DE102007044193B4

DE102007044193B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Einspritzung eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom

Info

Publication number: DE102007044193B4
Application number: DE102007044193.4A
Authority: DE
Inventors: Michael B. Viola
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2007-09-17
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2027-09-18
Also published as: US7469531B2; KR20080026498A; CN101149010A; US20080066455A1; DE102007044193A1; KR100957598B1

Abstract

Verfahren zum Steuern der Einspritzung eines Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittels in einen Abgasstrom eines Verbrennungsmotors (10), der geeignet ist, um in einem Bereich eines mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu arbeiten, oberstromig einer katalytischen Reaktorvorrichtung (20), umfassend die Schritte, dass: ein bevorzugtes Dosierverhältnis von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel zu Stickoxiden auf der Basis von Parametern des Abgasstromes und der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) ermittelt wird (40); das bevorzugte Dosierverhältnis von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel zu Stickoxiden angepasst wird (44, 45); eine bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate ermittelt wird (46, 48, 50); und das Reduktionsmittel bei der bevorzugten Reduktionsmittel-Zufuhrrate selektiv abgegeben wird (INJ_Pw, INJ_Pr).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein Abgasnachbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Eispritzen eines Reduktionsmittels oberstromig davon.
Hintergrund der Erfindung
Die Hersteller von Verbrennungsmotoren entwickeln Motorsteuerungsstrategien, um Kundennachfragen zu entsprechen und verschiedene Vorschriften in Bezug auf Emissionen und Kraftstoffverbrauch zu erfüllen. Eine solche Motorsteuerungsstrategie umfasst das Betreiben eines Motors bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das überstöchiometrisch ist, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren. Solch ein Betrieb ist durch Verwendung von Kompressionszündungs-(Diesel) und Magermotoren mit Fremdzündung möglich. Wenn ein Motor bei einem mageren (Sauerstoffüberschuss) Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeitet, ist die sich daraus ergebende Verbrennungstemperatur niedriger, was zu verringerten NO_x-Emissionen aus dem Motor führt. Allerdings ist die kommerzielle Anwendung von Motoren mit Magerbetrieb beschränkt, da keine wirksamen Verfahren zum Entfernen von NO_x unter Bedingungen eines mageren Abgases zur Verfügung steht. Eine wirksame Reduktion von Stickoxiden (NO_x = NO + NO₂) aus Diesel- und Benzinabgasen aus magerer Verbrennung ist daher wichtig, um zukünftige Emissionsgrenzwerte einzuhalten und den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen zu verbessern.
Die Reduktion von NO_x-Emissionen aus einem Abgasstrom, der einen Sauerstoffüberschuss enthält, stellt eine Herausforderung für Automobilhersteller dar. Man schätzt zum Beispiel, dass das Einhalten der Bin 5-Bestimmungen in den Vereinigten Staaten ein Nachbehandlungssystem erfordert kann, das zu einem NO_x-Umwandlungswirkungsgrad von 70–90% bei dem FTP(Federal Test Procedure)-Zyklus auf der Basis derzeit erwarteter NOx-Konzentrationen aus Motoren in der Lage ist. Für die praktische Anwendung muss der Umwandlungswirkungsgrad in einem niedrigen Betriebstemperaturbereich (z. B. 200–350°C), der während des zuvor erwähnten FTP-Zyklus vorliegt, und in einem höheren Betriebstemperaturbereich (z. B. 450–550°C), der während eines Hochdrehzahl-Testzyklus (z. B. des Bundestestverfahrens US06) vorliegt, erreicht werden.
Verschiedene mögliche Nachbehandlungssysteme wurden für eine Anwendung in Fahrzeugen vorgeschlagen. Ein Ansatz umfasst die Verwendung eines Nachbehandlungssystems, das das Einspritzen eines NO_x-Reduktionsmittels wie z. B. Harnstoff oberstromig eines Harnstoff-SCR-Katalysators umfasst, um NO_x zu N₂ zu reduzieren. Die Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel erfordert eine Infrastruktur zur Abgabe des Harnstoffes und ein eingebautes Überwachungssystem für dieses Sekundärfluid und kann wegen des relativ hohen Gefrierpunkts (–12°C) der Harnstofflösung in kalten Klimagebieten möglicherweise Probleme mit sich bringen. NO_x-Speicher-Katalysatoren benötigen typischerweise große Katalysatorvolumen, große Mengen an Metallen aus der Platingruppe und einen schwefelarmen Kraftstoff für einen wirksamen Speicherbetrieb. Solche Systeme erfordern eine periodische Katalysatorregenerierung, was beinhaltet, dass eine Kraftstoffeinspritzung hohe Abgastemperaturen erzeugt, und dass Reduktionsmittel eingespritzt werden, um das Speichermaterial des Katalysators zu regenerieren.
