DE102011111023A1 - Verfahren zur Motorabgas-Nox-Steuerung unter Verwendung von No-Oxidation in dem Motor - Google Patents

Verfahren zur Motorabgas-Nox-Steuerung unter Verwendung von No-Oxidation in dem Motor Download PDF

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Abstract

Ein Antriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor mit einem Brennraum und ein Nachbehandlungssystem. Ein Verfahren zur Reduzierung von NOx-Emissionen in dem Antriebsstrang umfasst ein Überwachen eines Ist-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO, ein Überwachen eines Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO, ein Vergleichen der Ist- und der Soll-Abgaszustromverhältnisse von NO2 zu NO und ein selektives Auslösen eines NO2-Erzeugungszyklus auf Grundlage des Vergleichs der Ist- und der Sollabgaszustromverhältnisse von NO2 zu NO, was eine Injektion einer Kraftstoffmasse in den Brennraum nach einem Primärverbrennungsereignis umfasst.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft die Steuerung einer Nachbehandlung von NOx-Emissionen bei Verbrennungsmotoren.
  • HINTERGRUND
  • Die Anmerkungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformation in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung dar und brauchen keinen Stand der Technik zu bilden.
  • Stickoxide, NOx, sind bekannte Nebenprodukte einer Verbrennung. NOx wird durch in der Motoransaugluft vorhandene Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle erzeugt, die sich bei den hohen Verbrennungstemperaturen aufspalten, und Raten der NOx-Erzeugung umfassen bekannte Beziehungen zu dem Verbrennungsprozess, wobei zum Beispiel höhere Raten der NOx-Erzeugung mit höheren Verbrennungstemperaturen und einem längeren Kontakt der Luftmoleküle mit den höheren Temperaturen in Verbindung stehen.
  • Sobald NOx-Moleküle in dem Brennraum erzeugt werden, können sie in beispielhaften Vorrichtungen, die im Stand der Technik innerhalb der breiteren Kategorie der Nachbehandlungsvorrichtungen bekannt sind, zurück zu Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen umgewandelt werden. Ein Fachmann wird aber verstehen, dass Nachbehandlungsvorrichtungen zum großen Teil von Betriebsbedingungen abhängig sind, beispielsweise der von Abgasstromtemperaturen gesteuerten Vorrichtungsbetriebstemperatur und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors. Zudem umfassen Nachbehandlungsvorrichtungen Materialien wie Katalysatorbetten, die infolge von Nutzung im Laufe der Zeit und Kontakt zu hohen Temperaturen für Beschädigung oder Degradation anfällig sind.
  • Motorsteuerverfahren können verschiedene Betriebsstrategien nutzen, um die Verbrennung zu optimieren. Manche Betriebsstrategien, die die Verbrennung hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit optimieren, umfassen magere, örtlich begrenzte oder geschichtete Verbrennung in dem Brennraum, um die Kraftstoffladung zu verringern, die zum Erreichen der von dem Zylinder geforderten Arbeitsleistung und zum Steigern von Motorwirkungsgrad nötig ist, zum Beispiel durch Betrieb in einem ungedrosselten Zustand, was Ansaugluftpumpverluste verringert. Während die Temperaturen in dem Brennraum in Verbrennungstaschen hoch genug werden können, um signifikante Mengen an NOx zu erzeugen, kann die gesamte Energieabgabe des Brennraums, insbesondere die von dem Motor durch den Abgasstrom abgegebene Wärmeenergie, gegenüber normalen Werten stark verringert sein. Solche Bedingungen können für Abgasnachbehandlungsstrategien eine Herausforderung darstellen, da die Nachbehandlungsvorrichtungen häufig eine erhöhte Betriebstemperatur erfordern, die von der Abgasstromtemperatur gesteuert wird, um zum Behandeln von NOx-Emissionen angemessen zu arbeiten.
  • Es sind zum Beispiel Nachbehandlungsvorrichtungen bekannt, die chemische Reaktionen nutzen, um Abgasstrom zu behandeln. Eine beispielhafte Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR, von engl. ”Selective Catalytic Reduction”). Bekannte Verwendungen einer SCR-Vorrichtung nutzen aus Harnstoffinjektion gewonnenen Ammoniak, um NOx zu behandeln. An einem Katalysatorbett in der SCR gespeichertes Ammoniak reagiert mit NOx, vorzugsweise in einem erwünschten Anteil von NO und NO2, und erzeugt günstige Reaktionen zum Behandeln des NOx. Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst einen bevorzugten molaren Anteil von NO zu NO2 von eins zu eins und ist als schnelle SCR-Reaktion bekannt. Es ist bekannt, bei Dieselanwendungen einen NOx-Behandlungskatalysator, wie einen Dieseloxidationskatalysator (DOC, von engl. ”Diesel Oxidation Catalyst”) stromaufwärts des SCR zu betreiben, um NO zu NO2 für bevorzugte Behandlung in der SCR umzuwandeln. Eine ständige Verbesserung der Abgasnachbehandlung erfordert präzise Informationen bezüglich NOx-Emissionen in dem Abgasstrom, um eine wirksame NOx-Reduktion zu erreichen, beispielsweise das Dosieren der richtigen Menge von Harnstoff beruhend auf überwachten NOx-Emissionen.
