DE102005031136A1 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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James J. Dunlap Driscoll
Kevin Metamora Duffy
Dennis L. Peoria Endicott
Stephen A. Stamford Faulkner
Jonathan Peoria Kilkenny
Maarten Metamora Verkiel
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Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors weist den Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand auf. Das Verfahren weist auch das Umschalten des Betriebs des Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand auf. Das Verfahren weist das Leiten eines Abgasstroms des Motors in Kontakt mit einer NOx-Adsorptionsvorrichtung im Wesentlichen nur während des Betriebs in dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand auf.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors in mehr als einem Verbrennungsbetriebszustand.
  • Hintergrund
  • Verbrennungsmotoren werden weithin für eine Vielzahl von Zwecken verwendet. Die Transportinfrastruktur beruht fast ausschließlich auf der Anwendung von Motoren, um Leistung für Mobilität vorzusehen. Die Erzeugung von elektrischer Leistung beruht auch stark auf Verbrennungsmotoren.
  • Die ausufernde Anwendung von Motoren in unserer Gesellschaft hat eine Anzahl von Betrachtungspunkten erzeugt, wobei einer davon die immer weiter ansteigenden Mengen von Verbrennungsnebenprodukten betrifft, die ausgestoßen werden. Obwohl heutige Motoren mit viel geringeren Emissionsniveaus arbeiten, als frühere Generationen von Motoren, erzeugt die schnell ansteigende Anzahl von Motoren die Notwendigkeit, die Emissionsniveaus noch weiter zu reduzieren.
  • Regierungen auf der ganzen Welt erkennen dieses Problem und unternehmen Regulierungsschritte, um die Emissionsniveaus der Motoren anzusprechen. Beispielsweise müssen die Niveaus der Stickoxide (NOx), der Kohlenwasserstoffe (HC), des Kohlenmonoxid (CO) und des Rußes unter anderem drastisch reduziert werden, um die aufkommenden Regierungsstandards zu erfüllen.
  • Funkengezündete Motoren tendieren durch die Natur ihres Betriebes und die Natur der verwendeten Brennstoffarten dazu geringe Niveaus an NOx- und Partikelemissionen zu erzeugen. Kompressionsgezündete bzw. verdich tungsgezündete Motoren, beispielsweise Diesel-Motoren, erzeugen im Allgemeinen höhere Pegel von NOx- und Partikelemissionen. Diesel-Motoren sind jedoch immer noch populärer im Gebrauch, da sie einen höheren thermischen Wirkungsgrad bieten als ihre funkengezündeten Konkurrenten, und sie somit eine höhere Leistungsausgabe für Arbeitsanwendungen bieten.
  • Ein Versuch, die Emissionen von kompressionsgezündeten Motoren zu reduzieren, ist die Anwendung von Nachbehandlungssystemen gewesen, um die unerwünschten Emissionen aus dem Abgas der Motoren zu verändern oder zu entfernen. Eine Form der nach Behandlungstechnologie, die sich als vielversprechend bei der Verringerung der NOx-Emissionen von kompressionsgezündeten Motoren gezeigt hat, ist eine NOx-Adsorptionstechnologie, eine Katalysatortechnologie. Jedoch hat sich der erfolgreiche Aufbau einer NOx-Adsorptionstechnologie als schwierig erwiesen. Erstens müssen NOx-Adsorptionsmittel für eine ausreichende NOx-Reduktion bei niedrigen Temperaturen sehr starke Einträge von teuren Edelmetallen haben. Tatsächlich können die NOx-Adsorptionsmittel, die erfolgreich bei Bedingungen mit niedriger Temperatur arbeiten, bis zu zweimal den Edelmetallgehalt von NOx-Adsorptionsmitteln erfordern, die nur bei Bedingungen mit höherer Temperatur arbeiten. Zweitens ist die Effektivität der NOx-Adsorptionstechnologie bei Bedingungen mit sehr niedriger Temperatur fraglich. Um die Leistung bei diesen Bedingungen zu verbessern, kann ein teures und brennstoffintensives thermisches Management nötig sein. Drittens wird der Katalysator einer NOx-Adsorptionsvorrichtung durch Schwefel vergiftet, auch bei den gegenwärtigen besonders niedrigen Schwefelniveaus und Brennstoff. Dieser Vergiftungsprozess reduziert die gesamte Lebensspanne des Katalysators.
