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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Offenbarung betrifft den Betrieb und die Steuerung von Verbrennungsmotoren
und Abgasnachbehandlungssystemen und insbesondere überstöchiometrisch
arbeitende Motoren und zugeordnete Abgasnachbehandlungssysteme.
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HINTERGRUND
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Die
Angaben in diesem Abschnitt liefern nur Hintergrundinformation bezogen
auf die vorliegende Offenbarung und stellen möglicherweise keinen Stand der
Technik dar.
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Ein
Motor, der für
eine Verbrennung mit Funkenzündung
ausgebildet ist, kann angepasst werden, um unter vorbestimmten Drehzahl/Last-Betriebsbedingungen
in einem Verbrennungsmodus mit geschichteter Ladung zu arbeiten.
Es ist bekannt, dass ein überstöchiometrischer
Betrieb unter Verwendung einer geschichteten Verbrennungsladung
die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessern kann, jedoch die Abgasemissionen,
einschließlich
von Stickstoffoxiden (nachstehend NOx), erhöhen kann. Es ist bekannt, eine
Ammoniakeinrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion zu verwenden,
um das NOx unter der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, z. B. Harnstoff,
zu reduzieren. Es ist bekannt, dass ein Nachfüllen eines Harnstoffbehälters einen
Betreiber belasten kann.
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Bekannte
Nachbehandlungssysteme für
Verbrennungsmotoren, die überstöchiometrisch
arbeiten, können
einen katalytischen Dreiwegewandler (TWC) umfassen, gefolgt von
anderen Abgas-Nachbehandlungseinrichtungen, die einen Mager-NOx-Reduktionskatalysator,
der auch als ein Mager-NOx-Adsorber bezeichnet wird (nachstehend LNT-Einrichtung),
und eine Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (nachstehend
SCR-Einrichtung) umfassen. Bekannte TWCs arbeiten derart, dass sie
während
eines stöchiometrischen
Motorbetriebs Emissionen von Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid
(CO) und NOx und während
eines mageren Betriebs HC- und CO-Emissionen aus dem Motor reduzieren.
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Bekannte
SCR-Einrichtungen umfassen ein Katalysatormaterial bzw. Katalysatormaterialien,
das bzw. die die Reaktion von NOx mit einem Reduktionsmittel fördert bzw.
fördern,
wie beispielsweise Ammoniak oder Harnstoff, um Stickstoff und Wasser zu
erzeugen. Die Reduktionsmittel können
stromaufwärts
der SCR-Einrichtung in einen Abgaszustrom eingespritzt werden, was
Einspritzsysteme, Behälter und
Steuerschemata erfordert. Die Behälter können ein periodisches Nachfüllen erfordern,
und sie können
in kalten Klimazonen einfrieren, was zusätzliche Heizeinrichtungen und
eine Isolation erforderlich macht.
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Bekannte
Katalysatormaterialien, die in SCR-Einrichtungen verwendet wurden,
umfassten Vanadium (V) und Wolfram (W) auf Titan (Ti). Mobile Anwendungen
umfassen unedle Metalle einschließlich Eisen (Fe) oder Kupfer
(Cu) mit einem Zeolithwashcoat als Katalysatormaterialien. Materialprobleme
mit Katalysatormaterialien umfassen die Temperaturbetriebsbereiche,
die thermische Haltbarkeit und die Effizienz der Reduktionsmittelspeicherung.
Für mobile
Anwendungen weisen SCR-Einrichtungen im Allgemeinen einen bevorzugten
Betriebstemperaturbereich von 200°C
bis 600°C
auf, und dieser kann in Abhängigkeit
von dem gewählten
Katalysa tormaterial bzw. den gewählten
Katalysatormaterialien schwanken. Der bevorzugte Betriebstemperaturbereich
kann während
eines Betriebs mit hoher Last oder nach diesem kleiner werden. Temperaturen
größer als
600°C können bewirken,
dass Reduktionsmittel durchbrechen und die SCR-Katalysatoren abbauen,
und die Effektivität
der NOx-Reduktion kann bei niedrigeren Temperaturen als 200°C abnehmen.