Dokument US 6 269 633 B1 beschreibt ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Katalysator zur Stickoxid-Reduktion, bei dem eine basierend auf einem gewünschten Reduktionsmittel/Stickoxid-Verhältnis berechnete Reduktionsmittel-Menge oberstromig des Katalysators eingespritzt wird.
Es besteht Bedarf an einer/m wirksamen Vorrichtung und Verfahren zum Einleiten eines Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittels in einen Abgasstrom über einen weiten Bereich von Betriebszuständen für die Verwendung bei Fahrzeugen und weiteren Anwendungen von Verbrennungsmotoren.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom bzw. Abgasspeisestrom eines Verbrennungsmotors, der geeignet ist, um in einem Bereich eines mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu arbeiten, oberstromig einer katalytischen Reaktorvorrichtung vorgesehen. Ein Steuermodul ist mit der Reduktionsmittel-Dosiervorrichtung funktionell verbunden und geeignet, um eine Reduktionsmittelströmung in den Abgasstrom zu bewirken. Das Verfahren umfasst, dass ein bevorzugtes Dosierverhältnis auf der Basis von Parametern des Abgasstromes und der katalytischen Reaktorvorrichtung ermittelt wird und das bevorzugte Dosierverhältnis angepasst wird. Eine bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate wird ermittelt und das Reduktionsmittel wird bei der bevorzugten Reduktionsmittel-Zufuhrrate selektiv abgegeben.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden für den Fachmann beim Lesen und Verstehen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und Anordnungen von Teilen eine physikalische Form besitzen, deren Ausführungsformen in den beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil davon bilden, im Detail beschrieben und veranschaulicht sind.
1 ist eine schematische Darstellung eines Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2 und 3 sind logische Flussdiagramme gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen die Darstellungen nur die Erfindung veranschaulichen und diese nicht einschränken sollen, zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors, eines Abgasnachbehandlungssystems und eines Steuersystems, die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
Das beispielhafte Motor- und Steuersystem umfasst einen herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotor 10 und ein elektronisches Motorsteuermodul („ECM”) 5. Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Motor mit Eigenzündung, der in einem Regime arbeitet, das hauptsächliche unterstöchiometrisch ist. Alternativ kann der Motor 10 einen Motor umfassen, der eine beliebige Anzahl von Motorsteuerungsstrategien verwendet, die überstöchiometrisch arbeiten, wie z. B. Motoren mit homogener Kompressionszündung und Magermotoren mit Fremdzündung. Der Motor 10 umfasst eine Vielzahl von sich hin- und herbewegenden Kolben, die an einer Kurbelwelle angebracht sind, welche funktionell mit einem Fahrzeugantriebsstrang verbunden ist, um ein Antriebsdrehmoment auf diese zu übertragen. Der Motor erzeugt einen Abgasstrom, der geregelte Bestandteile umfasst, die unter anderem typischerweise Kohlenwasserstoffe („HC”), Kohlenmonoxid („CO”), Stickoxide („NO_x”) und Partikel („PM”) umfassen. Die geregelten Bestandteile werden in dem Abgasnachbehandlungssystem durch Prozesse wie Oxidation und Reduktion teilweise oder vollständig in unschädliche Gase umgewandelt.
Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ein integriertes System, das wirksam ist, um Bestandteile des Abgasstromes in unschädliche Gase umzuwandeln. Ein Abgaskrümmer nimmt Motorabgase mit und leitet sie zu dem Abgasnachbehandlungssystem. Das beispielhafte Nachbehandlungssystem umfasst katalytische Reaktorvorrichtungen, die einen Oxidationskatalysator („DOC”) 14, einen kohlenwasserstoffselektiven katalytischen Reduktions(„SCR”)-Katalysator 20 und einen Endkatalysator 24 mit einem zweiten Oxidationskatalysator („DOC”) kombiniert mit einem katalytische beschichteten Dieselpartikelfilter („CDFP”) umfassen. Jede der katalytischen Reaktorvorrichtungen umfasst eine Vorrichtung, die Technologien mit verschiedenen Fähigkeiten zum Verarbeiten der Bestandteile des Abgasstromes verwendet, umfassend Oxidation, Reduktion, eine Reduktionsmitteldosierung und ein Filter von Partikeln. Die Vorrichtungen sind vorzugsweise unter Verwendung von bekannten Rohren und Verbindern fluidmäßig in Serie verbunden. Die Anordnung und Verwendung der mit Bezug auf 1 beschriebenen spezifischen katalytischen Reaktorvorrichtungen sollen der Veranschaulichung dienen und die Erfindung nicht auf eine spezifische Konstruktion und Bauform beschränken.