  • Ein weiterer Versuch, die Emissionen von kompressionsgezündeten Motoren zu reduzieren, ist die Anwendung einer Verbrennung durch Kompressionszündung mit homogener Ladung (HCCl-Verbrennung) gewesen. Motoren, die in dem HCCl-Betriebszustand arbeiten, haben viel Interesse hervorgerufen, und zwar aufgrund des Potenziales, mit hoher Brennstoffausnutzung zu arbeiten, während sie wenig Verbrennungsemissionen erzeugen. Kompres sionsgezündete Motoren mit homogener Ladung (HCCl-Motoren) weichen von herkömmlichen kompressionsgezündeten Dieselmotoren dahingehend ab, dass die Dieselmotoren Brennstoff zünden, der fett ist, d. h. hoch konzentriert ist, und zwar in einem Bereich einer Brennkammer, während HCCl-Techniken eine verteilte homogene Brennstoff/Luft-Mischung zum Zeitpunkt der Verbrennung erzeugen. Die Verbrennung einer homogenen Brennstoft/Luft-Mischung gestattet, dass ein Motor so arbeitet, dass die Verbrennungsnebenprodukte beträchtlich verringert werden. Jedoch hat eine erfolgreiche Einrichtung einer HCCl-Verbrennung bei allen Motorbelastungsbedingungen sich als schwierig erwiesen. Bei Bedingungen mit hoher Motorbelastung verursacht die HCCl-Verbrennung eine hohe mechanische Belastung der Motorteile aufgrund eines höheren Spitzenzylinderdruckes als eine herkömmliche Dieselverbrennung. Motorkomponenten, die üblicherweise verwendete Materialzusammensetzungen haben, können eventuell diesen höheren Drücken nicht widerstehen. Um den Zeitpunkt der HCCl-Verbrennung bei Bedingungen mit höherer Belastung zu steuern, kann es auch nötig sein, beträchtliche strukturelle Veränderungen an dem Motor vorzunehmen, was beispielsweise Mechanismen zum Variieren des Kompressionsverhältnisses des Motors mit einschließt. Eine Strategie zur Anwendung einer HCCl-Verbrennung ist offenbart im US-Patent 6 561 157, das an Loye und andere am 13. März 2003 ausgegeben wurde. In dem '157-Patent wird eine PCCl-Verbrennung ähnlich der HCCl-Verbrennung während einiger Teile eines Motorbetriebes verwendet, und andere Verbrennungsbetriebszustände, wie beispielsweise der Standard-Dieselbetriebszustand, der funkengezündete Betriebszustand und ein Dual-Brennstoff-Übergangsbetriebszustand mit homogener Ladung werden während anderer Teile des Motorbetriebs verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors den Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand auf. Das Verfahren weist auch das Umschalten des Betriebs des Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand auf. Das Verfahren weist auf, einen Abgasstrom des Motors in Kontakt mit einer NOx-Adsorptionsvorrichtung im Wesentlichen nur während des Betriebs in dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand zu leiten.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors den Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand auf. Das Verfahren weist auch auf, den Betrieb des Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand umzuschalten. Das Verfahren weist auf, einen Abgasstrom des Motors in Kontakt mit einer NOx-Adsorptionsvorrichtung während irgendeines anderen Verbrennungsbetriebszustandes als dem ersten Verbrennungsbetriebszustand zu leiten.
  • Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors auf, zu bewirken, dass ein Abgasstrom eines Motors, wobei der Motor fähig ist, selektiv in einem Verbrennungsbetriebszustand mit kompressionsgezündeter homogener Ladung (HCCl-Verbrennungsbetriebszustand) und in mindestens einem anderen Verbrennungsbetriebszustand zu arbeiten, eine NOx-Adsorptionsvorrichtung im Wesentlichen nur während dem mindestens einen anderen Verbrennungsbetriebszustand zu berühren.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Verbrennungsmotors einen Motorkörper mit einer Brennkammer auf. Ein Abgasstrom tritt aus der Brennkammer aus. Ein Brennstoffsystem ist mit dem Motorkörper verbunden. Das Brennstoffsystem ist geeignet, eine HCCl-Brennstoffladung in die Brennkammer zu liefern. Das Brennstoffsystem ist auch geeignet, mindestens eine andere Brennstoffladung in die Brennkammer zu liefern. Der Motor weist eine NOx-Adsorptionsvorrichtung auf, die positioniert ist, um in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasstrom im Wesentlichen nur dann zu sein, wenn das Brennstoffsystem die mindestens eine andere Brennstoffladung zur Brennkammer liefert.
  • Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Verbrennungsmotor einen Motorkörper auf, der eine Brennkammer definiert. Ein Abgasstrom tritt aus der Brennkammer aus. Eine NOx-Adsorptionsvorrichtung ist positioniert, um selektiv den Abgasstrom zu berühren. Der Motor weist Mittel auf, um den Motor in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand zu betreiben. Der Motor weist auch Mittel auf, um den Betrieb des Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand umzuschalten. Der Motor weist Mittel auf, um den Abgasstrom in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung im Wesentlichen nur während des Betriebs in dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand zu leiten.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors den Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand auf, während dem ein erster Abgasstrom erzeugt wird. Der erste Abgasstrom hat eine erste Konzentration von NOx, die geringer oder kleiner als eine vorbestimmte Referenz-NOx-Konzentration ist. Das Verfahren weist auch auf, den Betrieb des Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand umzuschalten, während dem ein zweiter Abgasstrom erzeugt wird. Der zweite Abgasstrom hat eine zweite Konzentration aus NOx, die größer ist als die vorbestimmte Referenz-NOx-Konzentration. Das Verfahren weist weiter auf, den zweiten Abgasstrom in Kontakt mit mindestens einer NOx-Adsorptionsvorrichtung zu bringen. Das Verfahren weist die Entfernung von NOx aus dem zweiten Abgasstrom auf, wenn der zweite Abgasstrom in Kontakt mit der mindestens einen NOx-Adsorptionsvorrichtung ist, um einen behandelten Abgasstrom zu erzeugen. Der behandelte Abgasstrom hat eine Konzentration von NOx, die geringer oder gleich der vorbestimmten Referenz-NOx-Konzentration ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Abbildung eines Verbrennungsmotors;
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens des Motors der 1; und
  • 3 ist eine Kurvendarstellung der Verbrennungsbetriebszustände des Motors der 1 als eine Funktion der Motorbelastung und der Motordrehzahl.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Mit Bezug auf 1 ist dort eine schematische Abbildung eines Verbrennungsmotors 10 gezeigt. Der Motor 10 weist einen Motorkörper 12 auf, der eine Brennkammer 14 definiert. Der Motorkörper 12 kann einen (nicht gezeigten) Zylinderblock und einen (nicht gezeigten) Zylinderkopf aufweisen, der an dem Zylinderblock angebracht ist, oder andere in der Technik bekannte Motorstrukturen. Der Motorkörper 12 definiert einen Zylinder 16, in dem ein Kolben 18 angeordnet ist. Der Kolben 18 ist in Kontakt mit der Brennkammer 14. Der Motor 10 weist auch ein Einlasssystem 20 auf, um Luft oder eine Kombination aus Einlassluft und Brennstoff in die Brennkammer 14 zu liefern, und ein Auslasssystem 22, welches gestattet, dass ein Abgasstrom aus der Brennkammer 14 austritt. Obwohl nur ein Zylinder 16 in 1 veranschaulicht ist, kann die vorliegende Erfindung in Verbrennungsmotoren 10 mit verschiedenen Konfigurationen verwendet werden, die Motoren 10 mit irgendeiner Anzahl von Zylindern 16 aufweisen, beispielsweise vier, fünf, sechs, acht, zehn, zwölf oder sechzehn Zylinder 16. Zusätzlich kann, obwohl der Motor 10 in erster Linie mit Bezug auf einen Vier-Takt-Motor 10 besprochen wird, in einem anderen Ausführungsbeispiel der Motor 10 in Form eines Zwei-Takt-Motors 10 sein.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 1 weist das Einlasssystem 20 eine Einlasssammelleitung 24 und einen Einlassanschluss 26 auf, um Einlassluft oder eine Luft/Brennstoff-Mischung in die Brennkammer 14 zu leiten. Ge nauso weist das Auslasssystem 22 einen Auslassanschluss 28 auf, um Abgas so zu leiten, wie unten beschrieben. Ein oder mehrere Einlassventile 30 und ein oder mehrere Auslassventile 32 sind in den jeweiligen Anschlüssen 26 und 28 positioniert und werden zwischen offenen und geschlossenen Positionen durch ein herkömmliches Ventilsteuersystem bewegt, oder durch ein System mit variabler Ventilzeitsteuerung, um den Fluss der Einlassluft oder der Luft/Brennstoff-Mischung in die Brennkammer 14 hinein bzw. den Fluss des Abgasstroms aus der Brennkammer heraus zu steuern.
  • Der Motor 10 hat ein Brennstoffsystem 34, das mit dem Motorkörper 12 verbunden ist. In dem Ausführungsbeispiel der 1 weist das Brennstoffsystem 34 eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 36 auf, um Brennstoff in die Brennkammer 14 einzuspritzen. Das Brennstoffsystem 34 ist geeignet, um eine Dieselbrennstoffladung in die Brennkammer 14 zu liefern. Die Lieferung einer Dieselbrennstoffladung weist typischerweise die direkte Einspritzung einer Brennstoffmenge in die Brennkammer 14 auf, wenn der Kolben 18 nahe einer oberen Totpunktposition ist. Die Lieferung einer Dieselbrennstoffladung kann irgendein anderes Verfahren aufweisen, welches eine Verbrennung über eine Kompressionszündung bzw. Verdichtungszündung eines stark konzentrierten Bereiches von Brennstoff in der Brennkammer 14 zur Folge hat, was eine selbst fortschreitende Flammenfront erzeugt.
  • Das Brennstoffsystem 34 ist auch geeignet, um eine HCCl-Brennstoffladung in die Brennkammer 14 zu liefern. Die Lieferung einer HCCl-Ladung kann die Lieferung von irgendeiner frühen Pilot- bzw. Voreinspritzmenge des Brennstoffes in die Brennkammer 14 aufweisen, das heißt die Einspritzung einer Brennstoffmenge in die Brennkammer 14, bevor der Kolben 18 die oberen Totpunktposition erreicht. Die Lieferung einer HCCl-Ladung kann die Lieferung einer ersten Brennstoffmenge in die Brennkammer 14 in einem ersten Verteilungswinkel und die Lieferung einer zweiten Brennstoffmenge in die Brennkammer 14 in einem zweiten Verteilungswinkel aufweisen. Die Lieferung einer HCCl-Ladung kann die Erzeugung einer im Wesentlichen homogenen Mischung aus Luft und Brennstoff außerhalb der Brennkammer 14 aufweisen, und dann die Lieferung der homogenen Mischung in die Brennkammer 14. Die Erzeugung der homogenen Mischung kann erreicht werden durch Einspritzung von Brennstoff in die Einlasssammelleitung 24 des Motors 10 oder in den Einlassanschluss 26 des Motors 10. Die Lieferung einer HCCl-Ladung kann irgendeine Kombination von diesen Verfahren aufweisen, oder irgendein anderes Verfahren, das innerhalb der Brennkammer 14 vor der Verbrennung eine brennbare Mischung erzeugen kann, wobei der Hauptteil davon durch Kompressionszündung ohne Anwesenheit einer selbst fortschreitenden Flammenfront zu zünden ist. Das Brennstoffsystem 34 kann auch geeignet sein, um irgendeine andere Art einer Brennstoffladung in die Brennkammer 14 zu liefern.