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Bekannte
LNT-Einrichtungen absorbieren NOx-Emissionen während eines mageren Motorbetriebs
und arbeiten am effektivsten in einem Temperaturbereich von 250°C bis 450°C, wobei
die Effektivität
oberhalb und unterhalb dieses Temperaturbereichs abnimmt. Die LNT-Einrichtung
oxidiert die adsorbierten NOx-Emissionen nur oberhalb einer Anspringtemperatur.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Mehrzylinder-Verbrennungsmotor ist für einen Betrieb mit Funkenzündung und
Kraftstoff-Direkteinspritzung ausgebildet. Ein Abgasauslass des Motors
liefert einen Abgaszustrom fluidisch an ein Abgas-Nachbehandlungssystem,
das eine erste Nachbehandlungseinrichtung aufweist, die stromaufwärts einer
zweiten Nachbehandlungseinrichtung fluidisch verbunden ist. Die
erste Nachbehandlungseinrichtung umfasst eine katalytische Oxidationseinrichtung,
die mit dem Abgasauslass eng gekoppelt ist. Die zweite Nachbehandlungseinrichtung
umfasst eine Einrichtung zur selektiven Katalysatorreduktion, die
eine Kapazität
aufweist, um ein Ammoniak-Reduktionsmittel zu speichern. Ein Verfahren
zum Betreiben des Motors umfasst, dass ein Start- und Laufereignis
für den
Motor detektiert wird. Der Motorbetrieb umfasst anfänglich,
dass die Motor-Kraftstoffzufuhr gesteuert wird, um ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis stromaufwärts der
ersten Nachbehandlungseinrichtung zu erreichen, und dass ein Funkenzündungszeitpunkt
um einen vorbestimmten Betrag nach spät verstellt wird. Der Motorbetrieb umfasst
anschließend,
dass die Motor-Kraftstoffzufuhr gesteuert wird, um ein mageres Luft/Kraftstoffverhältnis stromaufwärts der
ersten Nachbehandlungseinrichtung zu erreichen, und dass der Funkenzündungszeitpunkt
um einen vorbestimmten Betrag nach spät verstellt wird. Der Motorbetrieb
umfasst anschließend,
dass der Motor in einem ersten Verbrennungsmodus betrieben wird,
um ein Ammoniak-Reduktionsmittel in dem Abgaszustrom stromaufwärts der
zweiten Nachbehandlungseinrichtung zu erzeugen, und dass das Ammoniak-Reduktionsmittel
in der zweiten Nachbehandlungseinrichtung gespeichert wird. Der
Motorbetrieb umfasst anschließend, dass
der Motor bei einem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben
wird und dass der Funkenzündungszeitpunkt
auf einen bevorzugten Zeitpunkt gesteuert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
oder mehrere Ausführungsformen
werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, von denen:
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1 eine
schematische Zeichnung eines Motorsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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2, 3,
und 4 schematische Blockdiagramme von Abgasnachbehandlungssystemen
gemäß der vorliegenden
Offenbarung sind; und
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5 eine
Datengraphik gemäß der vorliegenden
Offenbarung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nun
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei das Gezeigte nur zu dem
Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen,
und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, stellen 1, 2, 3 und 4 einen Verbrennungsmotor 10,
ein Abgas-Nachbehandlungssystem 45, 45' und ein begleitendes,
in einem Steuermodul 5 ausgeführtes Steuersystem schematisch
dar, die gemäß einer
Ausführungsform
der Offenbarung konstruiert wurden. Gleiche Ziffern beziehen sich
auf gleiche Elemente in den Figuren.
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l zeigt den Motor 10, der einen
Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung umfasst,
der Hubkolben 14 aufweist, die in Zylindern 15 verschiebbar
sind, die Verbrennungskammern 16 mit variablem Volumen
definieren. Jeder Kolben 14 ist mit einer rotierenden Kurbelwelle 12 verbunden,
durch welche der Hubkolbenverlauf in eine Drehbewegung übersetzt
wird. Ein einzelner der Zylinder 15 ist gezeigt. Der beispielhafte
Motor 10 kann bei einem mageren Luft/Kraftstoffverhältnis arbeiten
und eine Steuerung einer geschichteten Kraftstoffladung verwenden,
was einen Betrieb bei hohem Kompressionsverhältnis umfasst, wobei eine Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 28 darauf
ausgerichtet ist, Kraftstoff in einen Unterkammerbereich der Verbrennungskammer 16 einzuspritzen,
der an der Oberseite des Kolbens 14 gebildet ist, was eine
fette Ladung in der Nähe
der Zündkerze 26 liefert,
welche leicht zündet
sowie schnell und glatt brennt. Während jedes Verbrennungszyklus
bewegt sich eine Flammenfront von einem fetten Gebiet in ein mageres
Gebiet, um sich für
eine verbesserte Verbrennung und eine Reduktion der NOx-Bildung auszudehnen.
Der beispielhafte Motor 10 kann unter vorbestimmten Bedingungen
bei Stöchiometrie
oder unterstöchiometrisch arbeiten.
Alternativ kann der Motor 10 ausgebildet sein, um in einem
Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung zu arbeiten.
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Ein
Lufteinlasssystem leitet Einlassluft zu einem Einlasskrümmer 29,
der die Luft in einen Einlassdurchgang zu jeder Verbrennungskammer 16 lenkt
und verteilt. Das Lufteinlasssystem umfasst ein Luftströmungs-Kanalsystem und Einrichtungen,
um die Einlassluftströmung
des Motors zu überwachen und
zu steuern. Die Einrichtungen umfassen vorzugsweise einen Luftmassenströmungssensor 32, um
die Luftmassenströmung
und die Einlasslufttemperatur zu überwachen. Ein Drosselventil 34,
das vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Einrichtung umfasst,
steuert die Luftströmung
zu dem Motor 10 in Ansprechen auf ein Steuersignal (ETC)
von dem Steuermodul 5. Ein Krümmerdrucksensor 36 überwacht
den Krümmerabsolutdruck
und den barometrischen Druck in dem Einlasskrümmer 29. Ein äußerer Strömungsdurchgang 37 mit
einem Strömungssteuerventil 38 (einem
Abgasrückführungs- oder
AGR-Ventil) kann restliche Abgase aus einem Auslasskrümmer 39 zu
dem Einlasskrümmer 29 zurückzuführen. Das
Steuermodul 5 steuert vorzugsweise eine Massenströmung von
zurückgeführtem Abgas
zu dem Einlasskrümmer 29,
indem das Ausmaß des Öffnens des
AGR-Ventils 38 gesteuert wird.
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Die
Luftströmung
aus dem Einlasskrümmer 29 in
die Verbrennungskammer 16 wird durch ein oder mehrere Einlassventil(e) 20 gesteuert.