  • Zusätzlich sind andere Nachbehandlungsvorrichtungen zum Behandeln des Abgasstroms bekannt. NOx-Behandlungskatalysatoren, wie Drei-Wege-Katalysatoren (TWC), werden insbesondere in Benzinanwendungen genutzt. Mager-NOx-Fänger (NOx-Fänger) nutzen Katalysatoren, die eine gewisse Menge an NOx speichern können, und es wurden Motorsteuerungstechnologien entwickelt, um diese NOx-Fänger oder NOx-Absorber mit kraftstoffeffizienten Motorsteuerungsstrategien zu kombinieren, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern und immer noch annehmbare NOx-Emissionswerte zu erreichen. Eine beispielhafte Strategie umfasst das Verwenden eines Mager-NOx-Fängers, um NOx-Emissionen während kraftstoffarmen Betrieben zu speichern, und dann das Spülen des gespeicherten NOx während kraftstoffreichen Motorbetriebsbedingungen höherer Temperatur mit herkömmlicher Dreiwegekatalyse zu Stickstoff und Wasser. Jedoch begrenzt eine Speicherung von NOx während Motorbetriebsbedingungen bei niedrigerer Temperatur mit herkömmlichen Drei-Wege-Katalysatoren eine NOx-Speicherung auf NO2 des Abgaszustroms mit dem NOx-Fänger, wenn die Temperatur des Drei-Wege-Katalysators zu gering ist, um NO im Abgaszustrom in NO2 umzuwandeln. Dieselpartikelfilter (DPF) halten bei Dieselanwendungen Ruß und Partikelmaterial zurück, und das zurückgehaltene Material wird regelmäßig bei Regenerationsvorgängen hoher Temperatur gespült. Ein hoher Abgas- NO2/NO-Anteil unterstützt dieses Spülen.
  • In der Technik ist es auch bekannt, dass eine Motormodellierung verschiedener Typen beim Verständnis und der Vorhersage des Verhaltens von Motoren hilfreich ist. Diese Modelle umfassen verschiedene Niveaus an Komplexität in der Beschreibung der physikalischen und chemischen Prozesse, die während des Motorbetriebs und während des Betriebs verschiedener Abgasemissionsbehandlungsvorrichtungen stattfinden. Modelle, die eine relativ einfache Beschreibung der physikalischen Prozesse und eine detailliertere Beschreibung der chemischen Prozesse, die während der Verbrennung stattfinden, enthalten, können bei der Beschreibung und beim Erhalten vernünftiger Vorhersagen von Motorphänomenen sehr nützlich sein, die stark von der Verbrennungschemie, wie Bildung und Zerstörung von Abgasbestandteilen in dem Motor und dem Abgas, Selbstzündung sowie Umwandlung von NO zu NO2 in einem Motor, abhängig sind, während die Kosten und die Komplexität, die bei der Verwendung der Modelle betroffen sind, minimiert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Antriebsstrang weist einen Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer und ein Nachbehandlungssystem auf. Ein Verfahren zum Reduzieren von NOx-Emissionen in dem Antriebsstrang umfasst ein Überwachen eines Ist-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO, ein Überwachen eines Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO, ein Vergleichen der Ist- und der Soll-Abgaszustromverhältnisse von NO2 zu NO und ein selektives Auslösen eines NO2-Erzeugungszyklus auf Grundlage des Vergleichs der Ist- und der Sollabgaszustromverhältnisse von NO2 zu NO, der ein Injizieren von Kraftstoffmasse in den Brennraum nach einem Primärverbrennungsereignis umfasst.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ein oder mehrere Ausführungsformen werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 ein schematisches Schaubild ist, das einen Verbrennungsmotor, ein Steuermodul und ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 2 graphisch ein Beispiel eines Betriebs eines Motors und eines resultierenden gemessenen Prozentsatzes von NOx, das aus NO2 vorhanden ist, und eines NOx-Massenstromes in einem Abgaszustrom, aufgetragen gegenüber der Zeit, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 3 graphisch ein Beispiel eines Betriebs eines Motors während der ersten 200 Sekunden und einen resultierenden gemessenen NOx-Massenstrom und einen kumulativen NOx-Gehalt, der in dem Abgaszustrom vorhanden ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 4 graphisch eine beispielhafte durchschnittliche Temperatur im Zylinder während eines Verbrennungsprozesses, der gemäß dem Kurbelwinkel von vor zu nach einem oberen Totpunkt modellberechnet ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 5 graphisch eine injizierte Kraftstoffmasse bei verschiedenen Injektionsstartstellen gemäß dem Kurbelwinkel während des Expansionshubes eines modellierten Verbrennungsereignisses und einen resultierenden Prozentsatz von NO2 in NOx, das in dem Abgaszustrom vorhanden ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 6 graphisch eine injizierte Kraftstoffmasse an verschiedenen Injektionsstartstellen gemäß einer Temperatur während eines modellierten Verbrennungsereignisses und einen resultierenden Prozentsatz von NO2 in NOx und Gesamtkohlenwasserstoffen, die in einem Abgaszustrom vorhanden sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 7 graphisch NO- und NO2-Durchschnittsmassenanteile nach einer injizierten Kraftstoffmasse gemäß einem Injektionsstart-Kurbelwinkel von 56 Grad nach dem oberen Totpunkt während eines modellierten Verbrennungsereignisses gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 8 graphisch OH- und HO2-Massenanteile nach einer injizierten Kraftstoffmasse gemäß einem Injektionsstart-Kurbelwinkel von 56 Grad nach dem oberen Totpunkt während eines modellierten Verbrennungsereignisses gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 9 graphisch verschiedene modellberechnete Mengen an injizierter Kraftstoffmasse beim Injektionsstart von 37,6 Grad nach dem oberen Totpunkt