DE102011016724A1

DE102011016724A1 - Verfahren zur erzeugung von ammoniak, der zur steuerung von nachbehandlungsbedingungen von nox-emissionen wirksam ist

Info

Publication number: DE102011016724A1
Application number: DE102011016724A
Authority: DE
Inventors: Karthik Ramanathan; Ashok Gopinath
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2011-12-08
Also published as: US20110252766A1; CN102220897A; US8677734B2

Abstract

Ein Verfahren zur Reduktion von NOx-Molekülen in einer Abgasströmung in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors umfasst ein Speichern von NOx von der Abgasströmung an einer NOx-Speicherkomponente in einer der Abgasströmung ausgesetzten Nachbehandlungsvorrichtung. Wenn die Abgasströmung molekularen Wasserstoff aufweist, wird das gespeicherte NOx freigesetzt, um Ammoniak in der Abgasströmung zu erzeugen. In einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die sich stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtung befindet, wird das erzeugte Ammoniak verwendet, um NOx in der Abgasströmung zu reduzieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft die Steuerung von Nachbehandlung von NOx-Emissionen bei Verbrennungsmotoren.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
Die Emissionssteuerung ist eine wichtige Betrachtung beim Motorenbau und der Motorsteuerung. Stickoxide (NOx) sind bekannte Nebenprodukte einer Verbrennung. NOx werden durch in der Motoransaugluft vorhandene Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle erzeugt, die sich bei den hohen Verbrennungstemperaturen aufspalten, wobei höhere Raten der NOx-Erzeugung höheren Verbrennungstemperaturen und einem längeren Einwirken der höheren Temperaturen auf die Luftmoleküle zugeordnet sind. Sobald NOx-Moleküle in dem Brennraum erzeugt werden, können sie in beispielhaften Vorrichtungen, die im Stand der Technik innerhalb der breiteren Kategorie der Nachbehandlungsvorrichtungen bekannt sind, zurück zu Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen umgewandelt werden.
Moderne Motorsteuerverfahren verwenden verschiedene Betriebsstrategien, um die Verbrennung zu optimieren. Manche Betriebsstrategien, die die Verbrennung hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit optimieren, umfassen magere, örtlich begrenzte oder geschichtete Verbrennung in dem Brennraum, um die Kraftstoffladung zu verringern, die zum Erreichen der von dem Zylinder geforderten Arbeitsleistung und zum Steigern von Motorwirkungsgrad nötig ist. Zum Beispiel werden durch Betrieb in einem ungedrosselten Zustand Ansaugluftpumpverluste verringert. Während die Temperaturen in dem Brennraum in Verbrennungstaschen hoch genug werden können, um signifikante Mengen an NOx zu erzeugen, kann die gesamte Energieabgabe des Brennraums, insbesondere die von dem Motor durch den Abgaspfad abgegebene Wärmeenergie, gegenüber normalen Werten stark verringert sein. Solche Bedingungen können für Abgasnachbehandlungsstrategien eine Herausforderung darstellen, da die Nachbehandlungsvorrichtungen häufig eine erhöhte Betriebstemperatur erfordern, die von der Abgasstromtemperatur gesteuert wird, um zum Behandeln von NOx-Emissionen angemessen zu arbeiten.
Es sind Nachbehandlungsvorrichtungen bekannt, die chemische Reaktionen verwenden, um die Abgasströmung zu behandeln. Eine beispielhafte Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR, kurz vom engt. Selective Catalytic Reduktion). Bekannte SCR-Vorrichtungen können aus Harnstoffinjektion gewonnenen Ammoniak, um NOx zu behandeln, verwenden. An einem Katalysatorbett in der SCR gespeichertes Ammoniak reagiert mit NOx, vorzugsweise in einem erwünschten Verhältnis von NO und NO₂, und erzeugt günstige Reaktionen zum Behandeln des NOx. Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst ein bevorzugtes Verhältnis von NO zu NO₂ von eins zu eins und ist als schnelle SCR-Reaktion bekannt. Eine ständige Verbesserung der Abgasnachbehandlung erfordert präzise Informationen bezüglich NOx-Emissionen in der Abgasströmung, um eine wirksame NOx-Reduktion zu erreichen, beispielsweise das Dosieren der richtigen Menge von Harnstoff beruhend auf überwachten NOx-Emissionen.