  • Der Motor 10 ist geeignet, um selektiv in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand und einem zweiten Verbrennungsbetriebszustand zu arbeiten. Der Motor 10 kann auch geeignet sein, in einem oder mehreren zusätzlichen Verbrennungsbetriebszustände zu arbeiten. In einem Ausführungsbeispiel ist der erste Verbrennungsbetriebszustand ein HCCl-Verbrennungsbetriebszustand, das heißt der Betriebszustand, in dem das Brennstoffsystem 34 eine HCCl-Brennstoffladung in die Brennkammer 14 liefert. Der zweite Verbrennungsbetriebszustand kann ein Dieselverbrennungsbetriebszustand sein, das heißt der Betriebszustand, in dem das Brennstoffsystem 34 eine Dieselladung in die Brennkammer 14 liefert.
  • Der Motor 10 weist mindestens eine NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 auf, die positioniert ist, um den Abgasstrom des Motors 10 zu berühren. In einem Ausführungsbeispiel ist die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 positioniert, um in Kontakt mit dem Abgasstrom im Wesentlichen nur dann zu sein, wenn der Abgasstrom das Ergebnis der Verbrennung einer anderen Art von Brennstoffladung als einer HCCl-Brennstoffladung ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 positioniert, um in Kontakt mit dem Abgasstrom während jedes Verbrennungsbetriebszustandes des Motors 10 zu sein. Das Abgassystem 22 kann einen Bypass- bzw. Überleitungspfad 40 aufweisen, der ermöglicht, dass der Abgasstrom um die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 geleitet wird. Wie er hier verwendet wird, meint der Ausdruck "NOx-Adsorptionsvorrichtung" irgend eine Struktur, Technologien oder ein System, das NOx aus dem Abgasstrom aus dem Motor 10 für eine begrenzte Zeit speichern kann, und nachdem ein gewisser Teil einer NOx-Speicherfähigkeit aufgefüllt ist, einen Teil des gespeicherten NOx in Stickstoff umwandeln kann, oder das gesamte NOx.
  • Der Motor 10 weist auch ein Steuersystem 42 auf, welches eine elektronische Steuereinheit (ECU) 44 aufweist. Das Steuersystem 42 weist mindestens einen Sensor 46 auf, der geeignet ist, um einen Zustand des Motors 10 abzufühlen und den Zustand an die elektronische Steuereinheit 44 zu übermitteln. Der mindestens eine Sensor 46 ist stromaufwärts, stromabwärts oder zumindest teilweise innerhalb der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 gelegen. In einem Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Sensor 46 geeignet, einen Lastzustand des Motors 10 abzufühlen. In anderen Ausführungsbeispielen kann der mindestens eine Sensor 46 geeignet sein, um einen Drehzahlzustand, einen Temperaturzustand oder irgendeinen anderen Zustand abzufühlen, der dem Steuersystem 42 dabei helfen würde, effektiv die Verbrennung des Motors 10 zu steuern. Das Steuersystem 42 kann die Informationen von dem mindestens einen Sensor 46 verarbeiten und Steuersignale an die geeigneten Motorkomponenten liefern, um effektiv den Betrieb des Motors 10 während jedes der Verbrennungsbetriebszustände zu steuern, und um eine effektive und effiziente Umschaltung des Motorbetriebs zwischen den Verbrennungsbetriebszuständen zu erreichen. Das Steuersystem 42 kann auch die Informationen von dem mindestens einen Sensor 46 verarbeiten und Steuersignale an die geeigneten Motorkomponenten liefern, um effektiv Regenerationszyklen der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 zu steuern. Das Steuersystem 42 ist geeignet, um zwischen einer HCCl-Brennstoffladung und anderen Arten von Brennstoffladungen auszuwählen und das Brennstoffsystem 34 anzuweisen, eine dieser Ladungen zu liefern, wobei dies eine Dieselbrennstoffladung mit einschließt. Diese Auswahl durch das Steuersystem 42 kann ansprechend auf die Übermittlung des Motorzustandes geschehen, der von dem mindestens einen Sensor 46 geliefert wird.