Die SCR-Vorrichtung 20 umfasst eine katalytische Reaktorvorrichtung, die dazu dient, einen wesentlichen Anteil an NO_x-Gasen im Abgas in Anwesenheit eines Kohlenstoff-Reduktionsmittels zu inertem Stickstoffgas zu reduzieren. Zur Veranschaulichung verwendet eine SCR-Vorrichtung 20 Silber-Aluminiumoxid („AgAl”) als katalytisches Material und umfasst einen vorgewählten Gew.-%-Anteil an Ag₂O, das auf einem Aluminiumoxid-Washcoat getragen ist. Ein beispielhafter Bereich eines katalytischen Materials liegt zwischen 2 und 4 Gew.-% AgAl, mit einer Washcoat-Beladung zwischen 2 bis 3 g/Zoll³, die auf einem Cordierit-Monolithsubstrat mit 400 Zellen pro Quadratzoll getragen ist. Die SCR-Vorrichtung 20 kann alternativ eines von verschiedenen bekannten katalytische Materialien und Washcoats mit einem Bereich von Beladungen und auf einer Substratvorrichtung getragen verwenden. Es ist einzusehen, dass die Angaben zum Katalysator nur der Veranschaulichung dienen sollen, um das System und die Steuerstrategie, die hierin beschrieben sind, zu demonstrieren.
Das Nachbehandlungssystem umfasst Erfassungsvorrichtungen und -systeme, die mit dem ECM 5 vorzugsweise signalmäßig verbunden sind. Die Erfassungsvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen NO_x-Sensor 12, einen Temperatursensor 26 und eine zweite Abgaserfassungsvorrichtung 22. Der NO_x-Sensor 12 dient dazu, die aus dem Motor (wie gezeigt) austretenden Abgase zu überwachen, oder kann alternativ unterstromig der DOC-Vorrichtung 14 angeordnet sein. Der Temperatursensor 26 dient dazu, die Temperatur der aus der DOC-Vorrichtung 14 austretenden Abgase oberstromig der SCR-Vorrichtung 20 zu erfassen, oder alternativ kann der Sensor im Bett der SCR-Vorrichtung 20 angeordnet sein, in jedem Fall, um eine Betriebstemperatur („T_EXH”) der SCR-Vorrichtung zu ermitteln. Die Abgaserfassungsvorrichtung 22 umfasst einen zweiten Sensor, der gezeigt ist und dazu dient, um Bestandteile von Abgasen nach dem SCR-Katalysator 20 zu überwachen, wobei sein Ausgang für Steuer- und Diagnosezwecke verwendet werden kann. Der NO_x-Sensor 12 umfasst vorzugsweise einen Sensor, der dazu dient, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für eine NO_x-Konzentration im Abgasstrom korrelierbar ist, die typischerweise in parts per million („ppm”) gemessen wird, und der ferner dazu dient, ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgasstromes korrelierbar ist, aus dem ein Abgas-Sauerstoffgehalt („O2”) ermittelt werden kann. Alternativ kann der NO_x-Sensor 12 eine eigentliche NO_x-Erfassungsvorrichtung umfassen, die einen in dem Steuermodul residenten Algorithmus umfasst, der dazu dient, Parameterwerte für NO_x und O₂ auf der Basis von Motorbetriebszuständen zu ermitteln. Die Abgaserfassungsvorrichtung 22 kann einen NO_x-Sensor umfassen, der dazu dient, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für eine NO_x-Konzentration im Abgasstrom nach der SCR-Vorrichtung 20 korrelierbar ist. Alternativ kann die Abgaserfassungsvorrichtung 22 einen Kohlenwasserstoffsensor umfassen, der dazu dient, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für eine HC-Konzentration im Abgasstrom nach der katalytischen Vorrichtung 20 korrelierbar ist, zur Verwendung in einem hierin beschriebenen Regelungsschema. Alternativ kann die Abgaserfassungsvorrichtung 22 einen Sauerstoffsensor („O2”) umfassen, der dazu dient, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für eine O2-Konzentration im Abgasstrom nach der katalytischen Reaktorvorrichtung 20 korrelierbar ist, zur Verwendung in einem hierin beschriebenen Regelungsschema. Je nach Bedarf können weitere Sensoren 18 in dem Nachbehandlungssystem oberstromig der SCR-Vorrichtung 20 eingesetzt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor 18 einen Sauerstoffsensor umfassen, der zur Diagnostik und Regelung in Verbindung mit dem Sensor 22 verwendbar ist.
