DE102009038948B4 - System und Verfahren zur Steuerung von Mager-Stickoxidemission - Google Patents

System und Verfahren zur Steuerung von Mager-Stickoxidemission Download PDF

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Abstract

Steuersystem (20), welches umfasst:ein NH-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (200), das ein NH-Speicherniveau in einem Abgassystem (28) bestimmt;ein Kraftstoffsteuermodul (202), das ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) in einem Motor (12) auf der Basis des NH-Speicherniveaus steuert;ein Minimal-NH-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (204), das ein Minimal-NH-Speicherniveau auf der Basis einer Abgastemperatur bestimmt; undein Ziel-NH-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (208), das ein Ziel-NH-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur bestimmt,wobei das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis auf mager stellt, wenn das NH-Speicherniveau das Minimal-NH-Speicherniveau übersteigt, und erst dann wieder auf fett stellt, wenn das NH-Speicherniveau das Minimal-NH-Speicherniveau nicht übersteigt,wobei das Minimal-NH-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (204) das Minimal-NH-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur bestimmt, nachdem das NH-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (200) festgestellt hat, dass das NH-Speicherniveau das Minimal-NH-Speicherniveau übersteigt, unddas Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis daraufhin auf mager gestellt hat,wobei das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis auf fett stellt, wenn das NH-Speicherniveau das Minimal-NH-Speicherniveau nicht übersteigt, und erst dann wieder auf mager stellt, wenn das NH-Speicherniveau das Ziel-NH-Speicherniveau übersteigt, undwobei ein Ziel-NH-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (208) das Ziel-NH-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur nur dann bestimmt, nachdem das NH-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (200) festgestellt hat, dass das NH-Speicherniveau das Minimal-NH-Speicherniveau nicht übersteigt,und das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis daraufhin auf fett gestellt hat und bevor das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis erneut auf mager stellt.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Offenlegung betrifft Emissionssteuersysteme und -verfahren für Verbrennungsmotoren und im Spezielleren Systeme und Verfahren zur Steuerung von Mager-Stickoxid (NOx)-Emissionen.
  • Hintergrund
  • Verbrennungsmotoren können bei einem mageren Luft/KraftstoffVerhältnis (L/K-Verhältnis) betrieben werden, um die Kraftstoffökonomie zu verbessern. Die Stickoxid (NOx)-Emissionen, die während eines mageren Betriebes produziert werden, sind gesteuert. Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR von selective catalytic reduction), Dosiersysteme und Mager-NOx-Abfang- (LNT von lean NOx trap)-Katalysatoren werden üblicherweise mit Verbrennungsmotoren zur Verringerung von Emissionen verwendet.
  • In einem typischen SCR-Prozess reagieren NOx mit einem Reduktionsmittel, das durch das Dosiersystem in den Abgasstrom eingeleitet wird, um auf einem SCR-Katalysator absorbiert zu werden. Das eingespritzte Dosiermittel (z. B. Harnstoff) zerfällt, um Ammoniak (NH3) zu bilden. NH3 reagiert mit NOx, um die NOx zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) zu reduzieren.
  • LNT-Katalysatoren können NOx aus dem Abgas absorbieren, wenn die SCR-Einheit nicht in der Lage ist, NOx-Emissionen während einer Motorstartperiode effektiv zu reduzieren. LNT-Katalysatoren können absorbierte NOx freisetzen, nachdem das Abgas eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, bei der die SCR-Einheit NOx effektiv in N2 und H2O umwandeln kann. Infolgedessen können die in die Umgebung freigesetzten NOx-Emissionen während der Motorstartperiode reduziert werden.
  • Herkömmliche Systeme und Verfahren zur Steuerung von Mager-Stickoxidemission sind beschrieben in den Druckschriften DE 100 43 798 A1 , DE 10 2006 027 357 A1 , Robert Bosch GmbH [Hrsg.]: Dieselmotor-Management, Vieweg: Wiesbaden, 2004, S. 338-343, ISBN: 3-528-23873-9 und DE 10 2004 031 624 A1 .