  • Der Motor 10 weist Betriebsmittel 48 auf, um den Motor 10 in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand zu betreiben. Die Betriebsmittel 48 können das Brennstoffsystem 34, das Steuersystem 42 und/oder anderen Strukturen aufweisen, die es ermöglichen, dass der Motor 10 in dem ersten Verbrennungsbetriebszustand arbeitet. Der Motor 10 weist auch Umschaltmittel 50 zum Umschalten des Betriebs des Motors 10 in den zweiten Verbrennungsbetriebszustand auf. Die Umschaltmittel 50 können das Steuersystem 42, die elektronische Steuereinheit 44, den mindestens einen Sensor 46 und/oder andere Strukturen aufweisen, die ermöglichen, dass der Motor 10 von dem ersten Verbrennungsbetriebszustand in den zweiten Verbrennungsbetriebszustand umschaltet. Der Motor 10 weist Leitungsmittel 52 auf, um den Abgasstrom in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 zu leiten, und zwar im Wesentlichen nur während dem Betrieb des Motors 10 in dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand. Die Leitungsmittel 52 können das Abgassystem 22, den Auslassanschluss 28, den Bypass- bzw. Überleitungspfad 40 und/oder anderen Strukturen aufweisen, die ermöglichen, dass der Motor 10 die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 in Kontakt mit dem Abgasstrom im Wesentlichen nur während des zweiten Verbrennungsbetriebszustandes bringt.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Während des Betriebs des Motors 10 arbeitet der Motor 10 selektiv in unterschiedlichen Verbrennungsbetriebszuständen. In einem Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens des Motors 10 wird die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 in Kontakt mit dem Abgasstrom nur während gewisser Verbrennungsbetriebszustände gebracht. In einem Verfahren arbeitet der Motor 10 in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand. Der Abgasstrom tritt aus der Brennkammer 14 aus und berührt nicht die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38. Der Betrieb des Motors 10 wird dann in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand umgeschaltet. Der Umschaltungsprozess kann ein direkter Übergang von dem ersten Verbrennungsbetriebszu stand in den zweiten Verbrennungsbetriebszustand sein, oder der Motor 10 kann in einem oder mehreren anderen Verbrennungsbetriebszuständen zwischen dem ersten Verbrennungsbetriebszustand und dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand arbeiten, was einen Teil-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand mit einschließt, das heißt einen Verbrennungsbetriebszustand, in dem die Verbrennung aus der Verbrennung einer kompressionsgezündeten teilweise homogenen Brennstoffladung (Teil-HCCl-Brennstoffladung) und einer herkömmlichen Dieselbrennstoffladung besteht. In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Abgasstrom in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 im Wesentlichen nur dann geleitet, wenn der Motor 10 in dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand arbeitet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Abgasstrom des Motors 10 in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 während irgendeinem anderen Verbrennungsbetriebszustand als dem ersten Verbrennungsbetriebszustand geleitet. Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist der erste Verbrennungsbetriebszustand der HCCl-Verbrennungsbetriebszustand. Der zweite Verbrennungsbetriebszustand ist nicht der HCCl-Verbrennungsbetriebszustand. Beispielsweise kann der zweite Verbrennungsbetriebszustand der Dieselverbrennungsbetriebszustand sein.
  • Ein Betriebsverfahren des Motors 10 wird durch Bezugnahme auf das Flussdiagramm der 2 erklärt. In einem ersten Steuerblock 54 fühlt der mindestens eine Sensor 46 des Steuersystems 42 den mindestens einen Zustand des Motors 10 ab, wie beispielsweise einen Lastzustand, einen Drehzahlzustand oder einen Temperaturzustand. Der mindestens eine Sensor 46 sendet ein Signal an die elektronische Steuereinheit 44, welches den Status des Zustandes liefert. Während des Restes der Erklärung des Betriebsverfahrens, das in dem Flussdiagramm der 2 veranschaulicht ist, wird der mindestens eine Zustand der Lastzustand des Motors 10 sein. Jedoch können bei anderen Verfahren anderen Zustände abgefühlt und übermittelt werden.
  • In einem zweiten Steuerblock 56 vergleicht die elektronische Steuereinheit 44 den Status des Lastzustandes mit einem Referenzzustand 58. Der Referenzzustand 58 kann entweder eine obere Schwelle eines niedrigen Lastzustandes oder eine untere Schwelle eines oberen Lastzustandes sein. In einem Ausführungsbeispiel ist der Referenzzustand 58 bei ungefähr 50% Motorbelastung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Referenzzustand 58 zwischen 40% Motorbelastung und 60% Motorbelastung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Referenzzustand 58 zwischen 25% Motorbelastung und 75% Motorbelastung. Der Fachmann wird erkennen, dass der Referenzzustand 58 basierend auf dem erwünschten Betrieb des Motors 10 ausgewählt werden kann. Zusätzlich kann der Referenzzustand 58 von anderen Bedingungen bzw. Zuständen des Motors 10 abhängen, wie in der Kurvendarstellung der 3 gezeigt. 3, die eine Motorbelastung entlang der Y-Achse und eine Motordrehzahl entlang der X-Achse besitzt, zeigt den Referenzzustand 58 als abhängig von der Motorbelastung und der Motordrehzahl. Der Bereich 60 unter der Linie, die den Referenzzustand 58 anzeigt, ist als der Zustand mit niedriger Last definiert. Der Bereich 62 über der Linie, die den Referenzzustand 58 zeigt, ist als der Zustand mit hoher Last definiert. Wenn der Lastzustand des Motors 10, der durch den mindestens einen Sensor 46 übermittelt wird, niedriger als der Referenzzustand 58 ist, das heißt der Motor 10 arbeitet in einem Zustand mit niedriger Belastung, schreitet das Verfahren voran zu einem dritten Steuerblock 64. Wenn der Lastzustand des Motors 10 größer als der Referenzzustand 58 ist, das heißt der Motor 10 arbeitet in einem Zustand mit hoher Belastung, schreitet das Verfahren zu einem vierten Steuerblock 66 voran.