Das Steuersystem umfasst vorzugsweise eine abgegebene Steuermodularchitektur, die ein ECM 5 umfasst. Das Steuersystem umfasst vorzugsweise eine Vielzahl von Steuermodulen, die dazu geeignet sind, um eine koordinierte Steuerung der verschiedenen Fahrzeugsysteme einschließlich des hierin beschriebenen Antriebssystems vorzusehen. Das Steuersystem dient dazu, um die Eingänge von Erfassungsvorrichtungen (z. B. der Sensoren 12, 18, 22, 26) zu überwachen, passende Informationen zu synthetisieren und Algorithmen zum Steuern verschiedener Aktuatoren (z. B. 16, 32) auszuführen, um Steuerziele zu erreichen, die solche Parameter wie Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Leistung, Fahrverhalten und den Schutz der Hardware umfassen. Die abgegebene Steuermodularchitektur umfasst das ECM 5 und eine Benutzerschnittstelle („UI”) 13, die funktionell mit einer Vielzahl von weiteren Vorrichtungen verbunden ist, über die ein Fahrer eines Fahrzeugs typischerweise den Betrieb des Fahrzeugs und des Antriebssystems steuert und lenkt. Beispielhafte Vorrichtungen, über die ein Fahrer eines Fahrzeugs einen Eingang an die UI bereitstellt, umfassen ein Gaspedal, ein Bremspedal, einen Gangschalthebel und einen Fahrzeugtempomat. Jede/r der zuvor erwähnten Controller und Vorrichtungen kommuniziert mit weiteren Controller, Vorrichtungen, Sensoren und Aktuatoren über einen lokalen Hochgeschwindigkeitsnetzwerk(„HLAN)-Bus, der allgemein als Element 6 bezeichnet ist. Der LAN-Bus 6 erlaubt eine strukturierte Übermittlung von Steuerparametern und -befehlen zwischen den verschiedenen Prozessoren, Steuermodulen und Vorrichtungen. Das verwendete spezifische Kommunikationsprotokoll ist anwendungsspezifisch. Der LAN-Bus und entsprechende Protokolle sorgen für eine robuste Mitteilungsübermittlung und einen Mehrfachcontrolleranschluss zwischen den zuvor erwähnten Controller und weiteren Controller, die eine Funktionalität wie z. B. ABS-Bremsen, Traktionskontrolle und Fahrzeugstabilität bereitstellen. Das ECM 5 umfasst eine Zentralprozessoreinheit, die über Datenbusse signalmäßig elektrisch mit flüchtigen und nicht flüchtigen Speichervorrichtungen verbunden sind. Das ECM 5 ist funktionell an Erfassungsvorrichtungen und weiteren Ausgabevorrichtungen angeschlossen, um den Betrieb des Motors 10 und des Abgassystems wie gezeigt fortgesetzt zu überwachen und zu steuern. Die Ausgabevorrichtungen umfassen vorzugsweise Subsysteme, die für eine/n entsprechende/n Steuerung und Betrieb des Motors erforderlich sind und z. B. ein Luftansaugsystem, ein Kraftstoffeinspritzsystem, ein Abgasrückführsystem und ein Kraftstoffverdunstungssystem umfassen. Die Motorerfassungsvorrichtungen umfassen Vorrichtungen, die dazu dienen, um einen Motorbetrieb und äußere Bedingungen zu überwachen, und sind typischerweise über Kabelstränge signalmäßig an dem ECM 5 angeschlossen. Algorithmen, die in den nicht flüchtigen Speichervorrichtungen gespeichert sind, werden von der Zentralprozessoreinheit ausgeführt und dienen dazu, um Eingänge von den Erfassungsvorrichtungen zu überwachen, und führen Motorsteuerungs- und -diagnoseroutinen aus, um den Betrieb des Motors und der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Die Algorithmen werden typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, wobei jeder Steueralgorithmus mindestens einmal pro Schleifenzyklus ausgeführt wird. Schleifenzyklen werden typischerweise alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines Motorbetriebes ausgeführt. Alternativ können Steueralgorithmen in Ansprechen auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden. Ein zyklisches Ereignis, z. B. eine Berechnung einer Motorkraftstoffzufuhr, kann bei jedem Motorzyklus ausgeführt werden. Ein Diagnosealgorithmus kann einmal pro Zündung-ein-Zyklus ausgeführt werden. Ein Diagnosealgorithmus kann weitere Einschränkungen aufweisen, die Anforderungen umfassen, vor einer Ausführung festgelegte Freigabekriterien zu erfüllen. Ein Fachmann ist in der Lage, die Verwendung des ECM 5 für einen Steuer- und Diagnosebetrieb von verschiedenen Aspekten des Verbrennungsmotors 10 allgemein zu verstehen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist die Vorrichtung zum Einspritzen eines Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittels in den Abgasstrom des beispielhaften Verbrennungsmotors oberstromig einer der katalytischen Vorrichtungen gezeigt. Solch eine Einspritzung erfolgt vorzugsweise während eines Magerbetriebes des Verbrennungsmotors 5 oder unter anderen geeigneten Betriebsbedingungen. Eine beispielhafte Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 