Zusätzlich sind andere Nachbehandlungsvorrichtungen zum Behandeln von Bestandteilen in der Abgasströmung bekannt. Bei Benzinanwendungen werden insbesondere Dreiwegekatalysatoren (TWC, kurz vom engl. ”Three Way Catalysts”) verwendet. Mager-NOx-Fänger (LNT) verwenden Katalysatoren, die eine gewisse Menge an NOx speichern können, und es wurden Motorsteuerungstechnologien entwickelt, um diese LNT's oder NOx-Adsorber mit kraftstoffeffizienten Motorsteuerungsstrategien zu kombinieren, mit den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern und immer noch annehmbare NOx-Emissionswerte zu erreichen. Eine beispielhafte Strategie umfasst das Verwenden eines Mager-NOx-Fängers, um NOx-Emissionen während kraftstoffarmen Betriebsabläufen zu speichern, und dann das Spülen des gespeicherten NOx während kraftstoffreichen Motorbetriebsbedingungen höherer Temperatur mit Dreiwegekatalyse zu Stickstoff und Wasser. Dieselpartikelfilter (DPF) halten bei Dieselanwendungen Ruß und Partikelmaterial zurück, und das zurückgehaltene Material wird regelmäßig bei Regenerationsvorgängen hoher Temperatur gespült.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Reduzieren von NOx-Molekülen in einer Abgasströmung in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors umfasst ein Speichern von NOx von der Abgasströmung an einer NOx-Speicherkomponente in einer der Abgasströmung ausgesetzten Nachbehandlungsvorrichtung. Wenn die Abgasströmung molekularen Wasserstoff aufweist, wird das gespeicherte NOx freigesetzt, um Ammoniak in der Abgasströmung zu erzeugen. In einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist, wird der erzeugte Ammoniak zur Reduktion von NOx in der Abgasströmung verwendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Darstellung ist, die einen Verbrennungsmotor, ein Steuermodul und ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 schematisch ein System für passive SCR gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
3 schematisch ein beispielhaftes Abgasnachbehandlungssystem zeigt;
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte lediglich dem Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht dem Zweck des Beschränkens derselben dient, ist 1 eine schematische Darstellung, die einen Verbrennungsmotor 10, ein Steuermodul 5 sowie ein Abgasnachbehandlungssystem 15 gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt. Der beispielhafte Motor umfasst einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit Direkt-Injektion, der an einer Kurbelwelle 24 angebrachte Hubkolben 22 aufweist, die in den Zylindern 20 beweglich sind, die Brennräume 34 veränderlichen Volumens festlegen. Es ist bekannt, dass Motoren unter Kompressionszündung oder Fremdzündung arbeiten. Ferner ist bekannt, dass Verfahren entweder eine Zündstrategie in einem einzigen Motor verwenden, wobei sie die Strategie beruhend auf Faktoren wie Motordrehzahl und -last abwandeln. Ferner ist bekannt, dass Motoren in Hybridstrategien arbeiten, beispielsweise Kompressionszündungsstrategien mit Zündunterstützung. Diese Offenbarung soll diese beispielhaften Ausführungsformen des Motorbetriebs einschließen, soll aber nicht darauf beschränkt sein. Die Kurbelwelle 24 ist an einem Fahrzeuggetriebe und Antriebsstrang funktionell angebracht, um diesem als Reaktion auf eine Drehmomentanforderung des Fahrers (T_{O_REQ}) Traktionsdrehmoment zu liefern. Der Motor nutzt vorzugsweise einen Viertaktbetrieb, wobei jeder Motorverbrennungstakt 720 Grad Winkeldrehung der Kurbelwelle 24, unterteilt in vier Stufen zu 180 Grad von Ansaugen-Verdichten-Arbeiten-Auslassen umfasst, die die Hubbewegung des Kolbens 22 in dem Motorzylinder 20 beschreiben. Ein Messzahnrad 26 mit mehreren Zähnen ist an der Kurbelwelle angebracht und dreht mit dieser. Der Motor umfasst Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebs und Aktuatoren, die den Motorbetrieb steuern. Die Erfassungsvorrichtungen und Aktuatoren sind mit dem Steuermodul 5 signaltechnisch oder funktionell verbunden.