  • Zusammenfassung
  • Ein erfindungsgemäßes Steuersystem umfasst ein NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul, das ein NH3-Speicherniveau in einem Abgassystem bestimmt, ein Kraftstoffsteuermodul, das ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) in einem Motor auf der Basis des NH3-Speicherniveaus steuert, ein Minimal-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul, welches ein Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis einer Abgastemperatur bestimmt, und ein Ziel-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul, das ein Ziel-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur bestimmt. Das Kraftstoffsteuermodul stellt das L/K-Verhältnis auf mager, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt, und stellt das L/K-Verhältnis erst dann wieder auf fett, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt. Das Minimal-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul bestimmt das Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur, nachdem das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul festgestellt hat, dass das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt, und das Kraftstoffsteuermodul das L/K-Verhältnis daraufhin auf mager gestellt hat. Das Kraftstoffsteuermodul stellt das L/K-Verhältnis auf fett, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, und erst dann wieder auf mager, wenn das NH3-Speicherniveau das Ziel-NH3-Speicherniveau übersteigt. Ein Ziel-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul bestimmt das Ziel-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur nur dann, nachdem das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul festgestellt hat, dass das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, und das Kraftstoffsteuermodul das L/K-Verhältnis daraufhin auf fett gestellt hat und bevor das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis erneut auf mager stellt.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst, dass ein NH3-Speicherniveau in einem Abgassystem bestimmt wird; ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) in einem Motor auf der Basis des NH3-Speicherniveaus gesteuert wird; ein Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis einer Abgastemperatur bestimmt wird; ein Ziel-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur bestimmt wird; das L/K-Verhältnis auf mager gestellt wird, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt, und erst dann wieder auf fett gestellt wird, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt; das Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur bestimmt wird, nachdem festgestellt wurde, dass das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt, und das L/K-Verhältnis daraufhin auf mager gestellt wurde; das L/K-Verhältnis auf fett gestellt wird, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, und erst dann wieder auf mager gestellt wird, wenn das NH3-Speicherniveau das Ziel-NH3-Speicherniveau übersteigt; und das Ziel-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur nur dann bestimmt wird, nachdem festgestellt wurde, dass das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, und das L/K-Verhältnis daraufhin auf fett gestellt wurde und bevor das L/K-Verhältnis erneut auf mager gestellt wird.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Offenlegung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung offensichtlich.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenlegung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
    • 1 eine schematische Veranschaulichung eines Fahrzeuges ist, das ein Emissionssteuersystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung umfasst;
    • 2 ein funktionelles Blockdiagramm eines Steuermoduls ist, welches ein Ammoniak (NH3)-Speicherniveau-Bestimmungsmodul und ein Kraftstoffsteuermodul gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung umfasst;
    • 3 ein Flussdiagramm ist, das beispielhafte Schritte eines Mager-Stickoxid (NOx)-Emissionssteuerverfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht; und
    • 4 ein Graph ist, der ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis)-Steuersignal, resultierende kumulative Einlassmassen von NH3 und NOx an einer Einheit zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und resultierende NH3-Niveaus in der SCR-Einheit veranschaulicht.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhaft. Zum besseren Verständnis werden in den Zeichnungen dieselben Bezugsziffern verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Wie hierin verwendet, ist die Phrase zumindest eines von A, B und C so auszulegen, dass damit eine Logik (A oder B oder C) gemeint ist, die ein nicht ausschließendes logisches „oder“ verwendet. Es sollte einzusehen sein, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in verschiedener Reihenfolge ausgeführt werden können.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (mehrfach genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder weitere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
  • Ein Emissionssteuersystem gemäß der vorliegenden Offenlegung kann ein Kraftstoffsteuermodul und einen Dreiwege-Katalysator (TWC) umfassen, der oberstromig von einer Einheit zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) angeordnet ist. Das Kraftstoffsteuermodul moduliert ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) in einem Motor auf der Basis eines NH3-Speicherniveaus. Stickoxide (NOx) reagieren mit den anderen Abgasemissionen an dem TWC, um Ammoniak (NH3) während eines fetten Betriebes zu ergeben. Die SCR-Einheit speichert NH3 aus dem Abgas. Das gespeicherte NH3 reagiert mit NOx im Abgas, um Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) während eines mageren Betriebes zu ergeben. Infolgedessen können NOx-Emissionen, die während eines mageren Betriebes in die Umgebung freigesetzt werden, reduziert werden.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist ein Fahrzeug 10 gezeigt, welches ein Emissionssteuersystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung umfasst. Kraftstoff wird von einer Kraftstoffpumpe 14 über eine Vielzahl von Kraftstoffinjektoren 16 an einen Motor 12 geliefert. Luft wird über ein Lufteinlasssystem 18 an den Motor 12 geliefert.