  • In dem dritten Steuerblock 64 wählt das Steuersystem 42 den ersten Verbrennungsbetriebszustand des Motors 10. In einem Ausführungsbeispiel ist der erste Verbrennungsbetriebszustand der HCCl-Verbrennungsbetriebszustand. Das Steuersystem 42 sendet ein Signal an das Brennstoffsystem 34, welches bewirkt, dass das Brennstoffsystem 34 eine HCCl-Brennstoffladung in die Brennkammer 14 liefert. Das Verfahren schreitet dann voran zu einem fünften Steuerblock 68. In dem fünften Steu erblock 68 bewirkt das Steuersystem 42, dass der Abgasstrom des Motors 10 nicht in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 ist. Der Abgasstrom kann die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 über den Überleitungspfad 40 des Auslasssystems 22 umgeben. Das Verfahren kehrt dann zum ersten Steuerblock 54 zurück.
  • In dem vierten Steuerblock 66 wählt das Steuersystem 42 einen anderen Verbrennungsbetriebszustand als den ersten Verbrennungsbetriebszustand des Motors 10 aus. Das Steuersystem 42 kann den zweiten Verbrennungsbetriebszustand auswählen, der der Diesel-Verbrennungsbetriebszustand sein kann. In dem Diesel-Verbrennungsbetriebszustand sendet das Steuersystem 42 ein Signal an das Brennstoffsystem 34, was bewirkt, dass das Brennstoffsystem 34 eine Diesel-Brennstoffladung in die Brennkammer 14 liefert. Das Verfahren schreitet dann voran zu einem sechsten Steuerblock 70. In dem sechsten Steuerblock 70 bewirkt das Steuersystem 42, dass der Abgasstrom in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 ist. Das Verfahren kehrt dann zum ersten Steuerblock 54 zurück.
  • Wenn man dem Betriebsverfahren des Motors 10 folgt, das in 2 diagrammartig dargestellt ist, kann der Motor 10 von einem Betrieb aus dem ersten Verbrennungsbetriebszustand in den zweiten Verbrennungsbetriebszustand umschalten. Wenn beispielsweise der Motor 10 in dem HCCl-Verbrennungsbetriebszustand arbeitet und der mindestens eine Sensor 46 einen Lastzustand im ersten Steuerblock 54 abfühlt, der größer als der Referenzzustand 58 ist, beispielsweise die obere Schwelle des Zustandes mit niedriger Belastung, wird der Motorbetrieb in dem vierten Steuerblock 66 vom HCCl-Verbrennungsbetriebszustand in irgendeinen anderen Betriebszustand umgeschaltet, wie beispielsweise den Diesel Verbrennungsbetriebszustand. Zusätzlich kann der Motor 10 während des Betriebes vom zweiten Verbrennungsbetriebszustand in den ersten Verbrennungsbetriebszustand umschalten. Wenn beispielsweise der Motor 10 in einem Nicht-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand läuft, wie beispielsweise in dem Diesel-Verbrennungsbetriebszustand, und wenn der mindestens eine Sensor 46 einen Lastzustand im ersten Steuerblock 54 abfühlt, der geringer ist als der Referenzzustand 58, beispielsweise die untere Schwelle des Zustandes mit hoher Belastung, wird der Motorbetrieb in dem dritten Steuerblock 64 von dem Nicht-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand in den HCCl-Verbrennungsbetriebszustand umgeschaltet. Daher ist die Umschaltung des Motors 10 von einem Verbrennungsbetriebszustand zum Nächsten abhängig von einem Zustand des Motors 10, beispielsweise vom Belastungszustand des Motors 10.