während eines Expansionshubes und einen resultierenden Prozentsatz von NO2 in NOx und Gesamtkohlenwasserstoffen, die in einem Abgaszustrom vorhanden sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 10 graphisch verschiedene modellberechnete Mengen einer injizierten Kraftstoffmasse bei einem Injektionsstart von 56 Grad nach dem oberen Totpunkt während eines Expansionshubes und einen resultierenden Prozentsatz von NO2 in vorhandenem NOx und Gesamtkohlenwasserstoffen, die in einem Abgaszustrom vorhanden sind, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 11 graphisch eine injizierte Kraftstoffmasse an verschiedenen Injektionsstartstellen gemäß einer Temperatur während eines modellierten Verbrennungsereignisses und einen resultierenden Prozentsatz von NO2 in NOx und Gesamtkohlenwasserstoffen, die in einem Abgaszustrom vorhanden sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 12 graphisch eine injizierte Kraftstoffmasse an verschiedenen Injektionsstartstellen gemäß einer Temperatur während eines modellierten Verbrennungsereignisses und einen resultierenden Prozentsatz von NO2 in NOx sowie in einem Abgaszustrom vorhandenen Gesamtkohlenwasserstoffen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 13 graphisch verschiedene Mengen an injizierter Kraftstoffmasse bei 36 Grad nach dem oberen Totpunkt während eines Expansionshubes eines modellierten Verbrennungsereignisses und einen resultierenden Prozentsatz von NO2 in NOx und in einem Abgaszustrom vorhandenen Gesamtkohlenwasserstoffen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 14 graphisch verschiedene modellberechnete Mengen an injizierter Kraftstoffmasse bei 56 Grad nach dem oberen Totpunkt während eines Expansionshubes und einen resultierenden Prozentsatz von NO2 in NOx und in einem Abgaszustrom vorhandenen Gesamtkohlenwasserstoffen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 15 graphisch eine injizierte Kraftstoffmasse während verschiedener Injektionsstart-Kurbelwinkel gemäß einer Temperatur in nur der zweiten von sieben Modellierungszonen eines modellierten Verbrennungsereignisses und einen resultierenden Prozentsatz von NO2 in NOx und in einem Abgaszustrom vorhandenen Gesamtkohlenwasserstoffen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
  • 16 schematisch ein beispielhaftes Nachbehandlungssystem mit einer ersten Nachbehandlungsvorrichtung und einer zweiten Nachbehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen das Dargestellte nur dem Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht dem Zweck der Beschränkung derselben dient, zeigt 1 eine schematische Darstellung, die einen Verbrennungsmotor 10 und ein Steuermodul 5 sowie ein Abgasnachbehandlungssystem 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt. Der beispielhafte Motor umfasst einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit Direktinjektion, der an einer Kurbelwelle 24 angebrachte Hubkolben 22 aufweist, die in dem Zylinder 20 beweglich sind, die Brennräume 34 veränderlichen Volumens festlegen. Es ist bekannt, dass Motoren unter Kompressionszündung oder Fremdzündung arbeiten. Ferner ist bekannt, dass Verfahren entweder eine Zündstrategie in einem einzelnen Motor nutzen, wobei sie die Strategie beruhend auf Faktoren wie Motordrehzahl und -last abwandeln. Ferner ist bekannt, dass Motoren in Hybridstrategien arbeiten, beispielsweise Kompressionszündungsstrategien mit Zündhilfe. Diese Offenbarung soll diese beispielhaften Ausführungsformen des Motorbetriebs einschließen, soll aber nicht darauf beschränkt sein. Die Kurbelwelle 24 ist an einem Fahrzeuggetriebe und Antriebssystem funktionell angebracht, um diesem als Reaktion auf eine Drehmomentanforderung des Fahrers (TO_REQ) Traktionsmoment zu liefern. Der Motor nutzt vorzugsweise einen Viertaktbetrieb, wobei jeder Motorverbrennungszyklus 720 Grad Winkeldrehung der Kurbelwelle 24, unterteilt in vier Stufen zu 180 Grad von Ansaugen-Kompression-Expansion-Auslassen umfasst, in einer Hubbewegung des Kolbens 22 in dem Motorzylinder 20. Ein Messzahnrad 26 mit mehreren Zähnen ist an der Kurbelwelle angebracht und dreht mit dieser. Der Motor umfasst Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen von Motorbetrieb und Aktuatoren, die einen Motorbetrieb steuern. Die Erfassungsvorrichtungen und Aktuatoren sind mit dem Steuermodul 5 signaltechnisch oder funktionell verbunden.
  • Der Motor ist vorzugsweise ein Viertaktverbrennungsmotor mit Direktinjektion, der einen Brennraum veränderlichen Volumens, der durch den sich in dem Zylinder zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt hin- und herbewegenden Kolben festgelegt ist, und einen Zylinderkopf, der ein Einlassventil und ein Auslassventil umfasst, enthält. Der Kolben bewegt sich in sich wiederholenden Zyklen hin und her, wobei jeder Zyklus Ansaug-, Kompressions-, Expansions- und Auspufftakt umfasst.
  • Der Motor weist vorzugsweise ein Luft/Kraftstoff-Betriebsgebiet auf, das vorrangig überstöchiometrisch ist. Ein Fachmann versteht, dass Aspekte der Erfindung auf andere Motorkonfigurationen anwendbar sind, die vorrangig überstöchiometrisch arbeiten, z. B. Magermotoren mit Fremdzündung. Während eines normalen Betriebs des Kompressionszündungsmotors erfolgt ein Verbrennungsvorgang während jedes Motorzyklus, wenn eine Kraftstoffladung in den Brennraum injiziert wird, um mit der Ansaugluft die Zylinderladung zu bilden. Die Ladung wird anschließend durch die Wirkung der Kompression derselben oder mit dem Auslösen eines Zündfunkens von einer Zündkerze während des Kompressionstakts verbrannt.