  • Ein Steuermodul 20 kommuniziert mit einem Gaspedalsensor 22. Der Gaspedalsensor 22 sendet ein Signal, welches repräsentativ für eine Pedalposition eines Gaspedals 24 ist, an das Steuermodul 20. Das Steuermodul 20 verwendet das Pedalpositionssignal beim Steuern des Betriebes der Kraftstoffpumpe 14 und der Kraftstoffinjektoren 16.
  • Durch den Verbrennungsprozess wird Abgas produziert und aus dem Motor 12 in einen Abgaskrümmer 26 ausgestoßen. Ein Abgassystem 28 empfängt das Abgas von dem Motor 12 über den Abgaskrümmer 26 und behandelt das hierdurch strömende Abgas, um Emissionen wie NOx, HC und CO zu reduzieren, bevor das Abgas in die Umgebung freigesetzt wird.
  • Das Abgassystem 28 umfasst einen Dreiwege-Katalysator (TWC) 30 und eine SCR-Einheit 32. Das Abgassystem 28 kann einen Partikelfilter (PF) 34, ein Dosiersystem 36 und ein Ventil 38 umfassen. Der PF 34 entfernt Partikel oder Ruß aus dem Abgas unterstromig der SCR-Einheit 32. Das Dosiersystem 36 enthält einen Reduktionsmittelzusatz wie z. B. Harnstoff. Das Steuermodul 20 steuert das Ventil 38 derart, dass es genaue Mengen des Reduktionsmittelzusatzes aus dem Dosiersystem 36 in den Abgasstrom freisetzt. Das gasförmige oder flüssige Reduktionsmittel wird dem Abgas zugesetzt und wird auf der SCR-Einheit 32 absorbiert.
  • Der TWC 30 und die SCR-Einheit 32 entfernen NOx und weitere Emissionen im Abgas über chemische Reaktionen. An dem TWC 30 reagiert Stickoxid (NOx) mit Kohlenstoffmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Kohlenwasserstoffen (HC) und Wasser (H2O) im Abgas, um Ammoniak (NH3) zu ergeben, wenn ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) im Motor 12 fett ist. Die SCR-Einheit 32 speichert produziertes NH3 in dem TWC 30. Das gespeicherte NH3 und ein SCR-Katalysator in der SCR-Einheit 32 reagieren mit NOx im Abgas, um Stickstoff (N2) und H2O zu ergeben, wenn das L/K-Verhältnis im Motor 12 mager ist.
  • Die SCR-Einheit 32 kann NOx im Abgas über eine chemische Reaktion zwischen den Abgasen, dem Reduktionsmittelzusatz (z. B. Harnstoff) und dem SCR-Katalysator entfernen. Wärme im Abgasstrom bewirkt, dass sich die wässrige Harnstofflösung in NH3 und Isocyansäure (HNCO) zersetzt. Diese Zersetzungsprodukte gelangen in die SCR-Einheit 32, wo sich HNCO weiter in NH3 in der Gasphase zersetzt und das NH3 in der Gasphase wird absorbiert. Das absorbierte NH3 reagiert mit NOx im Abgas, um H2O und N2 zu bilden.
  • Die SCR-Einheit 32 kann das in dem TWC 30 produzierte NH3 am effizientesten (d. h. nahezu 100 %) speichern, wenn sich die SCR-Einheit 32 in einem optimalen Temperaturbereich befindet. Der optimale Temperaturbereich kann von einer Anzahl von Faktoren abhängig sein, die eine/n SCR-Katalysator-Typ oder -beschichtung umfassen. Rein beispielhaft kann der optimale Temperaturbereich ungefähr zwischen 250°C und 350 °C liegen.
  • Das Lufteinlasssystem 18 kann einen Luftströmungsmesser 40 umfassen, der einen Luftmassendurchsatz detektiert. Das Abgassystem 28 umfasst einen Sauerstoff (O2)-Sensor 42, der eine O2-Konzentration im Abgas unterstromig des TWC 30 detektiert. Das Abgassystem 28 kann einen NOx-Sensor 44, einen NH3-Sensor 46 und einen Temperatursensor 48 umfassen. Der NOx-Sensor 44 detektiert eine NOx-Konzentration im Abgas an dem Abgaskrümmer 26. Der NH3-Sensor 46 detektiert eine NH3-Konzentration im Abgas unterstromig des TWC 30. Der Temperatursensor 48 kann eine Abgastemperatur zwischen der SCR-Einheit 32 und dem TWC 30 detektieren, wie in 1 abgebildet. Alternativ kann der Temperatursensor 48 eine Abgastemperatur in der SCR-Einheit 32 oder dem TWC 30 detektieren.