Die Abgasströmung
aus der Verbrennungskammer 16 zu einem Auslasskrümmer 39 wird
durch ein oder mehrere Auslassventil(e) 18 gesteuert. Das Öffnen und Schließen der
Einlass- und Auslassventile 20 und 18 wird vorzugsweise
mit einer doppelten Nockenwelle gesteuert (wie dargestellt), deren
Drehungen mit der Drehung der Kurbelwelle 12 verknüpft und
indiziert sind. Eine VCP/VLC-Einrichtung 22 umfasst vorzugsweise
einen steuerbaren Mechanismus, der dazu dient, in Ansprechen auf
ein Steuer signal (EINLASS) von dem Steuermodul 5 an dem
bzw. den Einlassventilen) 20 jedes Zylinders 15 einen
Ventilhub variabel zu steuern (VLC) und eine Nockenphaseneinstellung
variabel zu steuern (VCP). Eine VCP/VLC-Einrichtung 24 umfasst vorzugsweise
einen steuerbaren Mechanismus, der dazu dient, in Ansprechen auf
ein Steuersignal (AUSLASS) von dem Steuermodul 5 an dem
bzw. den Auslassventil(en) 18 jedes Zylinders 15 den
Ventilhub variabel zu steuern (VLC) und die Phaseneinstellung variabel
zu steuern (VCP). Die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 umfassen
vorzugsweise jeweils einen steuerbaren zweistufigen Ventilhubmechanismus,
der dazu dient, das Ausmaß des
Ventilhubs oder des Öffnens
des Einlass- und des Auslassventils bzw. der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 auf
eine von zwei diskreten Stufen zu steuern. Die zwei diskreten Stufen
umfassen vorzugsweise eine Öffnungsposition
mit niedrigem Ventilhub (ungefähr
4–6 mm)
für einen
Betrieb mit niedriger Drehzahl und niedriger Last und eine Öffnungsposition
mit hohem Ventilhub (ungefähr
8–10 mm)
für einen
Betrieb mit hoher Drehzahl und hoher Last. Die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 umfassen
vorzugsweise Mechanismen für
eine variable Nockenphaseneinstellung, um eine Phaseneinstellung
(d. h. den relativen Zeitpunkt) des Öffnens und Schließens des
Einlassventils/der Einlassventile 20 bzw. des Auslassventils/der
Auslassventile 18 zu steuern. Die Phaseneinstellung bezieht
sich darauf, dass die Öffnungszeiten
des Einlass- und des Auslassventils bzw. der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 relativ
zu den Positionen der Kurbelwelle 12 und des Kolbens 14 in
dem entsprechenden Zylinder 15 verschoben werden. Die variablen
Nocken-Phaseneinstellungssysteme der VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 weisen
vorzugsweise einen Autoritätsbereich
für die
Phaseneinstellung von ungefähr
60°–90° der Kurbeldrehung
auf, wodurch ermöglicht
wird, dass das Steuermodul 5 das Öffnen und Schließen des
Einlass- oder des Auslassventils bzw. der Einlass- oder der Auslassventile 20 oder 18 relativ
zu der Position der Kolben 14 für jeden Zylinder 15 nach
früh oder
nach spät
verstellt. Der Autoritätsbereich
für die
Phaseneinstellung wird durch die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 definiert
und begrenzt. Die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 umfassen
Nockenwellen-Positionssensoren (nicht gezeigt), um die Drehpositionen
der Einlass- und der Auslassnockenwelle (nicht gezeigt) zu ermitteln.
Die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 werden unter Verwendung
einer elektrohydraulischen, hydraulischen oder elektrischen Steuerkraft
betätigt,
die durch das Steuermodul 5 gesteuert wird.
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Ein
Kraftstoff-Einspritzsystem umfasst mehrere einzeln gesteuerte Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen 28,
die jeweils ausgebildet sind, um eine Kraftstoffmasse in Ansprechen
auf ein Steuersignal (INJ_PW) von dem Steuermodul 5 in
die Verbrennungskammer 16 direkt einzuspritzen. Wie hierin
verwendet, bezieht sich eine Kraftstoffzufuhr auf ein Einspritzen
einer Kraftstoffströmung
in eine der Verbrennungskammern 16. Die Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen 28 werden
von einem Kraftstoffverteilsystem (nicht gezeigt) mit unter Druck
stehendem Kraftstoff versorgt. Der Motor 10 weist ein Funkenzündungssystem
auf, durch das Funkenenergie an die Zündkerze 26 geliefert
wird, um Zylinderladungen in jeder Verbrennungskammer 16 in
Ansprechen auf ein Steuersignal (IGN) von dem Steuermodul 5 zu zünden oder
bei dem Zünden
zu unterstützen.
Das Steuersignal steuert den Zündfunkenzeitpunkt
relativ zu der Position des Kolbens 14 in der Verbrennungskammer 30 und
die Zündfunkenverweilzeit.
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Der
Motor 10 ist mit anderen Detektionseinrichtungen zum Überwachen
des Motorbetriebs ausgestattet, von denen jede mit dem Steuermodul 5 signaltechnisch
verbunden ist. Die Detektionseinrichtungen umfassen einen Kurbelsensor 42,
der dazu dient, die Drehposition der Kurbelwelle zu überwachen,
d. h. den Kurbelwinkel und die Drehzahl, und den Sensor bzw. die
Senoren 40 zum Überwachen des
Abgaszustroms. Bei einer Ausführungsform kann
ein Verbrennungssensor 30 die Verbrennung in dem Zylinder
während
des laufenden Betriebs des Motors 10 in Echtzeit überwachen.
Das Abgas-Nachbehandlungssystem 45 ist mit einer oder mehreren Detektionseinrichtung(en)
ausgestattet, um den Abgaszustrom stromabwärts einer oder mehrerer Nachbehandlungseinrichtungen
zu überwachen.
Signalausgaben der Detektionseinrichtung(en) werden durch das Steuermodul 5 überwacht,
um den Betrieb zu steuern und zu diagnostizieren.