zum Abgeben eines Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittels umfasst eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die geeignet ist, um ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen, und fluidmäßig mit einer steuerbaren Druckregelvorrichtung 32 verbunden ist, die unter Druck stehenden Kraftstoff von einer Kraftstoffleitung des Motors empfängt. Das ECM 5 ist funktionell mit der Reduktionsmittel-Einspritzeinrichtung 16 und der steuerbaren Druckregelvorrichtung 32 verbunden und steuert die Reduktionsmittelströmung in den Abgasstrom über einen steuerbaren Strömungsbereich. Das Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel umfasst vorzugsweise einen Kohlenwasserstoff-Kraftstoff. Das Abgassystem umfasst Erfassungsvorrichtungen, z. B. Sensoren 12, 18, 22 und 26, die dazu dienen, um Parameter des Abgasstromes zu überwachen, aus denen das ECM 5 in der Lage ist, Parameter einer Abgastemperatur, einer Durchflussrate und von Emissionen zu ermitteln. Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 und die steuerbare Druckregelvorrichtung 32 sind jeweils funktionell mit dem ECM 5 verbunden, das den Massenstrom des Reduktionsmittels in den Abgasstrom steuert, indem es den Regler 32 derart steuert, dass er den Kraftstoffdruck steuert und die Impulsdauer der Einspritzeinrichtungsöffnung und die Wiederholungsrate derart steuert, dass die Masse der Kraftstoffströmung aus der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 hinaus gesteuert ist, wie hierin unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben ist.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 ist ein hierin oben stehend beschriebenes Optimalwertsteuerungsschema mm Steuern einer HC-Einspritzung in das Abgasnachbehandlungssystem im Detail beschrieben. Das Steuerschema wird vorzugsweise als ein oder mehrere Algorithmen in dem ECM 5 ausgeführt. Die Abgastemperatur T_EXH, die unter Verwendung des Temperatursensors 26 gemessen wird, und die Raumgeschwindigkeit („SV”) werden ermittelt. Die Katalysator-Raumgeschwindigkeit wird auf der Basis des verdrängten Volumens des/der Substrate/s des Katalysatorreaktors und der Strömungsrate des Abgasstromes ermittelt Die Raumgeschwindigkeit entspricht einer Zufuhrrate von Abgas in Volumen pro Volumeneinheit des Katalysators und besitzt die Einheit des Reziproks einer Stunde (h^–1). Diese Werte umfassen Eingänge in eine Dosiertabelle 40, aus der ein bevorzugtes C₁/NO_x-Verhältnis („C₁/NO_x-Rohverhältnis”) abgerufen werden kann. Die Dosiertabelle umfasst eine Kalibrationstabelle, die in Tabellenform in einer der nicht flüchtigen Speichervorrichtungen des ECM 5 gespeichert ist und eine Vielzahl von Parameterwerten für optimierte C₁/NO_x-Verhältnisse umfasst, die über einen Bereich von Abgastemperaturen T_EXH und einen Bereich von Katalysator-Raumgeschwindigkeitsparametern SV für die spezifische Anwendung ermittelt wurden. In einer weiteren Verfeinerung der Erfindung können die Parameterwerte für optimierte C₁/NO_x-Verhältnisse der Dosiertabelle während eines regulären Betriebs des Motors auf der Basis von Motorbetriebszuständen und einer Rückmeldung von einem oder mehreren der Abgassensoren aktualisiert werden. Die aktualisierten Parameterwerte für optimierte C₁/NO_x-Verhältnisse können die Form einer zweiten Kalibrationstabelle mit derselben Größe wie die Dosiertabelle besitzen, wobei ein spezifischer Wert in der zweiten Kalibrationstabelle mit einem entsprechenden spezifischen Wert der Dosiertabelle kombiniert wird, um das optimierte C₁/NO_x-Rohverhältnis zu ermitteln.
Das optimierte C₁/NO_x-Rohverhältnis ist ein Verhältnis von Kraftstoff-Kohlenstoff zu Stickoxiden, die dem Abgasstrom zugesetzt werden müssen, um eine maximale NO_x-Reduktion und einen minimalen unvollständigen HC-Umsatz an dem HC-SCR-Katalysator 20 vorbei zu erzielen. Ein Maß für die Sauerstoffkonzentration („O₂”) in dem Abgasstrom wird vorzugsweise unter Verwendung eines Signalausgangs von dem Sensor 12 ermittelt und in eine O₂-Kompensationstabelle 42 eingegeben. Das Maß für die Sauerstoffkonzentration umfasst vorzugsweise ein Parametermaß für die O₂-Konzentration in einem Bereich von 21% bis unter 2%. Die O₂-Kompensationstabelle 42 umfasst eine Vielzahl von vorbestimmten O₂-Multiplikatoren („O2 MULT”) im Bereich von 1,0 bis unter 0,5, die über den O₂-Konzentrationsbereich korreliert sind. Ein O₂-Multiplikator wird für die gemessene O₂-Konzentration ermittelt und wird mit dem C₁/NO_x-Rohverhältnis multipliziert (bei 44), um ein endgültiges C₁/NO_x-Verhaltnis zu erhalten. Ein Maß für NO_x im Abgasstrom wird unter Verwendung des