  • Das Steuermodul 20 steuert das L/K-Verhältnis im Motor 12 über die Kraftstoffpumpe 14 und die Kraftstoffinjektoren 16 auf der Basis des NH3-Speicherniveaus. Das Steuermodul 20 empfängt die O2-Konzentration von dem O2-Sensor 42. Das Steuermodul 20 kann den Luftmassendurchsatz von dem Luftströmungsmesser 40, die NOx-Konzentration von dem NOx-Sensor 44, die NH3-Konzentration von dem NH3-Sensor 46 und die Abgastemperatur von dem Temperatursensor 48 empfangen.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 umfasst das Steuermodul 20 ein NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200, ein Kraftstoffsteuermodul 202, ein Minimal-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 204, ein NOx-Massendurchsatz-Bestimmungsmodul 206, ein Ziel-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 208 und ein Luft/Kraftstoff (L/K)-Verhältnis-Bestimmungsmodul 210. Das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 bestimmt ein NH3-Speicherniveau im Abgassystem 28 auf der Basis eines vorhergehenden NH3-Speicherniveaus und einer Änderung ein NH3-Speicherniveaus. Das Kraftstoffsteuermodul 202 steuert das L/K-Verhältnis im Motor 12 über die Kraftstoffpumpe 14 und die Kraftstoffinjektoren 16 auf der Basis des durch das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 bestimmten NH3-Speicherniveaus.
  • Das Minimal-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 204 kann ein Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur von dem Temperatursensor 48 bestimmen. Alternativ kann das Minimal-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 204 die Abgastemperatur auf der Basis von Motorbetriebsbedingungen (z. B. Temperatur, Druck, O2-Gehalt) abschätzen und das Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis der abgeschätzten Abgastemperatur bestimmen. Das Minimal-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 204 stellt das Minimal-NH3-Speicherniveau an das Kraftstoffsteuermodul 202 bereit.
  • Das NOx-Massendurchsatz-Bestimmungsmodul 206 kann einen NOx-Massendurchsatz auf der Basis der NOx-Konzentration von dem NOx-Sensor 44, des Luftmassendurchsatzes von dem Luftströmungsmesser 40 und eines Kraftstoffmassendurchsatzes bestimmen. Der Kraftstoffmassendurchsatz kann auf der Basis eines Steuersignals von dem Kraftstoffsteuermodul 202 zu den Kraftstoffinjektoren 16 und/oder auf der Basis eines oberstromig von dem TWC 30 angeordneten L/K-Sensors bestimmt werden.
  • Alternativ kann das NOx-Massendurchsatz-Bestimmungsmodul 206 die NOx-Konzentration, den Luftmassendurchsatz und den Kraftstoffmassendurchsatz abschätzen und dann den NOx-Massendurchsatz auf der Basis der abgeschätzten NOx-Konzentration, des abgeschätzten Luftmassendurchsatzes und des abgeschätzten Kraftstoffmassendurchsatz bestimmen. Die NOx-Konzentration, der Luftmassendurchsatz und der Kraftstoffmassendurchsatz können auf der Basis der Motorbetriebsbedingungen abgeschätzt werden. Die Abschätzung der NOx-Konzentration auf der Basis der Motorbetriebsbedingungen ist in dem US-Patent US 6 775 623 B2 offenbart, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Das NOx-Massendurchsatz-Bestimmungsmodul 206 stellt den NOx-Massendurchsatz an das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 bereit.