  • Der Motor ist derart ausgelegt, um über einem breiten Bereich von Temperaturen, Zylinderladung (Luft, Kraftstoff und AGR) und Injektionsereignissen zu arbeiten. Die hierin beschriebenen Verfahren sind insbesondere für einen Betrieb mit Direktinjektionsmotoren, die überstöchiometrisch arbeiten, geeignet, um Parameter zu ermitteln, die mit einer Wärmefreisetzung in jedem der Brennräume während laufenden Betriebs korrelieren. Die hierin festgelegten Verfahren sind auf mehrere Motorkonfigurationen anwendbar, einschließlich Fremdzündungsmotoren, Kompressionszündungsmotoren, einschließlich solcher, die derart ausgelegt sind, um homogene Kompressionszündungsstrategien (HCCI, kurz vom eng. Homogeneous Charge Compression Ignition) zu nutzen. Die Verfahren sind auf Systeme anwendbar, die mehrere Kraftstoffinjektionsereignisse pro Zylinder pro Motorzyklus nutzen, z. B. ein System, das eine Pilotinjektion für Kraftstoffreformierung, ein Hauptinjektionsereignis für Motorleistung und ggf. eine Nachverbrennungskraftstoffinjektion, ein Spätverbrennungskraftstoffinjektionsereignis für Nachbehandlungsregulierung nutzt, wobei alle derselben den Zylinderdruck beeinflussen.
  • Erfassungsvorrichtungen sind an oder nahe dem Motor eingebaut, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und Signale zu erzeugen, die mit Motor- und Umgebungsparametern korrelierbar sind. Die Erfassungsvorrichtungen umfassen einen Kurbelwellenrotationssensor, der einen Kurbelsensor 44 zum Überwachen der Kurbelwellendrehzahl (U/min) durch Erfassen von Kanten an den Zähnen des mehrzähnigen Messzahnrads 26 umfasst. Der Kurbelwellensensor ist bekannt und kann z. B. einen Hall-Effekt-Sensor, einen induktiven Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfassen. Der Signalausgang von dem Kurbelsensor 44 (U/min) wird zu dem Steuermodul 5 eingegeben. Ein Verbrennungsdrucksensor 30 umfasst eine Druckerfassungsvorrichtung, die derart ausgelegt ist, um Druck im Zylinder (COMB_PR) zu überwachen. Der Verbrennungsdrucksensor 30 umfasst vorzugsweise eine nicht intrusive Vorrichtung, die einen Kraftwandler mit einem ringförmigen Querschnitt umfasst, der derart ausgelegt ist, um an einer Öffnung für eine Glühkerze 28 in den Zylinderkopf eingebaut zu werden. Der Verbrennungsdrucksensor 30 wird zusammen mit der Glühkerze 28 eingebaut, wobei Verbrennungsdruck mechanisch durch die Glühkerze zu dem Sensor 30 übertragen wird. Das Ausgangssignal COMB_PR des Erfassungselements des Sensors 30 ist proportional zu dem Zylinderdruck. Das Erfassungselement des Sensors 30 umfasst eine piezokeramische oder andere Vorrichtung, die als solche auslegbar ist. Andere Erfassungsvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen Krümmerdrucksensor zum Überwachen des Krümmerdrucks (MAP) und barometrischem Umgebungsdruck (BARO), einen Luftmassenstromsensor zum Überwachen von Ansaugluftmassenstrom (MAF) und Ansauglufttemperatur (TIN) und einen Kühlmittelsensor 35 (KÜHLMITTEL). Das System kann einen Abgassensor zum Überwachen von Zuständen eines oder mehrerer Abgasparameter, z. B. Temperatur, Luft/Kraftstoff-Verhältnis und Bestandteile, umfassen. Ein Fachmann versteht, dass es andere Erfassungsvorrichtungen und Verfahren für die Zwecke von Steuerung und Diagnose geben kann. Die Fahrereingabe in Form der Fahrerdrehmomentanforderung (TO_REQ) wird typischerweise unter anderen Vorrichtungen durch ein Gaspedal und ein Bremspedal erhalten. Der Motor ist vorzugsweise mit anderen Sensoren zum Überwachen des Betriebs und für Zwecke der Systemsteuerung ausgestattet. Jede der Erfassungsvorrichtungen ist mit dem Steuermodul 5 signaltechnisch verbunden, um Signalinformationen zu liefern, die durch das Steuermodul in Informationen umgewandelt werden, die für den jeweiligen überwachten Parameter repräsentativ sind. Es versteht sich, dass diese Konfiguration veranschaulichend, nicht einschränkend ist, wobei sie einschließt, dass die verschiedenen Erfassungsvorrichtungen mit funktionell gleichwertigen Vorrichtungen und Algorithmen austauschbar sind und immer noch in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
  • Die Aktuatoren sind an dem Motor eingebaut und werden von dem Steuermodul 5 als Reaktion auf Fahrereingaben gesteuert, um verschiedene Leistungsziele zu erreichen. Aktuatoren umfassen eine elektronisch gesteuerte Drosselvorrichtung, die ein Öffnen der Drosselklappe zu einer angewiesenen Eingabe (ETC) steuert, und mehrere Kraftstoffinjektoren 12 zum direkten Injizieren von Kraftstoff in jeden der Brennräume als Reaktion auf eine angewiesene Eingabe (INJ_PW), die alle als Reaktion auf die Fahrerdrehmomentanforderung (TO_REQ) gesteuert werden. Ein Abgasrückführungsventil 32 (und ein optionaler Kühler) steuern eine Strömung von extern rückgeführtem Abgas zu dem Motoreinlass als Reaktion auf ein Steuersignal (AGR) von dem Steuermodul. Die Glühkerze 28 umfasst, eine bekannte Vorrichtung, die in jedem der Brennräume eingebaut ist und zur Verwendung mit dem Verbrennungsdrucksensor 30 ausgelegt ist.