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Das
Steuersystem wird in dem Steuermodul 5 als ein Satz von
Steueralgorithmen ausgeführt,
um den Betrieb des Motors 10 zu steuern. Das Steuermodul 5 umfasst
vorzugsweise ein Allzweck-Digitalcomputer, der einen Mikroprozessor
oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, Speichermedien, die einen
nicht flüchtigen
Speicher einschließlich
eines Festwertspeichers und eines elektrisch programmierbaren Festwertspeichers
umfassen, einen Arbeitsspeicher, einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Schaltungen
zur Analog-Digital-Umsetzung und Schaltungen zur Digital-Analog-Umsetzung
und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen sowie geeignete
Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen umfasst. Das Steuermodul 5 führt die Steueralgorithmen
aus, um den Betrieb des Motors 10 zu steuern. Die Steueralgorithmen
umfassen residente Programmanweisungen und Kalibrierungen, die in
dem nicht flüchtigen
Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die jeweiligen
Funktionen jedes Computers zu schaffen. Die Algorithmen werden während voreingestellter
Schleifenzyklen ausgeführt,
so dass jeder Algorithmus mindestens einmal in jedem Schleifenzyklus
ausgeführt
wird. Die Algorithmen werden von der zentralen Verarbeitungseinheit
ausgeführt,
um Eingaben von den zuvor erwähnten
Detektionseinrichtungen zu überwachen sowie
Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Be trieb der Aktuatoren
unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Die Schleifenzyklen
werden während
des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen
ausgeführt,
beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden.
Alternativ können
die Algorithmen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses
ausgeführt
werden. Der Motor 10 wird gesteuert, um bei einem bevorzugten
Luft-Kraftstoffverhältnis zu
arbeiten, um Leistungsparameter bezüglich der Betreiberanforderungen,
des Kraftstoffverbrauchs, der Emissionen und der Fahrbarkeit zu
erreichen, wobei die Einlassluftströmung gesteuert wird, um das
bevorzugte Luft-Kraftstoffverhältnis
zu erreichen.
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2, 3 und 4 zeigen
schematisch Ausführungsformen
des Einlasskrümmers 39 und 39' und des Abgas-Nachbehandlungssystems 45, 45', das mit diesem
gekoppelt ist, um den Abgaszustrom zu regulieren und zu behandeln. 2 zeigt
eine Ausführungsform
mit dem Auslasskrümmer 39,
der eine Abgasströmung
aus allen Motorzylindern zu dem Abgas-Nachbehandlungssystem 45 mitführt, das
einen Sensor 40 zum Überwachen
des Abgaszustroms aufweist, der bei einer Ausführungsform einen Sensor für das Luft/Kraftstoffverhältnis mit
weitem Messbereich umfasst. 3 zeigt
eine Ausführungsform
mit dem Auslasskrümmer 39,
der die Abgasströmung
aus allen Motorenzylindern zu dem Abgas-Nachbehandlungssystem 45' mitführt. 4 zeigt
eine Ausführungsform
mit einem Auslasskrümmer 39', der mechanisch
in einen ersten und einen zweiten Abschnitt 41 und 41' separiert ist,
wobei der erste Abschnitt 41 die Abgasströmung aus
einem ersten Satz von Motorzylindern mitführt und wobei der zweite Abschnitt 41' die Abgasströmung aus
einem zweiten Satz von Motorzylindern mitführt. Der erste und der zweite
Abschnitt 41 und 41' umfassen Sensoren 40 und 40' zum Überwachen
des Abgaszustroms, um den Abgaszustrom aus dem ersten oder dem zweiten
Abschnitt 41 oder 41' zu dem Abgas-Nachbehandlungssystem 45 zu überwachen, was ermöglicht,
geteilte Steuerschemata für
das Luft/Kraftstoffverhältnis
zu verwenden, die dem ersten und dem zweiten Satz der Motorzylinder
zugeordnet sind. Das geteilte Steuerschema für das Luft/Kraftstoffverhältnis kann
verwendet werden, um die Kraftstoffzufuhr zu dem ersten und dem
zweiten Satz von Motorzylindern selektiv zu steuern, um unterschiedliche
vorbestimmte Luft/Kraftstoffverhältnisse
zu erreichen, die zu einem bevorzugten Gesamt-Luft/Kraftstoffverhältnis kombiniert
werden können,
das der Nachbehandlungseinrichtung 50 zugeführt wird.
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2 und 4 zeigen
beide eine erste Ausführungsform
des Abgas-Nachbehandlungssystems 45, das mehrere Nachbehandlungseinrichtungen
umfasst, die fluidisch in Reihe verbunden sind und Nachbehandlungseinrichtungen 50, 60, 80 und 80 umfassen.
Vorzugsweise ist eine Reduktionsmittel-Einspritzeinrichtung 55 stromaufwärts der
Nachbehandlungseinrichtung 70 in das Abgas-Nachbehandlungssystem 45 montiert. 3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
des Abgas-Nachbehandlungssystems 45', das die Nachbehandlungseinrichtungen umfasst,
die fluidisch in Reihe verbunden sind und die Nachbehandlungseinrichtungen 60, 70 und 80 umfassen.
Ein Sensor 72 zum Überwachen
des Abgaszustroms ist vorzugsweise stromabwärts der Nachbehandlungseinrichtung 70 angeordnet,
um NOx-Emissionen zu überwachen.
Bei einer Ausführungsform
kann ein Überwachungssensor
(nicht gezeigt) stromaufwärts
der Nachbehandlungseinrichtung 70 angeordnet sein, um den
Abgaszustrom stromaufwärts
der Nachbehandlungseinrichtung 70 und vorzugsweise stromaufwärts der
Reduktionsmittel-Einspritzeinrichtung 55 zu überwachen.