  • Das Ziel-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 208 kann ein Ziel-NH3-Speicherniveau auf der Basis des Luftmassendurchsatzes von dem Luftströmungsmesser 40, des Kraftstoffmassendurchsatzes von dem Kraftstoffsteuermodul 202 und der Abgastemperatur von dem Temperatursensor 48 bestimmen. Alternativ kann das Ziel-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 208 den Luftmassendurchsatz, den Kraftstoffmassendurchsatz und die Abgastemperatur auf der Basis der Motorbetriebsbedingungen abschätzen und das Ziel-NH3-Speicherniveau darauf basierend bestimmen. Das Ziel-NH3-Speicherniveau kann derart berechnet werden, dass sein Wert über dem Minimal-NH3-Speicherniveau und unter dem NH3-Sättigungspunkt der SCR-Einheit 32 liegt. Rein beispielhaft kann das Ziel-NH3-Speicherniveau innerhalb eines Bereiches von 20 % bis 30 % unter dem NH3-Sättigungspunkt der SCR-Einheit 32 festgelegt sein. Das Ziel-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 208 stellt das Ziel-NH3-Speicherniveau an das Kraftstoffsteuermodul 202 bereit.
  • Das L/K-Verhältnis-Bestimmungsmodul 210 bestimmt ein L/K-Verhältnis nach dem TWC (d. h. das L/K-Verhältnis des Abgases unterstromig des TWC 30) auf der Basis der O2-Konzentration von dem O2-Sensor 42. Hohe Niveaus der O2-Konzentration zeigen ein mageres L/K-Verhältnis an, während niedrige Niveaus der O2-Konzentration ein fettes L/K-Verhältnis anzeigen. Das L/K-Verhältnis-Bestimmungsmodul 210 stellt das L/K-Verhältnis nach dem TWC an das Kraftstoffsteuermodul 202 bereit.
  • Das Kraftstoffsteuermodul 202 bestimmt, ob das NH3-Speicherniveau größer ist als das Minimal-NH3-Speicherniveau. Wenn das NH3-Speicherniveau größer ist als das Minimal-NH3-Speicherniveau, setzt das Kraftstoffsteuermodul 202 das L/K-Verhältnis im Motor 12 auf mager und das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 bestimmt eine Abnahme des NH3-Speicherniveaus auf der Basis des NOx-Massendurchsatzes von dem NOx-Massendurchsatz-Bestimmungsmodul 206. Im Spezielleren kann das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 die Abnahme des NH3-Speicherniveaus auf der Basis einer angenommenen Beziehung von 0,5 Gramm verbrauchtes NH3 für jedes detektierte Gramm NOx berechnen, die auf der Basis der Abgastemperatur von dem Temperatursensor 48 und dem SCR-Katalysatortyp modifiziert werden kann.
  • Wenn das NH3-Speicherniveau kleiner ist als das Minimal-NH3-Speicherniveau, setzt das Kraftstoffsteuermodul 202 das L/K-Verhältnis im Motor 12 auf fett und das L/K-Verhältnis-Bestimmungsmodul 210 bestimmt, ob das L/K-Verhältnis nach dem TWC fett ist. Wenn das L/K-Verhältnis nach dem TWC nicht fett ist, setzt das Kraftstoffsteuermodul 202 die Überwachung des NH3-Speicherniveaus fort, um zu bestimmen, ob das L/K-Verhältnis auf mager gesetzt werden kann. Wenn das L/K-Verhältnis nach dem TWC fett ist, bestimmt das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 einen Anstieg des NH3-Speicherniveaus auf der Basis des NOx-Massendurchsatzes von dem NOx-Massendurchsatz-Bestimmungsmodul 206 und das Kraftstoffsteuermodul 202 bestimmt, ob das NH3-Speicherniveau das Ziel-Speicherniveau übersteigt. Das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 kann auch der Anstieg des NH3-Speicherniveaus auf der Basis des L/K-Verhältnisses und der Abgastemperatur von dem Temperatursensor 48 bestimmen.
  • Das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 kann den Anstieg des NH3-Speicherniveaus auf der Basis des NOx-Massendurchsatzes von dem NOx-Massendurchsatz-Bestimmungsmodul 206 bestimmen. Im Spezielleren kann das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 den Anstieg des NH3-Speicherniveaus auf der Basis einer Beziehung von 0,5 Gramm produziertes NH3 für jedes detektierte Gramm NOx berechnen, die auf der Basis der Abgastemperatur von dem Temperatursensor 48 modifiziert werden kann. Alternativ kann das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 den Anstieg des NH3-Speicherniveaus auf der Basis der NH3-Konzentration von dem NH3-Sensor 46, des Luftmassendurchsatzes von dem Luftströmungsmesser 40 und des Kraftstoffmassendurchsatzes von dem Kraftstoffsteuermodul 202 bestimmen.