Sensors 12 ermittelt, in Einheiten von Mol pro Sekunde umgewandelt und mit dem endgültigen C₁/NO_x-Verhältnis multipliziert (bei 46), um eine C₁-Kraftstoffrate (mol/s) zu ermitteln. Die C₁-Kraftstoffrate wird durch ein HC/Kraftstoff-Verhältnis dividiert (bei 48), um eine C14-Kraftstoffrate (mol/s) zu erhalten. In dieser Ausführungsform umfasst das HC/Kraftstoff-Verhältnis ein C₁/C₁₄-Kraftstoff-Verhältnis, welches das Kohlenwasserstoff-Verhältnis für Dieselkraftstoff anzeigt. Die C₁₄-Kraftstoffrate in mol/s wird mit einem Gramm/Mol(„g/mol”)-Umwandlungsfaktor multipliziert (bei 50), um eine C₁₄-Kraftstoffrate in Gramm/Sekunde zu erhalten. Beispielsweise weist 1 ppm verdampfter Diesel ca. 14 Kohlenstoffatome auf; somit erfordert ein C₁/NO_x-Verhältnis von 10 mit 100 ppm Einlass-NO_x im Abgasstrom die Einspritzung von 10 × 100/14 = 71 ppm Dieselkraftstoff. Die C₁₄-Kraftstoffrate wird in ein Einspritzeinrichtungs-Steuermodul 52 eingegeben, um eine bevorzugte Impulsdauer („INJ_Pw”) und einen bevorzugten Druck („INJ_Pr”) für den Betrieb der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 zu ermitteln. Das ECM 5 steuert die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 derart, dass sie Kohlenwasserstoff-Kraftstoff in den Abgasstrom einspritzt, um in Einklang mit der bevorzugten Impulsdauer („INJ_Pw”) und dem bevorzugten Druck („INJ_Pr”) NOx zu reduzieren und einen unvollständigen HC-Umsatz zu minimieren.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 ist nun ein Steuerschema mit einer Optimalwertsteuerungsregelung und einer Rückwärtsregelung beschrieben, um den Motor und das Reduktionsmittel-Einspritzsystem mit der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 und der Druckregelvorrichtung 32 auf der Basis des bevorzugten Verhältnisses für C₁/NO_x und der Abgasstromparameter zu betreiben. Sämtliche Aspekte des unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Steuerschemas bilden einen Teil dieser Ausführungsform und sind nicht im Detail beschrieben. In dieser Ausführungsform wird eine Rückmeldung von dem Abgassensor 22 im Abgasstrom nach dem SCR-Katalysator 20, oder der alternativ innerhalb des SCR 20 positioniert ist, um einen Abschnitt davon zu überwachen, erhalten. Die Sensorrückmeldung wird verwendet, um das Ausmaß der HC-Dosierung anzupassen. Wenn der Sensor 22 z. B. den zuvor erwähnten Sauerstoffsensor umfasst, besteht die Tendenz, dass im Abgasstrom detektierte niedrige Sauerstoffniveaus zu einem verbesserten NO_x-Wirkungsgrad führen. Daher kann, wenn das Sauerstoffniveau im Abgasstrom abfällt, das Ausmaß der HC-Einspritzung reduziert werden. Ein Rückkopplungsfaktor wird auf der Basis des Sauerstoffniveaus, das vorzugsweise im Bereich von 0,0 bei niedrigen O₂-Niveaus und 1,0 bei hohen O₂-Niveaus liegt, ermittelt. Das Steuerschema bezieht Informationen von dem Sensor 22 mit ein, indem ein Rückkopplungsmultiplikator („FDBK”) bestimmt und das C₁/NO_x-Rohverhältnis dabei (bei 45) als Teil der Ermittlung des endgültigen C₁/NO_x-Verhältnisses multipliziert wird. Ähnliche Strategien können für eine Rückmeldung von dem Sensor 22 entwickelt werden, wenn der Sensor 22 entweder einen NO_x-Sensor oder einen Kohlenwasserstoffsensor umfasst. Das Steuerschema führt danach, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, eine Steuerung der HC-Einspritzung in den Abgasstrom aus.
Die unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschriebenen Ausführungsformen beschreiben Systeme zum Optimieren einer NO_x-Reduktion durch eine HCR-SCR-Katalysatorvorrichtung. Es ist einzusehen, dass die Steuerstrategie geeignet sein kann, um eine gesteuerte Menge an Kohlenwasserstoff oberstromig einer katalytischen Vorrichtung, z. B. des hierin gezeigten Oxidationskatalysators 14, einzuspritzen, um eine Entschwefelung davon zu bewirken. Alternativ kann die Steuerstrategie geeignet sein, um eine gesteuerte Menge an Kohlenwasserstoff oberstromig des zweiten Oxidationskatalysators 24, der den Dieselpartikelfilter („CDPF”) 24 umfasst, einzuspritzen, um eine Regenerierung davon zu bewirken.
Die hierin oben stehend mit Bezug auf die Ausführungsformen beschriebene Steuerstrategie ist anwendbar, um eine nachgeschaltete Einspritzvorrichtung für verschiedene Motoren mit Eigenzündung und für Motoren mit Fremdzündung zu steuern. Wie beschrieben, umfassen solche Systeme eine nachgeschaltete HC-Einspritzung zum Regenerieren von Dieselpartikelfiltern, eine nachgeschaltete HC-Einspritzung zur Entschwefelung von Diesel-Oxidationskatalysatoren und eine nachgeschaltete HC-Einspritzung zur Regenerierung und Entschwefelung von Mager-NOx-Katalysatoren.