Der Motor 10 umfasst vorzugsweise einen Viertaktverbrennungsmotor mit Direkt-Injektion, der einen Brennraum veränderlichen Volumens, der durch den sich in dem Zylinder zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt hin- und herbewegenden Kolben festgelegt ist, und einen Zylinderkopf, der ein Einlassventil und ein Auslassventil umfasst, enthält. Der Kolben bewegt sich in sich wiederholenden Zyklen hin und her, wobei jeder Zyklus Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Auspufftakt umfasst.
Der Motor 10 weist vorzugsweise ein Luft/Kraftstoff-Betriebsmodell auf, das vorrangig überstöchiometrisch ist. Dem Fachmann sei es verständlich, dass Aspekte der Erfindung auf andere Motorkonfigurationen anwendbar sind, die vorrangig überstöchiometrisch arbeiten, z. B. Magermotoren mit Fremdzündung. Die hier definierten beispielhaften Verfahren sind auf fremdgezündete Benzin-Direktinjektionsmotoren mit Schichtladung (SG-SIDI) anwendbar. Während eines normalen Betriebs des Kompressionszündungsmotors erfolgt ein Verbrennungsereignis während jedem Motorzyklus, wenn eine Kraftstoffladung in den Brennraum injiziert wird, um mit der Ansaugluft die Zylinderladung zu bilden. Bei Motoren mit Dieselzyklus stimmt der Verbrennungszeitpunkt allgemein mit der Hauptkraftstoffinjektion nahe dem oberen Totpunkt überein, während bei Kompressionszündungsmotoren mit gesteuerter Selbstzündung oder homogener Kompressionszündung eine Kraftstoffinjektion in dem Verbrennungszyklus früher stattfindet und ein Zündzeitpunkt nahe einem oberen Totpunkt gemäß der Steuerung von Bedingungen in dem Zylinder (einschließlich Temperatur und Druck) gesteuert wird und eine Funkenunterstützung von einer Zündquelle beispielsweise während eines Motorbetriebs mit geringer Drehzahl und geringer Last aufweisen kann.
Erfassungsvorrichtungen sind an oder nahe dem Motor eingebaut, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und Signale zu erzeugen, die mit Motor- und Umgebungsbedingungen korrelierbar sind. Die Erfassungsvorrichtungen umfassen einen Kurbelwellenrotationssensor, der einen Kurbelsensor 44 zum Überwachen von Kurbelwellendrehzahl (U/min) durch Erfassungskanten an den Zähnen des mehrzähnigen Messzahnrads 26 umfasst. Der Kurbelwellensensor ist bekannt und kann z. B. einen Hall-Effekt-Sensor, einen induktiven Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfassen. Der Signalausgang von dem Kurbelsensor 44 (U/min) wird zu dem Steuermodul 5 eingegeben. Dort gibt es einen Verbrennungsdrucksensor 30, der eine Druckerfassungsvorrichtung umfasst, die derart ausgelegt ist, um Druck im Zylinder (COMB_PR) zu überwachen. Der Verbrennungsdrucksensor 30 umfasst vorzugsweise eine nicht intrusive Vorrichtung, die einen Kraftwandler mit einem ringförmigen Querschnitt umfasst, der derart ausgelegt ist, um an einer Öffnung für eine Glühkerze 28 in dem Fall einer Dieselmotors in den Zylinderkopf eingebaut zu werden. Eine Zündkerze kann eine Glühkerze in dem Fall von Kompressionszündungsmotoren mit gesteuerter Selbstzündung oder homogener Kompressionszündung ersetzen. Der Verbrennungsdrucksensor 30 wird zusammen mit der Glühkerze 28 eingebaut, wobei Verbrennungsdruck mechanisch durch die Glühkerze zu dem Sensor 30 übertragen wird. Das Ausgangssignal COM_PR des Erfassungselements des Sensors 30 ist proportional zu Zylinderdruck. Das Erfassungselement des Sensors 30 umfasst eine piezokeramische oder andere Vorrichtung, die als solche auslegbar ist. Andere Erfassungsvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen Krümmerdrucksensor zum Überwachen von Krümmerdruck (MAP) und barometrischem Umgebungsdruck (BARG), einen Luftmassenstrommesser zum Überwachen von Ansaugluftstrom (MAF) und Ansauglufttemperatur (T_IN) und einen Kühlmittelsensor 35 (KÜHLMITTEL). Das System kann einen Abgassensor zum Überwachen von Zuständen eines oder mehrerer Abgasparameter, z. B. Temperatur, Luft/Kraftstoff-Verhältnis und Bestandteile, umfassen. Der Fachmann versteht, dass es andere Erfassungsvorrichtungen und Verfahren für die Zwecke von Steuerung und Diagnose geben kann. Die Fahrereingabe in Form der Fahrerdrehmomentanforderung T_{O_REQ} kann neben anderen Vorrichtungen durch ein Gaspedal und ein Bremspedal erhalten werden. Der Motor ist vorzugsweise mit anderen Sensoren zum Überwachen des Betriebs und für Zwecke der Systemsteuerung ausgestattet. Jede der Erfassungsvorrichtungen ist mit dem Steuermodul 5 signaltechnisch verbunden, um Signalinformationen zu liefern, die durch das Steuermodul 5 in Informationen umgewandelt werden, die für den jeweiligen überwachten Parameter repräsentativ sind. Es versteht sich, dass diese Konfiguration veranschaulichend, nicht einschränkend ist, wobei sie einschließt, dass die verschiedenen Erfassungsvorrichtungen mit funktionell gleichwertigen Vorrichtungen und Algorithmen austauschbar sind und immer noch in den Schutzumfang der Offenbarung fallen.
Die Aktuatoren sind an dem Motor eingebaut und werden von dem Steuermodul 5 als Reaktion auf Fahrereingaben gesteuert, um verschiedene Leistungsziele zu erreichen. Die Aktuatoren umfassen eine elektronisch gesteuerte Drosselvorrichtung, die ein Öffnen der Drosselklappe zu einer angewiesenen Eingabe (ETC) steuert, und mehrere Kraftstoffinjektoren 12 zum direkten Injizieren von Kraftstoff in jeden der Brennräume als Reaktion auf eine angewiesene Eingabe (INJ_PW), die alle als Reaktion auf die Fahrerdrehmomentanforderung (T_{O_REQ}) gesteuert werden. Ein Abgasrückführungsventil 32 steuert die Strömung von außen rückgeführtem Abgas zu dem Motoreinlass als Reaktion auf ein Steuersignal (AGR) von dem Steuermodul. Die Glühkerze 28 umfasst eine bekannte Vorrichtung, die in jedem der Brennräume eingebaut ist, die zur Verwendung mit dem Verbrennungsdrucksensor 30 ausgelegt ist.
Der Kraftstoffinjektor 12 ist ein Element eines Kraftstoffinjektionssystems, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffinjektoren umfasst, die jeweils derart ausgelegt sind, um eine Kraftstoffladung, die eine Kraftstoffmasse umfasst, in einen der Brennräume als Reaktion auf das Anweisungssignal INJ_PW von dem Steuermodul 5 direkt zu injizieren. Jede der Kraftstoffinjektoren 12 wird mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff von einem (nicht gezeigten) Kraftstoffverteilersystem versorgt und weist Betriebseigenschaften auf, die eine Mindestpulsweite und einen zugeordneten steuerbaren minimalen und maximalen Kraftstoffdurchfluss umfassen.
Der Motor 10 kann mit einem steuerbaren Ventiltrieb ausgestattet sein, der dazu dient, das Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen jedes der Zylinder, einschließlich eines oder mehrere von Ventilsteuerzeiten, Phaseneinstellung (d. h. zeitliche Steuerung im Verhältnis zu Kurbelwinkel und Kolbenstellung) und Größenordnung von Hub des Ventilöffnens, anzupassen. Ein beispielhaftes System umfasst veränderliche Nockenphaseneinstellung, die auf Kompressionszündungsmotoren, Fremdzündungsmotoren und homogene Kompressionszündungsmotoren anwendbar ist.