  • Wenn das NH3-Speicherniveau das Ziel-Speicherniveau nicht übersteigt, setzt das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul 200 damit fort, den Anstieg des NH3-Speicherniveaus auf der Basis des NOx-Massendurch-satzes zu bestimmen. Wenn das NH3-Speicherniveau das Ziel-Speicherniveau übersteigt, bestimmt das Kraftstoffsteuermodul 202 erneut, ob das L/K-Verhältnis auf mager gesetzt werden kann. Wenn das L/K-Verhältnis auf mager gesetzt werden kann, setzt das Kraftstoffsteuermodul 202 das L/K-Verhältnis im Motor 12 auf mager und überwacht das NH3-Speicherniveau. Wenn das L/K-Verhältnis nicht auf mager gesetzt werden kann, setzt das Kraftstoffsteuermodul 202 das L/K-Verhältnis im Motor 12 auf stöchiometrisch und setzt die Überwachung der mageren Verbrennungsbedingungen fort, um zu bestimmen, ob das L/K-Verhältnis auf mager gesetzt werden kann.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 veranschaulicht ein Flussdiagramm beispielhafte Schritte eines Mager-NOx-Emissionssteuerverfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung. In Schritt 300 setzt die Steuerung das NH3-Speicherniveau auf null. In Schritt 302 bestimmt die Steuerung, ob magere Verbrennungsbedingungen erfüllt sind. Magere Verbrennungsbedingungen können erfüllt sein, wenn vorbestimmte Serviceanzeigen nicht festgelegt sind und wenn Kühlmitteltemperaturen, Katalysatortemperaturen, eine Motorbetriebsart und eine Motorlaufdauer vorbestimmte Kriterien erfüllen.
  • Wenn magere Verbrennungsbedingungen nicht erfüllt sind, setzt die Steuerung das L/K-Verhältnis auf stöchiometrisch und setzt damit fort, zu bestimmen, ob magere Verbrennungsbedingungen erfüllt sind. Wenn magere Verbrennungsbedingungen erfüllt sind, bestimmt die Steuerung ein Minimal-NH3-Speicherniveau und bestimmt in den Schritten 306 bzw. 308, ob das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt. Die Steuerung kann das Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis einer gemessenen Abgastemperatur bestimmen. Alternativ kann die Steuerung die Abgastemperatur auf der Basis der Motorbetriebsbedingungen abschätzen und das Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis der abgeschätzten Abgastemperatur bestimmen.
  • Wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt, setzt die Steuerung das L/K-Verhältnis in Schritt 310 auf mager, bestimmt in Schritt 312 einen NOx-Massendurchsatz und bestimmt in Schritt 314 eine Abnahme des NH3-Speicherniveaus. Die Steuerung bestimmt den NOx-Massendurchsatz auf der Basis eines Luftmassendurchsatzes, eines Kraftstoffmassendurchsatzes und einer NOx-Konzentration, die gemessen oder abgeschätzt werden können. Die Steuerung kann die Abnahme des NH3-Speicherniveaus auf der Basis des NOx-Massendurchsatzes, der Abgastemperatur und des SCR-Katalysatortyps bestimmen. Wenn die Abnahme des NH3-Speicherniveaus bestimmt ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 302 zurück.
  • Wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, setzt die Steuerung das L/K-Verhältnis in Schritt 316 auf fett und bestimmt in Schritt 318, ob das L/K-Verhältnis nach dem TWC fett ist. Wenn das L/K-Verhältnis nach dem TWC nicht fett ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 306 zurück. Wenn das L/K-Verhältnis nach dem TWC fett ist, bestimmt die Steuerung in Schritt 320 den NOx-Massendurchsatz, bestimmt in Schritt 322 einen Anstieg des NH3-Speicherniveaus und bestimmt in Schritt 324 das Ziel-NH3-Speicherniveau. Die Steuerung kann den Anstieg des NH3-Speicherniveaus auf der Basis des NOx-Massendurchsatzes, des L/K-Verhältnisses und der Abgastemperatur bestimmen. Alternativ kann die Steuerung den Anstieg des NH3-Speicherniveaus auf der Basis der NH3-Konzentration, des Luftmassendurchsatzes und des Kraftstoffmassendurchsatzes bestimmen. Die Steuerung kann das Ziel-NH3-Speicherniveau derart berechnen, dass sein Wert über dem Minimal-NH3-Speicherniveau und unter dem NH3-Sättigungspunkt der SCR-Einheit 32 liegt. Rein beispielhaft kann die Steuerung das Ziel-NH3-Speicherniveau innerhalb eines Bereiches von 20 % bis 30 % unter dem NH3-Sättigungspunkt der SCR-Einheit 32 festlegen.