Das Abgasnachbehandlungssystem für Verbrennungsmotoren, die geeignet sind, um im Bereich eines mageren Luft/Kraftstoff-Verhätnises zu arbeiten, umfasst die katalytische Reaktorvorrichtung, eine Vielzahl von Abgaserfassungsvorrichtungen und das Reduktionsmittel-Einspritzsystem.
Das Reduktionsmittel-Einspritzsystem gibt ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom oberstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung ab und umfasst die Fluiddosiervorrichtung, die geeignet ist, um das Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen und die steuerbare Druckregelvorrichtung. Das Steuersystem bestimmt Parameter des Abgasstromes und eine bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate. Das Reduktionsmittel-Einspritzsystem wird auf die bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate während eines Magerbetriebes gesteuert. Die Verwendung solch einer Steuerung erlaubt eine Verbesserung des Fahrzeug-Kraftstoffverbrauches während eine maximale NO_x-Reduktion über dem Katalysator erreicht wird.
Die Erfindung wurde unter spezieller Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen und Abwandlungen an denselben beschrieben. Weitere Abwandlungen und Änderungen können nach dem Lesen und Verstehen der Beschreibung erfolgen. Es sollen alle derartigen Abwandlungen und Änderungen umfasst sein, sofern sie in den Umfang der Erfindung fallen.

Claims

Verfahren zum Steuern der Einspritzung eines Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittels in einen Abgasstrom eines Verbrennungsmotors (10), der geeignet ist, um in einem Bereich eines mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu arbeiten, oberstromig einer katalytischen Reaktorvorrichtung (20), umfassend die Schritte, dass: ein bevorzugtes Dosierverhältnis von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel zu Stickoxiden auf der Basis von Parametern des Abgasstromes und der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) ermittelt wird (40); das bevorzugte Dosierverhältnis von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel zu Stickoxiden angepasst wird (44, 45); eine bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate ermittelt wird (46, 48, 50); und das Reduktionsmittel bei der bevorzugten Reduktionsmittel-Zufuhrrate selektiv abgegeben wird (INJ_Pw, INJ_Pr).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des bevorzugten Dosierverhältnisses umfasst, dass einer aus einer Vielzahl von vorbestimmten Parameterwerten für das bevorzugte Dosierverhältnis von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel zu Stickoxiden, nämlich ein C₁/NO_x-Verhältnis, ausgewählt wird (40), um auf der Basis der Parameter des Abgasstromes die NO_x-Reduktion in der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) zu optimieren.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend, dass das C₁/NO_x-Verhältnis auf der Basis des Kohlenwasserstoffgehalts des Reduktionsmittels zu einer Reduktionsmittel-Zufuhrrate umgewandelt wird (48).
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend, dass die Vielzahl von vorbestimmten Parameterwerten für das C₁/NO_x-Verhältnis selektiv aktualisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Parameter des Abgasstromes und der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) umfassen: eine NO_x-Konzentration, eine Raumgeschwindigkeit und eine Betriebstemperatur der katalytischen Reaktorvorrichtung (20).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen des bevorzugten Dosierverhältnisses umfasst, dass das bevorzugte Dosierverhältnis auf der Basis des Sauerstoffgehalts des Abgasstromes oberstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) angepasst wird (44).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Anpassen des bevorzugten Dosierverhältnisses ferner umfasst, dass das bevorzugte Dosierverhältnis auf der Basis des Abgasstromes unterstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) angepasst wird (45).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Anpassen des bevorzugten Dosierverhältnisses ferner umfasst, dass das bevorzugte Dosierverhältnis auf der Basis des Sauerstoffgehalts des Abgasstromes unterstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) angepasst wird (45).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Anpassen des bevorzugten Dosierverhältnisses ferner umfasst, dass das bevorzugte Dosierverhältnis auf der Basis des Kohlenwasserstoffgehalts des Abgasstromes unterstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) angepasst wird (45).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Anpassen des bevorzugten Dosierverhältnisses ferner umfasst, dass das bevorzugte Dosierverhältnis auf der Basis des NO_x-Gehalts des Abgasstromes unterstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) angepasst wird (45).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Anpassen des bevorzugten Dosierverhältnisses ferner umfasst, dass das bevorzugte Dosierverhältnis auf der Basis des Abgasstromes unterstromig eines Abschnittes der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) angepasst wird (45).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Einspritzen des Reduktionsmittels bei der bevorzugten Reduktionsmittel-Zufuhrrate umfasst, dass ein Druck und eine Öffnungszeit einer Reduktionsmittel-Einspritzeinrichtung (16) gesteuert werden (INJ_Pw, INJ_Pr).