Die Nachbehandlungseinrichtungen 50, 60, 70 und 80 können in
einzelne Strukturen montiert sein, die fluidisch verbunden und in
einem Motorraum und an einem Fahrzeug-Unterboden montiert sind,
wobei eine oder mehrere Detektionseinrichtungen (nicht gezeigt)
zwischen diesen angeordnet sind. Alternativ können die Nachbehandlungseinrichtungen 50 und 60 in
eine erste Struktur montiert sein, die in dem Motorraum angeordnet
ist, und die Nachbehandlungseinrichtungen 70 und 80 können in
eine zweite Struktur montiert sein, die an dem Unterboden angeordnet
ist. Ein Fachmann kann andere Montagekonfigurationen konzipieren.
Bei einer Ausführungsform
kann ein Sensor bzw. können
Sensoren zum Überwachen
der Temperatur (nicht gezeigt) in die Strukturen einer oder mehrerer
der Nachbehandlungseinrichtungen 50, 60, 70 und 80 eingebunden
sein, um deren Betriebstemperaturen zu überwachen und zu ermitteln.
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Bei
einer Ausführungsform
weist die Nachbehandlungseinrichtung 50 einen Partikelfilter
(nicht gezeigt) auf, um Partikel aus dem Abgaszustrom zu entfernen.
Der Partikelfilter umfasst ein Cordierit-Substrat (nicht gezeigt)
mit wechselseitig eingesteckten Strömungspassagen, die bewirken,
dass der Abgaszustrom durch Wände
des Substrats strömt
und Partikel aus dem Abgaszustrom entfernt oder abgezogen werden.
Ein Fachmann kann andere Typen von Partikelfilter-Ausgestaltungen
konzipieren, einschließlich
z. B. von Durchfluss-Metallschaumfiltern, Keramikschaumfasern, gewundenen oder
geknüpften
Fasern, Faserpapieren und -geweben, gesinterten Metallfasern und
plissierten Papierfiltern. Bei einer Ausführungsform kann der Partikelfilter
das Cordierit-Substrat mit einem Aluminiumoxid-basierten Washcoat
umfassen, der ein oder mehrere Metalle der Platingruppe, z. B. Pt,
Pd und Rh, enthält.
Die Nachbehandlungseinrichtung 50 ist vorzugsweise mit
dem Auslasskrümmer 39 eng
gekoppelt. Ein Drucksensor (nicht gezeigt) kann verwendet werden,
um den Abgasdruck stromaufwärts
der Nachbehandlungseinrichtung 50, d. h. des Partikelfilters,
zu messen.
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Die
Nachbehandlungseinrichtung 60 umfasst vorzugsweise eine
katalytische Dreiwege/Oxidationseinrichtung, die vorzugsweise ein
Cordierit- Substrat
(nicht gezeigt) mit einem Aluminiumoxid-basierten Washcoat umfasst,
der ein oder mehrere Metalle der Platingruppe, z. B. Pt, Pd, Rh,
und Cerium für
eine Speicher- und Freigabefunktionalität von Sauerstoff enthält. Ammoniak
kann unter der Anwesenheit von Reformaten in einer der Nachbehandlungseinrichtungen 50 oder 60 aus
NOx erzeugt werden.
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Bei
den in 2 und 4 gezeigten Ausführungsformen
ist die Nachbehandlungseinrichtung 60 vorzugsweise mit
der ersten Nachbehandlungseinrichtung 50 eng gekoppelt,
die vorzugsweise mit dem Auslasskrümmer 39, 39 eng
gekoppelt ist. Bei der in 3 gezeigten
Ausführungsform
ist die Nachbehandlungseinrichtung 60 vorzugsweise mit
dem Auslasskrümmer 39 eng
gekoppelt.
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Die
Nachbehandlungseinrichtung 70 umfasst eine katalytische
SCR-Ammoniakeinrichtung, die
vorzugsweise ein Cordierit-Substrat (nicht gezeigt) mit einem Zeolith-basierten
Washcoat umfasst, der ein oder mehrere Metalle enthält, z. B.
Fe, Cu, V, W und Ti.
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Die
Nachbehandlungseinrichtung 80 umfasst vorzugsweise eine
katalytische Ammoniakschlupfeinrichtung, die ein Cordierit-Substrat
(nicht gezeigt) mit einem Aluminiumoxid-basierten Washcoat umfasst,
der ein oder mehrere Metalle der Platingruppe enthält, z. B.
Pt, Pd, Rh, die dazu dienen, NH3 und andere Bestandteile des Abgaszustroms
zu oxidieren.
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Ausgestaltungsmerkmale
für jede
der katalytischen Einrichtungen, z. B. Volumen, Raumgeschwindigkeit,
Zellendichten, Washcoatdichten und Metallbeladungen, können für spezielle
Anwendungen durch einen Fachmann ermittelt werden.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst das Abgas-Nachbehandlungssystem 45 die Reduktionsmittel-Einspritzeinrichtung 55 mit
einem Einspritzmechanismus und einer Düse (nicht gezeigt), die mit
einem wieder befüllbaren
Reservoir 57 fluidisch verbunden sind, das vorzugsweise
Harnstoff oder ein anderes geeignetes Reduktionsmittel enthält, das NH3
umfasst. Die Düse
der Reduktionsmittel-Einspritzeinrichtung 55 wird stromaufwärts der
Nachbehandlungseinrichtung 70 in das Abgas-Nachbehandlungssystem 45 eingefügt. Die
Reduktionsmittel-Einspritzeinrichtung 55 wird durch das
Steuermodul 5 gesteuert, um eine Massenströmungsrate
von Harnstoff in den Abgaszustrom einzuspritzen, die der Masse von
NOx-Emissionen in
diesem entspricht, vorzugsweise oberhalb oder in der Nähe eines NOx/Harnstoff-Stöchiometriepunkts.