Das Steuermodul, das Modul, der Controller, die Steuereinheit, der Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen jede geeignete oder verschiedene Kombinationen von einem oder mehreren aus anwendungsspezifischer Schaltungen) (ASIC), elektronischer Schaltung(en); Zentralverarbeitungseinheit(en) (bevorzugt Mikroprozessor(en)) und zugeordnete Speicher (Nurlese-, programmierbarer Nurlese-, Direktzugriffs-, Festplatten-Speicher, etc.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, kombinatorische Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und -vorrichtungen, geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Das Steuermodul 5 weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, wobei sie residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem Speicher gespeichert sind und zum Vorsehen der gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Die Algorithmen werden bevorzugt während vorab festgelegten Schleifenzyklen ausgeführt. Die Algorithmen werden wie durch eine Zentralverarbeitungseinheit ausgeführt und dienen zum Überwachen von Eingaben von Erfassungsvorrichtungen und anderen vernetzten Steuermodulen und zum Ausführen von Steuer- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs der Aktuatoren. Schleifenzyklen werden typischerweise bei regelmäßigen Abständen, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs durchgeführt. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die vorstehend erwähnten Aktuatoren zu steuern, um den Motorbetrieb, einschließlich Drosselklappenposition, Kraftstoffinjektionsmenge und -zeiten, AGR-Ventilstellung zum Steuern der Strömung von rückgeführten Abgasen, Glühkerzenbetrieb und Steuerung von Einlass- und/oder Auslassventilzeiten, Phaseneinstellung und Hub, an derart ausgestatteten Systemen zu steuern. Das Steuermodul ist derart ausgelegt, um Eingabesignale von dem Fahrer (z. B. eine Gaspedalstellung und eine Bremspedalstellung) zum Ermitteln der Fahrerdrehmomentanforderung T_{O_REQ} und von den Sensoren, die die Motordrehzahl (U/min) und Ansauglufttemperatur (T_IN) sowie Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen anzeigen, zu empfangen.
Bezug nehmend auf 3 integriert ein Abgasnachbehandlungssystem für Motoren, die in mageren Betriebsmoden arbeiten, einen Mager-NOx-Fänger (LNT) 252 und ein Harnstoffnjektionssubsystem 360, wobei der LNT 252 darin Katalysatoren aufweist, die in der Lage sind, eine gewisse Menge von NOx in der Abgasströmung zu sammeln und zu speichern. Das Harnstoffinjektionssubsystem 360 ist derart konfiguriert, dass es Harnstoff in das Abgasnachbehandlungssystem injiziert und Ammoniak ableitet, wobei der Ammoniak dazu dient, NOx-Emissionen zu reduzieren.
Jedoch sind LNTs und Harnstoffinjektionssysteme teuer und erhöhen die Anzahl von Montageteilen in dem Abgasnachbehandlungssystem. Das beispielhafte System für passive SCR 48, das in 2 gezeigt ist, erfordert weder den LNT noch das Harnstoffinjektionssubsystem. 2 veranschaulicht schematisch ein System für passive SCR 48 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das System für passive SCR 48 ist Teil des in 1 gezeigten Abgasnachbehandlungssystems 15. Das System für passive SCR 48 umfasst eine Drei-Wege-Katalysator-(TWC)-Vorrichtung 50 sowie eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) 54. Das System für passive SCR 48 empfängt die Abgasströmung stromabwärts von dem Verbrennungsmotor 10 und liefert die behandelte Abgasströmung stromabwärts zu dem Auspuff 62. Die TWC-Vorrichtung 50 ist eine katalytische Wandlervorrichtung, die zur Umwandlung von NOx, HC und CO in emissionskonforme Gase verwendet wird. Bei einer alternativen Ausführungsform integriert ein Dieselmotor anstelle einer TWC-Vorrichtung einen Dieseloxidationskatalysator, der zur Oxidation von CO und nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen in CO2 und Wasser in einer Abgasströmung von dem Dieselmotor konfiguriert ist.