  • Der Kraftstoffinjektor 12 ist ein Element eines Kraftstoffinjektionssystems, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffinjektoren umfasst, die jeweils derart ausgelegt sind, um eine Kraftstoffladung, die eine Kraftstoffmasse umfasst, in einen der Brennräume als Reaktion auf das Anweisungssignal (INJ_PW) von dem Steuermodul direkt zu injizieren. Jeder der Kraftstoffinjektoren 12 wird mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff von einem Kraftstoffverteilungssystem versorgt und weist Betriebseigenschaften auf, die eine minimale Pulsweite und einen zugeordneten steuerbaren minimalen Kraftstoffdurchfluss und einen maximalen Kraftstoffdurchfluss umfassen.
  • Der Motor kann mit einem steuerbaren Ventiltrieb ausgestattet sein, der dazu dient, das Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen jedes der Zylinder, einschließlich eines oder mehrere von Ventilsteuerzeiten, Phaseneinstellung (d. h. zeitliche Steuerung im Verhältnis zu Kurbelwinkel und Kolbenstellung) und Größenordnung von Hub des Ventilöffnens, anzupassen. Ein beispielhaftes System umfasst veränderliche Nockenphaseneinstellung, die auf Kompressionszündungsmotoren, Fremdzündungsmotoren und homogene Kompressionszündungsmotoren anwendbar ist.
  • Steuermodul, Modul, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bedeuten eine oder verschiedene geeignete Kombinationen aus einem oder mehreren aus anwendungsspezifischer integrierter Schaltung(en) (ASIC), elektronischer Schaltung(en), Zentralverarbeitungseinheit(en) (bevorzugt Mikroprozessor(en)) und zugeordneter Speicher (Nurlesespeicher, programmierbarer Nurlesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplatte, etc.).), die eine oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, kombinatorischer Logikschaltung(en), Eingangs/Ausgangs-Schaltung(en) und -vorrichtungen, geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen, sowie andere geeignete Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Das Steuermodul 5 weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, wobei es residente Softwareprogrammanweisungen und Kalibrierungen umfasst, die im Speicher gespeichert sind und zum Bereitstellen der erwünschten Funktionen ausgeführt werden. Die Algorithmen werden bevorzugt während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Die Algorithmen werden, wie durch eine Zentralverarbeitungseinheit, ausgeführt und dienen dazu, um Eingaben von Erfassungsvorrichtungen und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen zur Steuerung des Betriebs von Aktuatoren auszuführen. Schleifenzyklen können in regelmäßigen Intervallen, beispielsweise alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ dazu können die Algorithmen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
  • Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die vorstehend erwähnten Aktuatoren zu steuern, um den Motorbetrieb, einschließlich Drosselklappenstellung, Kraftstoffinjektionsmasse und -zeiten, AGR-Ventilstellung zum Steuern der Strömung von rückgeführten Abgasen, Glühkerzenbetrieb und Steuerung von Einlass- und/oder Auslassventilzeiten, Phaseneinstellung und Hub, an derart ausgestatteten Systemen zu steuern. Das Steuermodul ist derart ausgelegt, um Eingabesignale von dem Fahrer (z. B. eine Gaspedalstellung und eine Bremspedalstellung) zum Ermitteln der Fahrerdrehmomentanforderung TO_REQ und von den Sensoren, die die Motordrehzahl (U/min) und Ansauglufttemperatur (TIN) sowie Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen anzeigen, zu empfangen.
  • 1 beschreibt einen beispielhaften Benzinmotor. Es versteht sich aber, dass NOx-Behandlungs- und Nachbehandlungssysteme bei anderen Motorkonfigurationen, einschließlich Dieselmotoren, verwendet werden, und die Offenbarung soll nicht auf die hierin beschriebene spezifische beispielhafte Motorausführungsform beschränkt sein.