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Die
einzelnen Nachbehandlungseinrichtungen des Abgas-Nachbehandlungssystems 45 arbeiten
am effektivsten in bevorzugten Betriebstemperaturbereichen, die
oberhalb der Umgebungstemperaturen liegen. Eine Steuerstrategie
zum Betreiben des Motors 10, um die einzelnen Nachbehandlungseinrichtungen
aufzuwärmen,
kann verwendet werden, wenn der Motor 10 gestartet und
im Anschluss an eine Anwärmdauer
betrieben wird, während
der Elemente des Nachbehandlungssystems 45 Temperaturen
erreichen, die sich der Umgebungstemperatur nähern. Die Steuerstrategie zum
Betreiben des Motors 10 umfasst vorzugsweise mehrere Phasen,
die sequentiell ausgeführt
werden.
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Der
Motor 10 wird in einer ersten Phase unmittelbar nach dem
Starten und Loslaufen des Motors gesteuert. Die erste Phase umfasst,
dass der Motor 10 bei einem stöchiometrischen Gesamt-Luft/Kraftstoffverhältnis vorzugsweise
unter Verwendung einer Mehrfachpuls-Kraftstoffeinspritzstrategie
betrieben wird, wobei ein Teil des Kraftstoffs spät in dem
Verbrennungszyklus eingespritzt wird. Der Zeitpunkt der Funkenzündung wird
relativ zu einem Funkenzündungszeitpunkt
eines mittleren Bestdrehmoments für das Betreiben des Motors
nach spät
verstellt. Der gesamte Kraftstoffzufuhr- und Zündfunkenbetrieb umfasst, dass
eine Betreiberanforderung für
ein Ausgangsdrehmoment erfüllt
wird. Das Betreiben des Motors 10 maximiert dementsprechend
das Übertragen
von thermischer Energie aus dem Motor 10 in den Abgaszustrom,
um ein schnelles Aufwärmen
der Nachbehandlungseinrichtungen 50 und 60 zu
erleichtern. Der Motor 10 wird in der ersten Phase derart
gesteuert, dass die Temperaturen der Nachbehandlungseinrichtungen 50 und 60 erhöht werden,
bis eine Anspringtemperatur erreicht wird, die eine exotherme katalytische
Aktivität
erlaubt. Der Motor 10 kann für eine Zeitdauer in der ersten
Phase gesteuert werden, die vorzugsweise basierend auf Faktoren
vorbestimmt ist, welche die Umgebungstemperatur und die Wärmekapazität des Nachbehandlungssystems 45 umfassen.
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Der
Motor 10 wird in einer zweiten Phase gesteuert, wenn die
Temperaturen der Nachbehandlungseinrichtungen 50 und 60 die
Anspringtemperaturen erreichen. Die zweite Phase umfasst, dass der Motor 10 bei
einem vorbestimmten Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben wird, das ein
mageres Gesamt-Luft/Kraftstoffverhältnis ist und vorzugsweise unter
Verwendung der Mehrfachpuls-Kraftstoffeinspritzstrategie erreicht
wird. Der Zeitpunkt der Funkenzündung
ist weiterhin relativ zu einem Zündfunkenzeitpunkt
eines mittleren Bestdrehmoments nach spät verstellt. Der gesamte Kraftstoffzufuhr-
und Zündfunkenbetrieb
umfasst, dass eine Betreiberanforderung für ein Ausgangsdrehmoment erfüllt wird. Das
Betreiben des Motors 10 erzeugt dementsprechend chemisch
einen heißen
oxidierenden Abgaszustrom, um Abgasbestandteile, z. B. HC und CO,
zu oxidieren, um die Nachbehandlungseinrichtungen 70 und 80 aufzuheizen.
Der Motor 10 wird in der zweiten Phase derart gesteuert,
dass die Temperaturen der Nachbehandlungseinrichtungen 50 und 60 und
der Nachbehandlungsein richtungen 70 und 80 erhöht werden,
bis Anspringtemperaturen erreicht werden, die eine effektive katalytische
Aktivität
erlauben. Wenn eine der Nachbehandlungseinrichtungen 70 oder 80 eine
Unterboden-LNT-Einrichtung umfasst, basiert die Anspringtemperatur
auf einer Fähigkeit, NOx
zu speichern. Wenn eine der Nachbehandlungseinrichtungen 70 oder 80 ein
Unterboden-SCR-System umfasst, basiert die Anspringtemperatur auf
einer effizienten NOx-Umwandlungsrate.
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Der
Motor 10 kann für
eine Zeitdauer in der zweiten Phase gesteuert werden, die vorzugsweise basierend
auf Faktoren vorbestimmt ist, welche die Umgebungstemperatur und
die Wärmekapazität des Nachbehandlungssystems 45 umfassen.