Wieder Bezug nehmend auf 2 umfasst die TWC-Vorrichtung 50 ferner eine NOx-Speicherkomponente (NSC) 52, die darin angeordnet und derart konfiguriert ist, NOx-Moleküle in der Abgasströmung bevorzugt während Magerverbrennungsmoden zu sammeln und zu speichern. Die beispielhafte NSC 52 kann ferner derart konfiguriert sein, dass sie NOx-Moleküle in die Abgasströmung freisetzt, wobei die NOx-Moleküle wirksam sind, mit Wasserstoff in der Abgasströmung zu reagieren, um dadurch Ammoniak in der Abgasströmung zu erzeugen. Die SCR-Vorrichtung 54, die stromabwärts der TWC-Vorrichtung 50 angeordnet ist, speichert das erzeugte Ammoniak zur Verwendung in einer Reduktionsreaktion, um NOx in Stickstoff und Sauerstoffmoleküle umzuwandeln und dadurch NOx in der Abgasströmung zu reduzieren. Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst einen bevorzugten Prozentsatz von NO zu NO₂ von Eins zu Eins und ist als eine schnelle SCR-Reaktion bekannt. Zusätzlich weist das beispielhafte System für passive SCR 48 zusätzliche Vorrichtungen auf, die zur Ausführung bestimmter Funktionen in Verbindung mit dem Betrieb der vorher erwähnten Vorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise sind ein Luft-Kraftstoff-Verhaltflis-(A/F)-Sensor 36, ein Temperatur-(T)-Sensor 58 und ein NOx-Sensor 60 gezeigt, wobei eine Steuerung des Systems für passive SCR 48 durch Überwachung von Eigenschaften der Abgasströmung an verschiedenen Punkten in dem System für passive SCR 48 ermöglicht wird, wobei die erzeugten Signale an das Steuermodul 5 von 1 kommuniziert werden.
Überschüssiger Wasserstoff kann in der Abgasströmung durch Betrieb des Motors in einem fetten oder stöchiometrischen Bereich erzeugt werden, und das gespeicherte NOx wird freigesetzt und reagiert mit dem Wasserstoff, um Ammoniak zu erzeugen. Die beispielhafte NSC 52 in der TWC-Vorrichtung 50 ist derart konfiguriert, dass sie NOx-Moleküle in die Abgasströmung freisetzt und effektiv mit Wasserstoffmolekülen reagiert, um Ammoniak zu erzeugen. Wie oben erwähnt ist, verwendet bei der beispielhaften Ausführungsform die SCR-Vorrichtung 54, die stromabwärts der TWC-Vorrichtung 50 angeordnet ist, das erzeugte Ammoniak in einer Reduktionsreaktion, um NOx in Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle umzuwandeln. Die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle in der Abgasströmung verlassen das Fahrzeug durch den Auspuff 62.
Die Menge an erzeugtem Ammoniak kann in Verbindung mit einem Harnstoffinjektionssystem verwendet werden, wobei die Häufigkeit reduziert wird, dass der Harnstoff injiziert werden muss, oder die Ammoniakerzeugung kann reguliert werden, um sicherzustellen, dass ausreichend Ammoniak vorhanden ist, um NOx in der SCR-Vorrichtung 54 zu behandeln. Eine Regulierung der Ammoniakerzeugung kann ein beliebiges Verfahren enthalten, das eine Erzeugung und notwendige Speicherung der Komponenten zur Ammoniakerzeugungsreaktion und einen Betrieb von Bedingungen ermöglicht, die notwendig sind, um die notwendigen Reaktionen in der Abgasströmung zu unterstützen und eine Erzeugung von ausreichend Ammoniak sicherzustellen, um die NOx, die geschätzt in der Abgasströmung vorliegen, zu behandeln.