  • Der Fachmann wird erkennen, dass das in 2 dargestellte Verfahren eines von mehreren Verfahren ist, die verwendet werden können, um den Betrieb des Motors 10 zu steuern. Zusätzlich ist die Kurvendarstellung der 3 nicht das einzige Verfahren zur Bestimmung, wann der Motor 10 von einem Verbrennungsbetriebszustand in den Nächsten umschalten sollte. Beispielsweise kann der Referenzzustand 58 nichtlinear sein, oder kann nicht von der Drehzahl abhängen. Alternativ können die Informationen, die verwendet werden, um zu bestimmen, wann der Motor 10 zwischen den Verbrennungsbetriebszuständen umschalten sollte, von anderen Faktoren abhängen, wie beispielsweise von der Motordrehzahl und/oder der Temperatur, und diese können in anderen Formen abgebildet werden, wie beispielsweise als eine Karte, als eine Nachschautabelle und so weiter.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens des Motors 10 arbeitet der Motor 10 in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand, während dem die Verbrennung einen ersten Abgasstrom mit einer ersten Konzentration von NOx erzeugt. Die erste Konzentration von NOx ist kleiner oder gleich einer vorbestimmten Referenz-NOx-Konzentration. Beispiele von vorbestimmten Referenz-NOx-Konzentrationen weisen 3 Gramm pro Nutzleistungsstunde, 1,5 Gramm pro Nutzleistungsstunde und 0,2 Gramm pro Nutzleistungsstunde (brake-horsepower-hour). Verschiedene Faktoren können den Wert der vorbestimmten Referenz-NOx-Konzentrationen beeinflussen, die Spezifikationen der Endanwender und Regelungen von der Regierung mit einschließen, wie beispielsweise jene, die von der Umweltschutzbehörde der Vereinigten Staaten herausgegeben wurden. In einem Ausführungsbeispiel ist der erste Verbrennungsbetriebszustand ein HCCl-Verbrennungsbetriebszustand, und in einem anderen Ausführungsbeispiel ist der erste Verbrennungsbetriebszustand ein Teil-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand.
  • Bei dem Betriebsverfahren des Motors 10 wird der Motor 10 in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand umgeschaltet, während dem die Verbrennung einen zweiten Abgasstrom mit einer zweiten Konzentration von NOx erzeugt. Die zweite Konzentration von NOx ist größer als die vorbestimmte Referenz-NOx-Konzentration. In einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Verbrennungsbetriebszustand nicht ein HCCl-Verbrennungsbetriebszustand. Beispielsweise kann der zweite Verbrennungsbetriebszustand ein Dieselverbrennungsbetriebszustand sein.
  • In dem Betriebsverfahren des Motors 10 wird der zweite Abgasstrom in Kontakt mit mindestens einer NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 geleitet. Während der zweite Abgasstrom in Kontakt mit der mindestens einen NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 ist, wird NOx aus dem zweiten Abgasstrom entfernt, um einen behandelten Abgasstrom zu erzeugen, der eine Konzentration von NOx besitzt, die kleiner oder gleich der vorbestimmten Referenz-NOx-Konzentration ist.
  • Bei einem Betriebsverfahren des Motors 10 kann der erste Abgasstrom die mindestens eine NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 umgeben, wie beispielsweise über den Überleitungspfad 40 des Abgassystems 22. Ein alternatives Betriebsverfahren weist das Leiten des ersten Abgasstroms in Kontakt mit der mindestens einen NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 auf. Bei diesem alternativen Verfahren kann die mindestens eine NOx-Adsorptionsvorrichtung regeneriert werden, wenn die mindestens eine NOx-Adsorptionsvorrichtung in Kontakt mit dem ersten Abgasstrom ist. Eine solche Regeneration kann erreicht werden durch Einstellung des ersten Verbrennungsbetriebszustands, so dass dieser fett läuft. Eine solche Einstellung des Betriebs des ersten Verbrennungsbetriebszustands kann durch das Steuersystem 42 gesteuert werden. Zusätzlich kann das Umschalten des Betriebs zwischen dem ersten Verbrennungsbetriebszustand und dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand durch das Steuersystem 42 gesteuert werden, wie oben besprochen.
  • Die Fähigkeiten des Motors 10a) selektiv in mehr als einem Verbrennungsbetriebszustand zuarbeiten, und b) selektiv eine NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 vorzusehen, um den Abgasstrom des Motors 10 zu behandeln, ermöglicht, dass die Stärken von sowohl der NOx-Adsorptionsvorrichtungstechnologie als auch der HCCl-Verbrennung verwendet werden, während man viele der Schwächen vermeidet. Durch den Betrieb des Motors 10 in dem HCCl-Verbrennungsbetriebszustand in erster Linie bei Bedingungen mit niedriger Belastung oder niedriger Temperatur wird der Motor 10 nicht die hohen Zylinderdrücke ertragen müssen, die durch die HCCl-Verbrennung bei hoher Belastung verursacht werden. Daher können Motorkomponenten mit üblicherweise verwendeten Materialzusammensetzungen in dem Motor 10 verwendet werden. Zusätzlich müssen die zuvor erwähnten signifikanten strukturellen Veränderungen, wie beispielsweise das Vorsehen von Mechanismen zum Variieren des Kompressionsverhältnisses des Motors 10, nicht vorgesehen werden.
  • Weil die HCCl-Verbrennung niedrigere Emissionsniveaus als die übliche Dieselverbrennung erzeugt, kann die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 nicht benötigt werden, um den Abgasstrom zu behandeln, der von dem HCCl-Verbrennungsprozess erzeugt wird. Die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 muss nur verwendet werden, wenn der Motor 10 bei höheren Belastungen und/oder höheren Temperaturen in einem Nicht-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand arbeitet, wie beispielsweise in dem Diesel-Verbrennungsbetriebszustand. In solcher Weise verwendet, wenn kann die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 niedrigere Einträge von teueren Edelmetallen haben. Ebenfalls können die Schwierigkeiten des Betriebs der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 bei Bedingungen mit sehr niedriger Temperatur vermieden werden. Weil zusätzlich die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 nicht den Abgasstrom des Motors 10 während der gesamten Laufzeit des Motors 10 berührt, wird die Rate der Schwefelvergiftung der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 reduziert, und die effektive Lebensspanne der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 wird gesteigert.
  • Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, das Folgendes aufweist: Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand; Umschalten des Betriebs des Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand; und Leiten eines Abgasstroms des Motors in Kontakt mit einer NOx-Adsorptionsvorrichtung im Wesentlichen nur während des Betriebs in dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Verbrennungsbetriebszustand ein HCCl-Verbrennungsbetriebszustand (mit verdichtungsgezündeter homogener Ladung) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Verbrennungsbetriebszustand nicht ein HCCl-Verbrennungsbetriebszustand ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zweite Verbrennungsbetriebszustand ein Diesel-Verbrennungsbetriebszustand ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, welches das Abfühlen von mindestens einem Zustand des Motors aufweist.
  6. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, das Folgendes aufweist: Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand; Umschalten des Betriebs des Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand; und Leiten eines Abgasstroms des Motors in Kontakt mit einer NOx-Adsorptionsvorrichtung während irgendeines anderen Verbrennungsbetriebszustands als dem ersten Verbrennungsbetriebszustand.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Verbrennungsbetriebszustand ein HCCl-Verbrennungsbetriebszustand ist.
  8. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, das Folgendes aufweist: Bewirken, dass der Abgasstrom eines Motors, wobei der Motor fähig ist, selektiv in einem HCCl-Verbrennungsbetriebszustand und mindestens einem anderen Verbrennungsbetriebszustand zu arbeiten, eine NOx-Adsorptionsvorrichtung im Wesentlichen nur während des erwähnten mindestens einen anderen Verbrennungsbetriebszustands berührt.
  9. Verbrennungsmotor, der Folgendes aufweist: einen Motorkörper, der eine Brennkammer definiert, aus der ein Abgasstrom austritt; ein Brennstoffsystem, das mit dem Motorkörper verbunden ist, wobei das Brennstoffsystem geeignet ist, eine HCCl-Brennstoffladung in die Brennkammer zu liefern, wobei das Brennstoffsystem geeignet ist, mindestens eine andere Brennstoffladung in die Brennkammer zu liefern; und eine NOx-Adsorptionsvorrichtung, die positioniert ist, um den Abgasstrom im Wesentlichen nur dann zu berühren, wenn der Abgasstrom das Ergebnis der Verbrennung der mindestens einen anderen Brennstoffladung ist.
  10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, der ein Steuersystem aufweist, das geeignet ist, um zwischen der HCCl-Brennstoffladung und der mindestens einen anderen Brennstoffladung auszuwählen.
  11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, der mindestens einen Sensor aufweist, der mit dem Steuersystem verbunden ist, wobei der mindestens eine Sensor geeignet ist, um mindestens einen Zustand des Mo tors abzufühlen und den mindestens einen Zustand an das Steuersystem zu übermitteln.
  12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Zustand ein Lastzustand des Motors ist.
  13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Zustand ein Drehzahlzustand und/oder ein Temperaturzustand ist.
  14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, wobei das Steuersystem geeignet ist, zwischen der erwähnten HCCl-Brennstoffladung und der mindestens einen anderen Brennstoffladung ansprechend auf die Übermittlung des mindestens einen Zustandes auszuwählen.
  15. Verbrennungsmotor, der Folgendes aufweist: einen Motorkörper, der eine Brennkammer definiert, aus der ein Abgasstrom austritt; eine NOx-Adsorptionsvorrichtung, die positioniert ist, um selektiv den Abgasstrom zu berühren; Mittel zum Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand; Mittel zum Umschalten des Betriebs des Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand; und Mittel zum Leiten des Abgasstroms in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung im Wesentlichen nur während des Betriebs in dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand.
  16. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, das Folgendes aufweist: Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand, während dem die Verbrennung einen ersten Abgasstrom mit einer ersten Konzentration von NOx erzeugt, wobei die erste Konzentration von NOx geringer als eine vorbestimmte Referenz-NOx-Konzentration oder gleich dieser ist; Umschalten des Betriebs des Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand, während dem die Verbrennung einen zweiten Abgasstrom mit einer zweiten Konzentration von NOx erzeugt, wobei die zweite Konzentration von NOx größer als die vorbestimmte Referenz-NOx-Konzentration ist; Leiten des zweiten Abgasstroms in Kontakt mit mindestens einer NOx-Adsorptionsvorrichtung; Entfernung von NOx aus dem zweiten Abgasstrom wenn der zweite Abgasstrom in Kontakt mit der mindestens einen NOx-Adsorptionsvorrichtung ist, um einen behandelten Abgasstrom mit einer Konzentration von NOx zu erzeugen, die geringer als die erwähnte vorbestimmte Referenz-NOx-Konzentration oder gleich dieser ist.
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