werden, der einen ersten TWC-Katalysatorkörper und einen zweiten TWC-Katalysatorkörper umfasst und ausgebildet ist, um die TWC-Vorrichtungen in einem Fahrzeug-Abgasstrom zu simulieren. 20 zeigt eine Tabelle von Probereaktionsgemischen, die in den ersten chemischen Reaktor eingeleitet wurden, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung. Jedes Probereaktionsgemisch umfasst Niveaus von Komponentengasen, die auf der Basis von Motormodellen bestimmt wurden, welche Abgaszusammensetzungen bei ausgewählten Motor-LKVs simulierten. Das ideale durchschnittliche LKV (Ideales durchschnittliches L/K) ist das Ziel-Motor-LKV, das die Abgaszusammensetzungen produzieren würde, die mit den Probereaktionsgemischen auf der Basis der Motormodelle korrelieren würden. Das berechnete durchschnittliche LKV (Berechnetes durchschnittliches L/K) ist das erzielte modellierte LKV auf der Basis der tatsächlichen Reaktandenmessungen. Das berechnete durchschnittliche Lambda (Berechnetes durchschnittliches Lambda) ist der Lambdawert für das berechnete durchschnittliche LKV. Die Mengen von Sauerstoff (% O2), Kohlenmonoxid (% CO), Wasserstoff (% H2), Kohlendioxid (% CO2), Wasser (% H2O), Kohlenwasserstoffen (ppm HC) und Stickoxid (% NO2), die in jedem Probereaktionsgemisch enthalten Waren, wurden gemessen. Des Weiteren umfasst jedes Probereaktionsgemisch ein Schwefeldioxidniveau (SO2) von 2,7 ppm.
  • 21 veranschaulicht grafisch Ammoniakproduktionsniveaus über einen Bereich von LKVs und Reaktionstemperaturen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung. Der Graph veranschaulicht die Ammoniakniveaus (NH3 (ppm)), die durch den ersten chemischen Reaktor bei Ziel-LKVs (L/K-Verhältnis (+/–0,25 L/K) und Reaktionstemperaturen von 300°C, 400°C, 500°C und 600°C erzeugt wurden. Für jede Reaktionstemperatur wurden die höchsten Ammoniakniveaus bei dem Ziel-LKV von 14,2 erzeugt und nehmen allgemein ab, wenn das LKV zunimmt. Ferner nehmen die Ammoniakniveaus mit steigender Reaktionstemperatur von 300°C auf 600°C bei dem Ziel-LKV von 14,2 ab.
  • Das hierin beschriebene Verfahren zieht die Produktion von Ammoniak durch Motormodulation in Erwägung, wobei Komponenten des Abgaszu stromes genutzt werden, um die Nachbehandlung von NOx in einer SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten. Es wird einzusehen sein, dass diese Verfahren getrennt von einer Harnstoffeinspritzung verwendet werden können, wobei die beschriebenen Verfahren den gesamten benötigten Ammoniak liefern. Alternativ können die hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden, um ein Harnstoffeinspritzsystem zu ergänzen und den Bereich des Systems zwischen einer benötigten Füllung des Harnstoffspeichertanks zu erweitern, während auf Grund der verfügbaren Harnstoffeinspritzung nach Bedarf ein voller Bereich von Motor- und Antriebsbetrieb ohne wesentliches Überwachen von Ammoniakproduktionszyklen und der Ammoniakspeicherkapazität zugelassen wird.