  • In Schritt 326 bestimmt die Steuerung, ob das NH3-Speicherniveau das Ziel-NH3-Speicherniveau übersteigt. Wenn das NH3-Speicherniveau das Ziel-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, kehrt die Steuerung zu Schritt 318 zurück und setzt die Überwachung des NH3-Speicherniveaus fort. Wenn das NH3-Speicherniveau das Ziel-NH3-Speicherniveau übersteigt, kehrt die Steuerung zu Schritt 302 zurück.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 veranschaulicht ein Graph ein L/K-Verhältnis-Steuersignal, resultierende kumulative Einlassmassen von NH3 und NOx an der SCR-Einheit und resultierende NH3-Niveaus in der SCR-Einheit. Das L/K-Verhältnis-Steuersignal moduliert zwischen einem mageren und fetten Betrieb. Allerdings wird das L/K-Verhältnis-Steuersignal normalerweise zu einem mageren Betrieb moduliert, um die Kraftstoffökonomie zu verbessern.
  • Wie oben erläutert, reagiert der TWC-Katalysator mit NOx und weiteren Abgasemissionen während eines fetten Betriebes, um NH3 zu ergeben, das in der SCR-Einheit gespeichert wird, und das gespeicherte NH3 reagiert anschließend mit NOx im Abgas, um N2 und H2O während eines mageren Betriebes zu ergeben. Somit nimmt die kumulative Einlassmasse von NH3 an der SCR-Einheit während eines fetten Betriebes zu und die kumulative Einlassmasse von NOx an der SCR-Einheit nimmt während eines mageren Betriebs zu. Außerdem steigen die NH3-Niveaus in der SCR-Einheit während eines fetten Betriebes an und nehmen während eines mageren Betriebes ab.
  • Das L/K-Verhältnis kann zwischen mager und fett derart moduliert werden, dass die Mager-NOx (d. h. die während eines mageren Betriebes produzierten NOx) mit den Fett-NOx (d. h. den während eines fetten Betriebes produzierten NOx) im Gleichgewicht sind und die Masse des während eines mageren Betriebes verbrauchten NH3 mit der Masse des während eines fetten Betriebes produzierten NH3 im Gleichgewicht ist. Das abgebildete L/K-Verhältnis-Steuersignal ist vorgespannt, um zu einem geringen Überschuss von NH3-Emissionen zu führen und eine robuste NOx-Reduktion sicherzustellen. Das Modulieren des L/K-Verhältnisses für das Gleichgewicht zwischen NOx und NH3 führt zu einer effektiven NOx-Reduktion ohne übermäßige/n Emissionen oder Kraftstoffverbrauch. Darüber hinaus kann das ins Gleichgewicht Bringen von NOx und NH3 die Eliminierung einer LNT und eines Dosiersystems ermöglichen oder die Menge an Dosiermittel reduzieren, die für eine entsprechende NOx-Reduktion eingespritzt werden muss. Das Modulieren des L/K-Verhältnisses zu fett über längere Zeitspannen kann die Kraftstoffökonomie verschlechtern und die NH3-Niveaus über die NH3-Speicherkapazität der SCR-Einheit hinaus erhöhen, was übermäßige HC- und CO-Emissionen zur Folge hat. Das Modulieren des L/K-Verhältnisses zu mager über längere Zeitspannen kann das NH3-Speicherniveau erschöpfen, was übermäßige NOx-Emissionen zur Folge hat.
  • Bezugszeichenliste
    • 300
    Setze NH3-Speicherniveau auf null
    302
    Sind magere Verbrennungsbedingungen erfüllt?
    304
    Setze Motor-L/K-Verhältnis auf stöchiometrisch
    306
    Bestimme Minimal-NH3-Speicherniveau
    308
    NH3-Speicherniveau > Minimal-NH3-Speicherniveau
    310
    Setze Motor-L/K-Verhältnis auf mager
    312
    Bestimme NOx-Massendurchsatz
    314
    Bestimme Abnahme des NH3-Speicherniveaus
    316
    Setze Motor-L/K-Verhältnis auf fett
    318
    Ist L/K-Verhältnis nach TWC fett?