  • Die hier offenbarten Verfahren betreffen eine Erhöhung der Abgaszustromkonzentration des NO2/NO-Verhältnisses, um verschiedene NOx-Reduktions-Nachbehandlungsvorrichtungen in einem Nachbehandlungssystem zu verbessern. NOx-Reduktionsnachbehandlungsvorrichtungen können TWC-Vorrichtungen (d. h. auf Benzinmotoren anwendbar), NOx-Fänger, Harnstoff-SCR-Vorrichtungen, Kohlenwasserstoff-SCR-Vorrichtungen, DOC-Vorrichtungen und DPF-Vorrichtungen aufweisen. Es sei angemerkt, dass DOC- und DPF-Vorrichtungen auf Dieselmotoren anwendbar sind. Diese Offenbarung ist nicht dazu bestimmt, auf die hier beschriebenen spezifischen beispielhaften Motorausführungsformen beschränkt zu sein. Es sei angemerkt, dass der größte Teil des von dem Verbrennungsmotor emittierten NOx in der Form von NO vorliegt, wobei nur ein Viertel bis ein Drittel des NOx als NO2 vorhanden ist. Das geringe Verhältnis von NO2 zu NO in einem bekannten Abgaszustrom reduziert die Wirksamkeit dieser NOx-Reduktionsnachbehandlungsvorrichtungen in dem Nachbehandlungssystem. Ein Verfahren umfasst ein Auslösen eines NO2-Erzeugungszyklus, um die Anwesenheit von NO2, das in NOx vorhanden ist, zu erhöhen. Wenn eine Kraftstoffmenge (d. h. Kohlenwasserstoff) in den Motorzylinder während des Expansionshubes injiziert wird, resultiert eine Oxidation von NO zu NO2 aus der chemischen Reaktion, die der folgenden Gleichung entspricht. NO + HO2 ⇒ NO2 + OH [1] wobei HO2 ein Radikal ist, das in einer relativ hohen Konzentration vorhanden ist, wenn Kraftstoff in das sich abkühlende verbrannte Gas aus dem Primärverbrennungsereignis injiziert wird, und ist bei der Oxidation von NO zu NO2 effektiv. HO2 steigt hauptsächlich aufgrund der chemischen Reaktion, die der folgenden Gleichung entspricht. HCO + O2 ⇒ CO + HO2 [2]
  • Ferner reagiert OH schnell mit in dem Kraftstoff vorhandenen Kohlenwasserstoffen, wobei mehr HO2 über mehrere Reaktionen erzeugt wird, die die chemischen Reaktionen enthalten, die den folgenden Gleichungen entsprechen. RH + OH ⇒ R + H2O [3] R + O2 ⇒ Alken + HO2 [4]
  • Es ist zu den Gleichungen 1–4 anzumerken, dass eine wechselseitige Sensibilisierung von Kohlenwasserstoff und NO-Oxidation besteht. Die Anwesenheit von NO beschleunigt eine Kohlenwasserstoffoxidation durch Umwandeln des relativ nichtreaktiven HO2 in hochreaktives OH, und die Kohlenwasserstoffoxidation beschleunigt eine NO-Oxidation durch Erzeugung von HO2. Eine OH-Konzentration nimmt aufgrund von Reaktionen mit den injizierten Kraftstoffmolekülen und Produkten der partiellen Oxidation des Kraftstoffes, wie Formaldehyd und Ethylen, ab. Daher erzeugt eine Injektion einer Menge von in den Zylinder injizierter Kraftstoffmasse während des Expansionshubes NO2 durch Oxidation von NO. Die Zunahme des NO2 kann den Speicherungswirkungsgrad der Nachbehandlungsvorrichtungen, wie NO-Fänger, erhöhen und kann auch die Wirksamkeit von Kohlenwasserstoff- und Harnstoff-SCR-Vorrichtungen steigern, wenn ein Oxidationskatalysator nicht aktiv ist und ein Magermotorbetrieb erwünscht ist. Zusätzlich können hohe NO2-Niveaus die Regeneration einer DPF-Vorrichtung unterstützen, wenn eine stromaufwärtige DOC-Vorrichtung zur NO-Oxidation nicht aktiv ist. Es sei angemerkt, dass das beispielhafte Verfahren Kraftstoffmasse in einen, alle oder einen Anteil der Zylinder in einem Mehrzylindermotor während des Expansionshubes injizieren kann, um NO2 in dem Abgaszustrom zu erzeugen.
  • Hier offenbarte Beispiele, die den beispielhaften NO2-Erzeugungszyklus verwenden, werden unter Verwendung eines beispielhaften Motormodells berechnet. Das Motormodell umfasst ein nulldimensionales Modell für Verbrennung mit homogener Kompressionszündung (HCCI) eines Motors mit sieben Zonen, das mit detaillierter chemischer Kinetik betrieben wird.
  • Das Verbrennungsmodell verwendet n-Heptan-Kraftstoff und ein Kompressionsverhältnis von 16,8. Das Verbrennungsmodell des beispielhaften Motormodells umfasst ein Ansaugventilschließen (IVC von engl.: ”intake valve closing”) von –138 Grad und ein Abgasventilöffnen (EVO) von 129 Grad. Das Motormodell wird dazu verwendet, einzelne geschlossene Motorzyklen von IVC zu EVO zu simulieren. Die Bohrung, der Hub und die Pleuelstangenabmessungen in dem beispielhaften Motormodell betragen 103 mm, 99 mm bzw. 163 mm. Es sei angemerkt, dass das Siebenzonen-Motormodell sechs Verbrennungszonen, in denen der größte Teil der Verbrennung stattfindet, und eine Spalte aufweist, in der eine partielle Kraftstoffoxidation stattfinden kann. Die sechste Modellzone repräsentiert denjenigen Teil des Hauptmotorzylinders, der sich benachbart des im Zylinder befindlichen Spalts befindet, der durch die siebte Modellzone repräsentiert ist. Ein Austausch von Masse und Energie wird zwischen der siebten Modellzone und der sechsten Modellzone zugelassen, wobei während des Motorbetriebs der Eintritt und der Austritt von Gasen von dem Hauptbrennraum in und aus dem Spalt simuliert wird. Zusätzlich stellt das beispielhafte Motormodell NO- und NO2-Massenanteile in dem Motorzylinder bei 30 Grad nach dem oberen Totpunkt (aTDC) ein, um die Modellabgas-NOx-Konzentration an die NOx-Konzentration anzupassen, die in einem tatsächlichen Motorabgas bei einem beispielhaften Motorbetriebszustand gemessen wird. Die Anpassung bereitet die Temperatur und die Zusammensetzung der Nachverbrennungsgase in dem Modell vor, um die Temperatur und die Zusammensetzung, die bei einem beispielhaften Betriebszustand des tatsächlichen Motorzyklus vorhanden sind, eng zu simulieren. Ferner beschreibt das beispielhafte Motormodell die Injektion verschiedener Mengen von injizierter Kraftstoffmasse aTDC während des Expansionshubes beginnend bei verschiedenen Kurbelwinkelstellen aTDC und andauernd für eine steuerbare Periode, wobei der Kraftstoff entweder gleichförmig oder ungleichförmig über die Zonen verteilt wird und augenblicklich verdampft. Es sei ferner angemerkt, dass das beispielhafte Motormodell für Testbedingungen verwendet worden ist, die eine ”Heavy-Duty Federal Testing Procedure” (HD-FTP) angeben. Das beispielhafte Motormodell kann auch für Testbedingungen verwendet werden, die die Federal Testing Procedure (FTP) angeben, oder Testbedingungen, die einen anderen Fahrzyklus oder Hubkolbenmotortyp angeben, indem spezifische Motortestbedingungen und -parameter in das Modell integriert werden.