Bei der beispielhaften Ausführungsform wird Ammoniak in der TWC-Vorrichtung 50 erzeugt, wenn gespeicherte NOx-Moleküle freigesetzt werden und mit Wasserstoff (H₂) in der Abgasströmung reagieren. Es sei angemerkt, dass andere katalytische Vorrichtungen durch ähnliche Mittel verwendet werden können, um Ammoniak zu erzeugen. Eine derartige Erzeugung von Ammoniak (NH₃) resultiert aus einem beispielhaften Umwandlungsprozess, der durch die folgende Gleichung beschrieben ist. NO + CO + 1,5H₂ → NH₃ + CO₂ (1)
Der Fachmann erkennt, dass diese Umwandlung erfordert, dass molekularer Sauerstoff von dem Katalysator abgereichert werden muss, bevor NO von der NSC 52 freigesetzt wird und mit dem molekularen Wasserstoff reagiert. Überschüssiger Sauerstoff ist häufig vorhanden, wenn der Verbrennungsmotor 10 in Magerbetriebsmoden mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, das überstöchiometrisch oder mit überschüssiger Luft betrieben wird. Ferner unterstützt eine Auswahl eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in den stöchiometrischen und fetten Betriebsbereichen ferner die Erzeugung von Ammoniak beispielsweise durch Erzeugung von NO und H₂ in geeigneten Mengen. Bei der beispielhaften Gleichung oben ist ein ideales Verhältnis von 1,5 zu Eins offensichtlich. Jedoch kann auf Grundlage der Umgebung, die durch den Katalysator bereitgestellt wird, und anderer Reaktionen, die in der Nachbehandlungsvorrichtung stattfinden, ein anderes tatsächliches Verhältnis eine optimale Erzeugung von Ammoniak bilden. Der Fachmann erkennt, dass die CO-Anwesenheit auch betrachtet werden muss, um die Reaktion zu unterstützen, die oben unter Verwendung der Gleichung (1) beschrieben ist.
Alternativ dazu können andere Ausführungsformen NH₃ ohne eine CO-Anwesenheit erzeugen. Ausführungsformen, die in Betracht gezogen werden, können die Verwendung von Barium, das in der NSC 52 gespeichert ist, oder als Alternative Barium, das in einem LNT gespeichert ist, umfassen. Die Erzeugung von NH₃ resultiert aus zwei alternativen beispielhaften Umwandlungsprozessen, die durch die folgenden Gleichungen beschrieben sind. 2,5H₂ + NO → NH₃ + H₂O (2) 8H₂ + (Ba(NO₃)₂) → 2NH₃ + 5H₂O + BaO (3)
Bezug nehmend auf die Gleichungen (2) und (3) sei angemerkt, dass Gleichung (2) in einer Mehrzahl von Nachbehandlungsvorrichtungen, einschließlich der TWC-Vorrichtung 50, einer LNT oder Dieseloxidationskatalysatoren (DOC), stattfinden kann, solange ein Katalysator eines Metalls der Platingruppe (PGM) vorhanden ist. Jedoch erfordert die Gleichung (3), dass Barium als ein Katalysator in einer Speicherkomponente vorhanden ist, wie der NSC-Vorrichtung 52 der vorliegenden Offenbarung.
Die Erzeugung von molekularem Wasserstoff, der zur Erzeugung von Ammoniak erforderlich ist, kann in dem Motor durch den Verbrennungsprozess stattfinden. Die Verbrennung in einer Umgebung mit fettem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, bei der molekularer Sauerstoff knapp ist, neigt zur Erzeugung erhöhter Niveaus von molekularem Wasserstoff. Die Wasserstoffproduktion kann als Ergebnis eines Verbrennungszyklus mit Einzelinjektion stattfinden, wobei die Wasserstofferzeugung aus einem Primärverbrennungsereignis resultiert, das Arbeit bereitstellt, die an den Motor ausgegeben wird.