    320
    Bestimme NOx-Massendurchsatz
    322
    Bestimme Anstieg des NH3-Speicherniveaus
    324
    Bestimme Ziel-NH3-Speicherniveau
    326
    NH3-Speicherniveau > Ziel-NH3-Speicherniveau

Claims (10)

  1. Steuersystem (20), welches umfasst: ein NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (200), das ein NH3-Speicherniveau in einem Abgassystem (28) bestimmt; ein Kraftstoffsteuermodul (202), das ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) in einem Motor (12) auf der Basis des NH3-Speicherniveaus steuert; ein Minimal-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (204), das ein Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis einer Abgastemperatur bestimmt; und ein Ziel-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (208), das ein Ziel-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur bestimmt, wobei das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis auf mager stellt, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt, und erst dann wieder auf fett stellt, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, wobei das Minimal-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (204) das Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur bestimmt, nachdem das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (200) festgestellt hat, dass das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt, und das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis daraufhin auf mager gestellt hat, wobei das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis auf fett stellt, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, und erst dann wieder auf mager stellt, wenn das NH3-Speicherniveau das Ziel-NH3-Speicherniveau übersteigt, und wobei ein Ziel-NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (208) das Ziel-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur nur dann bestimmt, nachdem das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (200) festgestellt hat, dass das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, und das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis daraufhin auf fett gestellt hat und bevor das Kraftstoffsteuermodul (202) das L/K-Verhältnis erneut auf mager stellt.
  2. Steuersystem (20) nach Anspruch 1, welches ferner ein NOx-Massendurchsatz-Bestimmungsmodul (206) umfasst, welches einen NOx-Massendurchsatz auf der Basis einer NOx-Konzentration bestimmt.
  3. Steuersystem (20) nach Anspruch 2, wobei das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (200) eine Änderung des NH3-Speicherniveaus auf der Basis des NOx-Massendurchsatzes bestimmt.
  4. Steuersystem (20) nach Anspruch 3, wobei das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (200) die Änderung des NH3-Speicherniveaus ferner auf der Basis einer Abgastemperatur und/oder eines Katalysatortyps und/oder des L/K-Verhältnisses bestimmt.
  5. Steuersystem (20) nach Anspruch 3, wobei das NH3-Speicherniveau-Bestimmungsmodul (200) das NH3-Speicherniveau auf der Basis eines vorhergehenden NH3-Speicherniveaus und der Änderung des NH3-Speicherniveaus bestimmt.
  6. Verfahren, welches umfasst, dass: ein NH3-Speicherniveau in einem Abgassystem (28) bestimmt wird; ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) in einem Motor (12) auf der Basis des NH3-Speicherniveaus gesteuert wird; ein Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis einer Abgastemperatur bestimmt wird; ein Ziel-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur bestimmt wird; das L/K-Verhältnis auf mager gestellt wird, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt, und erst dann wieder auf fett gestellt wird, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt; das Minimal-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur bestimmt wird, nachdem festgestellt wurde, dass das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau übersteigt, und das L/K-Verhältnis daraufhin auf mager gestellt wurde; das L/K-Verhältnis auf fett gestellt wird, wenn das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, und erst dann wieder auf mager gestellt wird, wenn das NH3-Speicherniveau das Ziel-NH3-Speicherniveau übersteigt; und das Ziel-NH3-Speicherniveau auf der Basis der Abgastemperatur nur dann bestimmt wird, nachdem festgestellt wurde, dass das NH3-Speicherniveau das Minimal-NH3-Speicherniveau nicht übersteigt, und das L/K-Verhältnis daraufhin auf fett gestellt wurde und bevor das L/K-Verhältnis erneut auf mager gestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, welches ferner umfasst, dass ein NOx-Massendurchsatz auf der Basis einer NOx-Konzentration bestimmt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, welches ferner umfasst, dass eine Änderung des NH3-Speicherniveaus auf der Basis des NOx-Massendurchsatzes bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner umfasst, dass die Änderung des NH3-Speicherniveaus ferner auf der Basis einer Abgastemperatur und/oder eines Katalysatortyps und/oder des L/K-Verhältnisses bestimmt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner umfasst, dass das NH3-Speicherniveau auf der Basis eines vorhergehenden NH3-Speicherniveaus und der Änderung des NH3-Speicherniveaus bestimmt wird.
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