  • Die Offenlegung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen daran beschrieben. Nach dem Lesen und Verstehen der Beschreibung kann es sein, dass jemandem weitere Abwandlungen und Änderungen einfallen. Die Offenlegung soll daher nicht auf die spezielle/n Ausführungsform/en beschränkt sein, die als die beste Art in Erwägung gezogen wird/werden, um diese Offenlegung auszuführen, sondern die Offenlegung soll vielmehr alle Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, welches umfasst, dass: der Motor auf ein bevorzugtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, um einen Abgaszustrom aus dem Motor mit einer bevorzugten Konzentration von Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen; das Stickoxid, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff über eine erste Katalysatorvorrichtung zu Ammoniak umgewandelt werden; und der Ammoniak an einer Ammoniak einsetzenden Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion gespeichert wird, die fluidtechnisch in Reihe unterstromig der ersten Katalysatorvorrichtung verbunden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das bevorzugte Luft/Kraftstoff-Verhältnis zum Erzeugen eines Abgaszustromes aus dem Motor mit einer bevorzugten Konzentration von Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff einen Lambdawert zwischen 0,95 und 1 umfasst, und/oder wobei die Ammoniak einsetzende Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion ein Katalysatormaterial mit einem unedlen Metall umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass: das Steuern des Motors auf ein bevorzugtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis unterbrochen wird, wenn eine Temperatur der Ammoniak einsetzenden Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion größer ist als eine vorbestimmte Temperatur, und/oder das Steuern des Motors auf ein bevorzugtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis unterbrochen wird, wenn eine Raumgeschwindigkeit des Abgaszustromes größer ist als eine vorbestimmte Raumgeschwindigkeit.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor mit einem Hybridantrieb gekoppelt ist, der kraftstofflose Drehmomenterzeugungsvorrichtungen umfasst, welche funktionell mit einer Energiespeichervorrichtung gekoppelt sind; und wobei das Verfahren ferner umfasst, dass ein überschüssiges Motordrehmoment, welches ein erforderliches Ausgangsdrehmoment überschreitet, unter Verwendung der kraftstofflosen Drehmomenterzeugungsvorrichtungen zurückgewonnen wird, um das überschüssige Motordrehmoment zur Speicherung in der Energiespeichervorrichtung umzuwandeln; und/oder wobei das Verfahren ferner umfasst, dass der Drehmomentausgang von den kraftstofflosen Drehmomenterzeugungsvorrichtungen vermindert wird, wenn der Motor bei dem bevorzugten Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert ist; und/oder wobei das Verfahren ferner umfasst, dass eine Temperatur der Ammoniak einsetzenden Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion gesenkt wird, indem unter Hochlastbetrieb ein Drehmomentausgang von dem Motor vermindert wird und ein Drehmo mentausgang von den kraftstofflosen Drehmomenterzeugungsvorrichtungen erhöht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die bevorzugten Konzentrationen von Stickoxid und Wasserstoff Verhältnisse von Wasserstoff zu Stickoxid zwischen 3:1 und 5:1 umfassen.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die bevorzugten Konzentrationen von Kohlenmonoxid und Stickoxid Verhältnisse von Kohlenmonoxid zu Stickoxid zwischen 9:1 und 15:1 umfassen.
  7. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsrotors, welches umfasst, dass: der Motor auf ein bevorzugtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, um einen Abgaszustrom aus dem Motor mit bevorzugten Verhältnissen und Konzentrationen von Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen; das Stickoxid, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff über eine motornahe Dreiwege-Katalysatorvorrichtung zu Ammoniak umgewandelt werden; und der Ammoniak an einer Ammoniak einsetzenden Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion gespeichert wird, die fluidtechnisch in Reihe unterstromig der motornahen Dreiwege-Katalysatorvorrichtung verbunden ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das bevorzugte Luft/Kraftstoff-Verhältnis zum Erzeugen eines Abgaszustromes aus dem Motor mit bevorzugten Verhältnissen und Konzentrationen von Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff einem Lambdawert im Bereich zwi schen 0,90 und 1, insbesondere zwischen 0,95 und 1 und insbesondere zwischen 0,97 und 1 entspricht.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die bevorzugten Verhältnisse von Wasserstoff zu Stickoxid zwischen 3:1 und 5:1 liegen, und/oder wobei die bevorzugten Verhältnisse von Kohlenmonoxid zu Stickoxid zwischen 9:1 und 15:1 liegen.
  10. Motorsteuersystem, welches umfasst: ein Verbrennungsmotorsystem mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das eine Dreiwege-Katalysatorvorrichtung aufweist, die fluidtechnisch in Reihe oberstromig einer Ammoniak einsetzenden Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion verbunden ist; und einen Controller, der den Motor steuert, um einen Abgaszustrom zu erzeugen, der Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff umfasst, wobei der Wasserstoff und das Stickoxid bei Verhältnissen zwischen 3:1 und 5:1 erzeugt werden, und das Kohlenmonoxid und das Stickoxid bei Verhältnissen zwischen 9:1 und 15:1 erzeugt werden, wobei vorzugsweise der Controller, welcher den Motor steuert, um den Abgaszustrom zu erzeugen, der Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei Wasserstoff/Stickoxid-Verhältnissen zwischen 3:1 und 5:1 und bei Kohlenmonoxid/Stickoxid zwischen 9:1 und 15:1 umfasst, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einen Lambdawert im Bereich zwischen 0,90 und 1 steuert, und/oder wobei der Controller, welcher den Motor steuert, um den Abgaszustrom zu erzeugen, der Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei Wasserstoff/Stickoxid-Verhältnissen zwischen 3:1 und 5:1 und bei Kohlenmonoxid/Stickoxid zwischen 9:1 und 15:1 umfasst, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einen Lambdawert im Bereich zwischen 0,97 und 1 steuert.
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