Ferner ist es bekannt, dass Magerverbrennungsmoden in geringeren Abgasströmungstemperaturen resultieren, und es ist bekannt, dass stöchiometrische oder fette Verbrennungsmoden in höheren Abgasströmungstemperaturen resultieren, wobei molekularer Sauerstoff knapp ist und die Niveaus von molekularem Wasserstoff erhöht sind. Wenn ein bestimmter Temperaturbereich der Abgasströmung erforderlich ist, kann eine Motorsteuerstrategie, wie beispielsweise in einem Motorsteuermodul implementiert ist, modifiziert werden, damit die bevorzugte Abgasströmungstemperatur und daher das bevorzugte Niveau an molekularem Wasserstoff erzeugt werden. Beispielsweise kann ein in einem mageren Betriebsmodus arbeitender Motor so implementiert sein, dass er Niveaus von molekularem Wasserstoff durch Modifikation des Motorsteuermoduls anhebt, um den Motor periodisch unterstöchiometrisch bzw. mit fetter Stöchiometrie zu betreiben, indem beispielsweise Impulse aus Kraftstoff mit fetter Stöchiometrie eingeführt werden. Zusätzlich wird während gelegentlicher Perioden ein fetter Betrieb verwendet, wo ein Magerbetrieb nicht möglich oder bevorzugt ist. Beispielsweise wird ein fetter Betrieb häufig in Fällen einer Beschleunigung verwendet, wo das Erzeugen von Kraft, die zur Beschleunigung eines Fahrzeugs erforderlich ist, hohe Motorlasten erfordert und ein Durchlaufen der Getriebebetriebsbereichszustände Motordrehzahlen einschließlich hoher Motordrehzahlen erfordert.
Katalysatoren, wie oben beschrieben ist, zur Speicherung von NOx in der Nachbehandlungsvorrichtung, wie der TWC oder DOC, können viele Formen annehmen und können verschiedene Materialien enthalten, die die NOx-Speicherung erreichen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die NSC 52 Barium (Ba) oder Kalium (K) zur NOx-Speicherung.
Es sei angemerkt, dass die Nachbehandlungsvorrichtung, die den TWC 50 und den NSC 52 verwendet, NOx zur Erzeugung von NH₃ in der Abgasströmung ohne Unterstützung eines LNT freisetzt. Jedoch werden alternative Ausführungsformen in Betracht gezogen, die einen LNT zur Speicherung und Freisetzung von NOx verwenden, um NH₃ in der Abgasströmung zu erzeugen.
Die Offenbarung hat gewisse bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen daran beschrieben. Weitere Modifikationen und Änderungen können beim weiteren Lesen und Verstehen der Beschreibung offensichtlich werden. Daher ist es beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die bestimmte(n) Ausführungsform(en) beschränkt ist, die als die beste Art offenbart ist/sind, die zur Ausführung dieser Offenbarung vorstellbar ist, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der angefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Reduzieren von NOx-Molekülen in einer Abgasströmung in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren umfasst: Speichern von NOx von der Abgasströmung an einer NOx-Speicherkomponente in einer der Abgasströmung ausgesetzten Nachbehandlungsvorrichtung; wenn die Abgasströmung molekularen Wasserstoff umfasst, Freisetzen des gespeicherten NOx zur Erzeugung von Ammoniak in der Abgasströmung; und Verwenden des erzeugten Ammoniaks zur Reduktion von NOx in der Abgasströmung in einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die sich stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtung befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nachbehandlungsvorrichtung ein Drei-Wege-Katalysator ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die NOx-Speicherkomponente Barium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die NOx-Speicherkomponente Kalium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gespeicherte NOx während stöchiometrischer Betriebsmoden des Verbrennungsmotors freigesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion das erzeugte Ammoniak speichert
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nachbehandlungsvorrichtung ein Dieseloxidationskatalysator ist.
Verfahren zur Reduktion von NOx-Molekülen in einer Abgasströmung von einem Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren umfasst: Speichern von NOx von der Abgasströmung an einer NOx-Speicherkomponente in einer Drei-Wege-Katalysatorvorrichtung, die der Abgasströmung ausgesetzt ist; periodisches Betreiben des Motors unterstöchiometrisch, um molekularen Wasserstoff in der Abgasströmung bereitzustellen; Verwenden des gespeicherten NOx in Kombination mit dem molekularen Wasserstoff, um Ammoniak in der Abgasströmung zu erzeugen; und Verwenden des erzeugten Ammoniaks zur Reduktion von NOx in der Abgasströmung in einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die sich stromabwärts der Vorrichtung für katalytische Reduktion befindet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Motor ein funkengezündeter Benzin-Direktinjektionsmotor mit Schichtladung ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Motor ein Dieselmotor ist.