  • 2 zeigt graphisch eine experimentelle Messung des resultierenden Prozentsatzes von NOx, der als NO2 vorhanden ist, und der NOx-Massenströmung in einem Abgaszustrom während des Betriebs einer beispielhaften Motortestvorrichtung, die aus einem herkömmlichen Dieselmotor und begleitender Steuer- und Testausstattung besteht, während der ersten 200 Sekunden des vorher erwähnten HD-FTP gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Testbedingungen des Motormodells geben Testbedingungen des HD-FTP an. Die Abszissenachse repräsentiert die Zeit (s), und die Ordinatenachse repräsentiert den Prozentsatz von NOx, der als NO2 in dem Abgaszustrom vorhanden ist. Über die ersten 200 Sekunden des Betriebs der beispielhaften Testvorrichtung ist es offensichtlich, dass der NO2-Prozentsatz und die NOx-Massenströmung in dem Abgaszustrom signifikant variieren. Es ist auch offensichtlich, dass der NO2-Prozentsatz, während er während der ersten 100 Sekunden einer signifikanten Variation ausgesetzt ist, für den größten Teil dieser Periode signifikant unterhalb 50% bleibt. Es sei angemerkt, dass sowohl der NO2-Prozentsatz als auch die NOx-Massenströmung abnehmen und sich generell zwischen 150 Sekunden und 200 Sekunden stabilisieren. Wie vorher erwähnt ist, ist ein NOx-Prozentsatz von 50% oder höher für eine Anzahl von NO2-Nachbehandlungsverfahren innerhalb des Nachbehandlungssystems vorteilhaft, insbesondere während dieser Aufwärmperiode, wenn andere Vorrichtungen, die dazu bestimmt sind, den NO2-Prozentsatz zu erhöhen, wie ein Oxidationskatalysator, eine zu geringe Temperatur aufweisen, um eine Umwandlung von NO zu NO2 innerhalb des Abgaszustroms zuzulassen.
  • Ein Satz von Anfangsbedingungen zur Verwendung mit dem Motormodell besteht aus experimentellen Daten, die von einer ersten Testbedingung erhalten werden, wenn die Zeit gleich im Wesentlichen 29,8 Sekunden nachdem Start des Betriebs der Motortestvorrichtung ist, wie in 2 gezeigt ist. Die erste Testbedingung, wenn die Zeit gleich im Wesentlichen 29,8 Sekunden beträgt, liegt während einer Periode des Aufwärmens vor, wie ein Kaltstartbetrieb für das beispielhafte Motormodell. Zu diesem Zeitpunkt ist die Konzentration von NOx in dem Abgaszustrom hoch, und das Verhältnis von NO2 zu NO ist geringer, als für NOx-Nachbehandlungsvorrichtungen erwünscht ist, wie nachfolgend beschrieben ist. Die erste Testbedingung umfasst einen Ansaugkrümmerabsolutdruck (MAP) von 1,46 bar, eine Motordrehzahl von 1664 U/min und eine Anfangstemperatur von 300 K, wobei CA-50 am TDC angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass CA-50 eine Messung des Kurbelwinkels ist, bei der 50% der Kraftstoffmasse, die ursprünglich in dem Brennraum vorhanden war, verbrannt ist. Ferner umfasst die erste Testbedingung, das die injizierte Kraftstoffmasse während der Primärinjektion 29,2 mg beträgt, der Rest der Abgasrückführung (AGR) 15 Molprozent beträgt, das Äquivalenzverhältnis (φ) 0,39 beträgt, in dem Abgaszustrom vorhandener O2 13,2% beträgt und die Menge an NOx, die in dem Abgaszustrom vorhanden ist, 400 ppm beträgt.
  • 3 zeigt graphisch einen Betrieb der beispielhaften Motortestvorrichtung während der ersten 200 Sekunden des HD-FTP und der resultierenden NOx-Massenströmung und des kumulativen NOx-Gehaltes, der in dem Abgaszustrom vorhanden ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Abszissenachse repräsentiert die Zeit (s), und die Ordinatenachse repräsentiert die NOx-Massenströmung (g/Probe) und ein gesamtes kumulatives NOx (g) innerhalb des Abgaszustromes, wobei die Abtastrate etwa einmal pro Sekunde ist. Es sei angemerkt, dass zum Zeitpunkt 29,8 Sekunden Bedingungen, die die oben beschriebene Testbedingung angeben, vorhanden sind. Ferner beträgt das gesamte kumulative NOx, das von dem Motor emittiert wird, gleich 3,34 g bei 200 Sekunden.