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Wenn
das Abgas-Nachbehandlungssystem 45 die Nachbehandlungseinrichtung 50 mit
dem Partikelfilter umfasst, kann der Motor 10 in eine dritten Phase
gesteuert werden, um den Partikelfilter zu regenerieren, indem die
gefilterten Partikel oxidiert werden. Dies umfasst, dass der Motor 10 bei
einem vorbestimmten Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben wird, das ein
mageres Gesamt-Luft/Kraftstoffverhältnis ist. Das Betreiben des
Motors 10 bei dem vorbestimmten Gesamt-Luft/Kraftstoffverhältnis kann
unter Verwendung der Strategie der geteilten Kraftstoffeinspritzung
erreicht werden, wie unter Bezugnahme auf 4 gezeigt
ist. Der Zeitpunkt der Funkenzündung
wird gesteuert, um den Motor derart zu betreiben, dass das mittlere
Bestdrehmoment erreicht wird. Der gesamte Kraftstoffzufuhr- und
Zündfunkenbetrieb
umfasst, dass eine Betreiberanforderung für das Ausgangsdrehmoment erfüllt wird.
Das Betreiben des Motors 10 erzeugt dementsprechend einen heißen oxidierenden
Abgaszustrom, um die Partikel in dem Partikelfilter der Nachbehandlungseinrichtung 50 zu
oxidieren. Die dritte Phase zum Regenerieren des Partikelfilters
kann für
eine vorbestimmte Zeitdauer fortgesetzt werden. Alternativ kann die
dritte Phase zum Regenerieren des Partikelfilters fortgesetzt werden,
bis es ein Anzeichen gibt, dass der Partikelfilter im Wesentlichen
regeneriert wurde, z. B. indem ein Druckabfall über den Partikelfilter unter
Verwendung des zuvor erwähnten
Drucksensors (nicht gezeigt) überwacht
wird, der dazu dient, den Abgasdruck stromaufwärts der Nachbehandlungseinrichtung 50,
d. h. des Partikelfilters, zu messen.
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Der
Motor wird in einer vierten Phase derart gesteuert, dass Reformate
in dem Abgaszustrom erzeugt werden, die NOx, CO und Wasserstoff
umfassen. Bei einer Ausführungsform
umfasst das Erzeugen der Reformate, dass der Motor 10 bei
einem fetten Luft-Kraftstoffverhältnis
betrieben wird und dass der Zeitpunkt der Funkenzündung nach
früh verstellt wird,
um die Reformate zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform umfasst dies, dass
der Motor 10 bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben
wird, das von nahe der Stöchiometrie
bis 30:1 reicht, und dass zusätzlicher
Kraftstoff unter Verwendung einer Strategie der Kraftstoffeinspritzung
bei später
Verbrennung oder einer Strategie der Kraftstoffeinspritzung nach der
Verbrennung eingespritzt wird, um die Reformate zu erzeugen. Die
Reformate können
erzeugt werden, indem eine Kraftstoffmenge an dem Ende einer Verbrennungsphase
jedes Verbrennungszyklus oder alternativ während einer Auslassphase jedes
Verbrennungszyklus in die Verbrennungskammer eingespritzt wird.
Die Reformate reagieren in der Nachbehandlungseinrichtung 60,
um aus NOx und Wasserstoff ein NH3-Reduktionsmittel zu bilden. Der
Prozess zum Steuern des Betriebs des Motors 10, um das
NH3-Reduktionsmittel in dem Abgaszustrom zu bilden, wird als ein
passiver NH3-SCR-Betrieb bezeichnet. Das NH3-Reduktionsmittel ist
in der Nachbehandlungseinrichtung 70 speicherbar. Überschüssiges NH3-Reduktionsmittel,
das durch die Nachbehandlungseinrichtung 70 gelangt und
als Ammoniakschlupf bezeichnet wird, kann in der Nachbehandlungseinrichtung 80 oxidiert
werden. Vorzugsweise betreibt das Steuer system den Motor in der
vierten Phase und überwacht
eine Signalausgabe von dem Überwachungssensor 72,
um den Ammoniakschlupf zu detektieren. Wenn ein Ammoniakschlupf
größer als
ein vorbestimmtes Niveau detektiert wird, geht das Steuersystem
in die fünfte
Phase über.
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Der
Motor wird im Anschluss an die vierte Phase in die fünfte Phase
gesteuert. Die fünfte
Phase umfasst, dass der Motor 10 in dem bevorzugten Betriebszustand
für den
Motor 10 gesteuert wird, der bei dieser Ausführungsform
ein magerer Betrieb mit geschichteter Ladung ist. Alternativ kann
der bevorzugte Betriebszustand einen stöchiometrischen Betrieb mit
Funkenzündung
oder einen mageren Betrieb mit gesteuerter Selbstzündung umfassen,
d. h. einen Betrieb mit homogener Kompressionszündung, bei dem die Funkenzündung vorzugsweise
deaktiviert ist.
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Der
Abgaszustrom enthält
NOx, das durch die Nachbehandlungseinrichtungen 50 und 60 gelangt
und in der Nachbehandlungseinrichtung 70 unter der Anwesenheit
des gespeicherten NH3-Reduktionsmittels zu N2 reduziert wird. Der
Motor 10 kann unter derartigen Bedingungen betrieben werden,
bis das NH3-Reduktionsmittel im Wesentlichen aufgebraucht ist oder
sich eine andere Möglichkeit
zum Erzeugen des NH3-Reduktionsmittels bietet, wie beispielsweise
während
des Kaltstartbetriebs und während
eines Betriebs mit hoher Last oder während eines Beschleunigungsereignisses.