Herstellungsgegenstand, umfassend ein Computerprogramm, um eine Fluiddosiervorrichtung zu steuern, die geeignet ist, um ein Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel in einen Abgasstrom eines Verbrennungsmotors (10), der geeignet ist, um im Bereich eines mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu arbeiten, oberstromig einer katalytischen Reaktorvorrichtung (20) einzuspritzen, wobei das Programm umfasst: einen Code, um ein bevorzugtes Dosierverhältnis von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel zu Stickoxiden auf der Basis von Parametern des Abgasstromes und der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) zu ermitteln (40); einen Code, um das bevorzugte Dosierverhältnis von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel zu Stickoxiden anzupassen (44, 45); einen Code, um eine bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate zu ermitteln (46, 48, 50); und einen Code, um das Reduktionsmittel bei der bevorzugten Reduktionsmittel-Zufuhrrate selektiv abzugeben (INJ_Pw, INJ_Pr).
Herstellungsgegenstand nach Anspruch 13, wobei der Code zum Ermitteln eines bevorzugten Dosierverhältnisses einen Code umfasst, um einen aus einer Vielzahl von C₁/NO_x-Verhältnis-Parametern, die in Tabellenform gespeichert sind, auf der Basis der Parameter des Abgasstromes und der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) auszuwählen (40).
Herstellungsgegenstand nach Anspruch 14, ferner mit einem Code um die Vielzahl von C₁/NO_x-Verhältnis-Parametern, die in Tabellenform gespeichert sind, auf der Basis der Parameter des Abgasstromes und der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) selektiv zu aktualisieren.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), der geeignet ist, um im Bereich eines mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu arbeiten, umfassend: eine katalytische Reaktorvorrichtung (20); eine Vielzahl von Abgaserfassungsvorrichtungen (12, 18, 22, 26); ein Reduktionsmitteleinspritzsystem (16, 32), das dazu dient, um ein Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel in den Abgasstrom oberstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) abzugeben; und ein Steuersystem (5), das geeignet ist, um: i) ein bevorzugtes Dosierverhältnis von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel zu Stickoxiden auf der Basis von Parametern des Abgasstromes und der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) zu ermitteln (40); ii) das bevorzugte Dosierverhältnis von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel zu Stickoxiden anzupassen (44, 45); iii) eine bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate zu ermitteln (46, 48, 50); und iv) das Reduktionsmittel-Einspritzsystem (16, 32) selektiv zu steuern, um das Reduktionsmittel bei der bevorzugten Reduktionsmittel-Zufuhrrate abzugeben (INJ_Pw, INJ_Pr).
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 16, wobei das Reduktionsmittel-Einspritzsystem (16, 32) umfasst: eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung (16), die geeignet ist, um ein Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen, und eine steuerbare Druckregelvorrichtung (32).
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 16, wobei das Steuersystem (5), das geeignet ist, um ein bevorzugtes Dosierverhältnis zu ermitteln, das Steuersystem (5) umfasst, das geeignet ist, um eines aus eine Vielzahl von Dosierverhältnissen, die in Tabellenform in dem Steuersystem enthalten sind, auszuwählen (40).
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 18, wobei das Steuersystem (5) geeignet ist, um die Vielzahl von Dosierverhältnissen, die in Tabellenform in dem Steuersystem enthalten sind, selektiv zu aktualisieren.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei jedes der Dosierverhältnisse einen vorbestimmten Parameterwert für das C₁/NO_x-Verhältnis umfasst, um die NO_x-Reduktion in der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) zu optimieren.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 16, wobei die Abgaserfassungsvorrichtungen (12, 18, 22, 26) eine Sauerstofferfassungsvorrichtung (22) unterstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung (20) umfassen und das Steuersystem (5) geeignet ist, um daselbst einen Sauerstoffgehalt in dem Abgasstrom zu ermitteln, und geeignet ist, um auf der Basis dessen das bevorzugte Dosierverhältnis anzupassen (45).
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass: die katalytische Reaktorvorrichtung (20) eine kohlenwasserstoffselektive Katalysator-Reduktionsvorrichtung umfasst; und die bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate ein Kohlenwasserstoff/NO_x-Verhältnis umfasst, das dazu dient, um die NO_x durch die Kohlenwasserstoffselektive Katalysator-Reduktionsvorrichtung (20) zu reduzieren.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass: die katalytische Reaktorvorrichtung (20) eine Dieselpartikelfiltervorrichtung (24) umfasst; und die bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate dazu dient, um die Dieselpartikelfiltervorrichtung (24) zu regenerieren.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass: die katalytische Reaktorvorrichtung (20) eine katalytische Dieseloxidationsvorrichtung (14) umfasst; und die bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate dazu dient, um die eine katalytische Dieseloxidationsvorrichtung (14) zu entschwefeln.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 16, wobei der Verbrennungsmotor (10) einen Motor mit homogener Kompressionszündung umfasst.