Der Motor 10 kann unter Bedingungen mit einer gewissen
stationären Geschwindigkeit
in einem mageren Verbrennungsmodus betrieben werden, wobei ein zweiter
Kraftstoffpuls spät
in dem Verbrennungszyklus eingespritzt wird. Wenn das gespeicherte
NH3-Reduktionsmittel im Wesentlichen aufgebraucht ist, kann der Motor 10 derart
gesteuert werden, dass er bei oder in der Nähe der Stöchiometrie arbeitet, um die
NOx-Erzeugung zu minimieren und der Nachbehandlungseinrichtung 60 zu
erlauben, die katalytische Dreiwegefunktion und die Spei cher/Freigabefunktion
von Sauerstoff zu betreiben und zu verwenden, um unter der Anwesenheit
von gespeichertem Sauerstoff HC und CO zu oxidieren und NOx zu reduzieren.
Zu Zwecken dieser Beschreibung ist das NH3-Reduktionsmittel im Wesentlichen
aufgebraucht, wenn nicht genügend
NH3-Reduktionsmittel in der Nachbehandlungseinrichtung 70 gespeichert
ist, um NOx in dem Abgaszustrom zu reduzieren, um eine vorbestimmte NOx-Konzentration
zu erfüllen,
die beispielsweise als Masse von NOx über der gefahrenen Entfernung,
z. B. in mg(NOx)/km, gemessen wird.
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Der
Prozess des Betreibens der Reduktionsmittel-Einspritzeinrichtung 55,
um Harnstoff in den Abgaszustrom einzuspritzen, wird als eine aktive Harnstoffdosierung
bezeichnet. Die NOx-Emissionen werden in der Nachbehandlungseinrichtung 70 unter der
Anwesenheit von NH3 in dem Harnstoff zu Stickstoff reduziert. Die
aktive Harnstoffdosierung kann während
des Motorbetriebs mit hoher Last und bei dem Motorbetrieb mit niedriger
Last, wenn das in der Nachbehandlungseinrichtung 70 gespeicherte
Ammoniak im Wesentlichen aufgebraucht ist, sowie bei anderen Zeiträumen während des
Motorbetriebs verwendet werden.
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Bei
einer Ausführungsform
wird die aktive Harnstoffdosierung in Kombination mit dem passiven NH3-SCR-Betrieb
verwendet, um die NOx-Emissionen
zu reduzieren. Während
des Motorbetriebs, z. B. unter Niedriglast- und stationären Bedingungen,
wird der Motor 10 bei einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben,
vorzugsweise in einem Bereich, der größer als 20:1 ist. Der Abgaszustrom
enthält NOx,
das durch die Nachbehandlungseinrichtungen 50 und 60 gelangt
und in der Nachbehandlungseinrichtung 70 unter der Anwesenheit
des gespeicherten NH3 zu N2 reduziert wird. Unter speziellen Betriebsbedingungen,
z. B. einem Betrieb mit hoher Motorlast oder einer Beschleunigung,
kann die aktive Harn stoffdosierung in Kombination mit dem passiven NH3-SCR-Betrieb
verwendet werden, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Der Motor 10 kann unter
derartigen Bedingungen arbeiten, bis das NH3 im Wesentlichen aufgebraucht
ist oder sich eine andere Möglichkeit
bietet, um NH3 zu erzeugen, wie beispielsweise während eines Betriebs mit hoher Last
oder während
eines Beschleunigungsereignisses.
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Das
Steuersystem steuert den Motorbetrieb vorzugsweise unter Verwendung
des passiven NH3-SCR-Betriebs unter speziellen Betriebsbedingungen,
die umfassen, dass eine ausreichende oder vorbestimmte Menge von
NH3 in der Nachbehandlungseinrichtung 70 gespeichert wurde.
Die aktive Harnstoffdosierung kann deaktiviert werden, wenn der
Motor 10 bei Betriebsbedingungen mit niedriger oder mittlerer
Last, einschließlich
des stationären
Betriebs, mit einer ausreichenden Menge von gespeichertem NH3 arbeitet.
Wenn das gespeicherte NH3 in der Nachbehandlungseinrichtung 70 im
Wesentlichen aufgebraucht ist, wird die aktive Harnstoffdosierung
aktiviert, und der Motorbetrieb und die Harnstoffeinspritzung werden
gemäß der aktiven
Harnstoffdosierung gesteuert, um ein gewünschtes Harnstoff/NOx-Verhältnis für eine effiziente
NOx-Reduktion in der Nachbehandlungseinrichtung 70 zu erreichen.
In dem Fall eines detektierten Fehlers in der Reduktionsmittel-Einspritzeinrichtung 55,
der umfasst, dass der Ammoniak-Reservoirbehälter 57 leer ist,
kann der Motor 10 gesteuert werden, um bei oder in der
Nähe der
Stöchiometrie
zu arbeiten, um die NOx-Erzeugung zu minimieren. Die Nachbehandlungseinrichtung 60 arbeitet
unter Verwendung der katalytischen Dreiwegefunktion und der Speicherung/Freigabe
von Sauerstoff, um unter der Anwesenheit von gespeichertem Sauerstoff
HC und CO zu oxidieren und NOx zu reduzieren.
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5 zeigt
die Temperatur der katalytischen Oxidationseinrichtung 60 (bezeichnet
als ”Katalysatorbetttemperatur”) für ein beispielhaftes
System über
der verstrichenen Zeit, die auf ein Start- und Laufereignis des
Motors folgt, und über
einen NEFZ-Fahrzyklus. Die Temperatur der katalytischen Oxidationseinrichtung 60 ist
jeweils für
die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Phase gezeigt, wobei Punkte
angegeben sind, an denen basierend auf der Temperatur Übergänge von
einer Phase zu einer nachfolgenden Phase durchgeführt werden.
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Die
Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen
beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des
Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt,
dass die Offenbarung nicht auf die spezielle Ausführungsform
bzw. die speziellen Ausführungsformen
beschränkt
ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser
Offenbarung in Erwägung
gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen
wird, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.