  • 4 zeigt graphisch ein Beispiel einer durchschnittlichen im Zylinder vorliegenden Temperatur während des Verbrennungsprozesses bei der ersten Testbedingung, die gemäß einem Kurbelwinkel aTDC für das beispielhafte Motormodell berechnet ist. Es sei angemerkt, dass, wenn kein Kraftstoff während des Expansionshubes injiziert wird, diese graphische Darstellung lediglich zeigt, dass die im Zylinder vorliegende Temperatur abnimmt, wenn die Kurbelwinkelstelle aTDC zunimmt, nachdem die Spitzenwärmefreisetzung von dem Primärverbrennungsereignis resultiert. Ferner ist die Temperatur während des größten Teils des Expansionshubes hoch genug (oberhalb 800 K), um zumindest eine gewisse Oxidation von Kraftstoff, der während des Expansionshubes injiziert wird, auszulösen.
  • Die 5 bis 11 zeigen graphisch Modellergebnisse der ersten Testbedingung, die eingestellte Testparameter aufweist, bei denen der NOx-Gehalt in dem Motormodell auf 397 ppm bei 30 Grad aTDC eingestellt ist und ein Verhältnis von NO2 zu NO in dem Modell aufweist, das so eingestellt ist, um 20 Prozent NOx, das aus NO2 vorhanden ist, in dem Abgaszustrom bei dem EVO in der Abwesenheit einer injizierten Kraftstoffmasse während des Expansionshubes zu erzielen, um den NOx-Gehalt an das Verhältnis von NO2 zu NOx, das in dem Motorabgaszustrom gemessen ist, gemäß der vorliegenden Erfindung anzupassen.
  • 5 zeigt graphisch Modellergebnisse für 1,0 mg injizierter Kraftstoffmasse bei verschiedenen Injektionsstart-(SOI-)Stellen gemäß eines Kurbelwinkels aTDC während des Expansionshubes eines Verbrennungsereignisses, das die erste Testbedingung repräsentiert, und den resultierenden Prozentsatz von NOx, der als NO2 in dem Abgaszustrom vorhanden ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Fachmann versteht, dass eine SOI-Stelle eine Stelle ist, bei der die injizierte Kraftstoffmasse injiziert wird. Die Abszissenachse repräsentiert die SOI-Stelle gemäß dem Kurbelwinkel aTDC (SOI, Grad aTDC), und die Ordinatenachse repräsentiert den Prozentsatz von NOx, der als NO2 vorhanden ist, bei dem EVO (Mol-% NO2 bei EVO). Der Prozentsatz von NOx, der als NO2 vorhanden ist, bei dem EVO wird nachfolgend als NO2-Prozentsatz bei EVO bezeichnet. Es sei angemerkt, dass der NO2-Prozentsatz bei EVO stark erhöht ist, wenn die 1,0 mg der Kraftstoffmasse während des Expansionshubes injiziert werden. Beispielsweise können 1,0 mg injizierter Kraftstoffmasse bei 30 Grad aTDC den NO2-Prozentsatz bei EVO auf bei oder nahezu 90 Prozent anheben, im Gegensatz zu dem eingestellten Testparameter des NO2-Prozentsatzes bei EVO bei 30 Prozent ohne eine injizierte Kraftstoffmasse während des Expansionshubes.
  • 6 zeigt graphisch Modellergebnisse für 1,0 mg injizierter Kraftstoffmasse an verschiedenen SOI-Stellen gemäß der Temperatur während des Expansionshubes eines Verbrennungsereignisses, das die erste Testbedingung repräsentiert, und den resultierenden Prozentsatz von NOx, der als NO2 vorhanden ist, und die Gesamtkohlenwasserstoffe, die in dem Abgaszustrom vorhanden sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Abszissenachse repräsentiert die Temperatur an der SOI-Stelle (Temperatur @ SOI, K), und die Ordinatenachse repräsentiert den NO2-Prozentsatz bei EVO (Mol-% NO2 bei EVO) und die Gesamtkohlenwasserstoffe (Gesamtkohlenwasserstoffe, ppm). Die Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration wird als eine äquivalente Konzentration von Propan, C3H8 ausgedrückt. Wie oben erwähnt ist, sei angemerkt, dass das beispielhafte Motormodell n-Heptan Kraftstoff mit einer chemischen Zusammensetzung von C7H16 verwendet. Es sei auch angemerkt, dass der NO2-Prozentsatz bei EVO von der Temperatur bei SOI mit einem breiten Maximum zwischen Temperaturen bei SOI von etwa 900 K bis 1200 K abhängt. Es sei auch angemerkt, dass die injizierte Kraftstoffmasse während des Expansionshubes zum Erreichen eines hohen NO2-Prozentsatzes bei EVO bei der ersten Testbedingung in einer Zunahme der Kohlenwasserstoffemissionen aufgrund unvollständiger Oxidation des injizierten Kraftstoffes resultiert. Die Zunahme der Kohlenwasserstoffemissionen kann bei dieser Bedingung durch Injektion des Kraftstoffes an einem SOI minimiert werden, die einer im Zylinder vorhandenen Temperatur von etwa 1300 K entspricht, die einem SOI von 30 Grad aTDC bei der ersten Testbedingung entspricht.
  • 7 zeigt graphisch Modellergebnisse für NO- und NO2-Durchschnittsmassenanteile vor und nach einer injizierten Kraftstoffmasse von 1,0 mg bei 56 Grad aTDC während eines Verbrennungsereignisses, das die erste Testbedingung repräsentiert, gemäß der vorliegenden Offenbarung. NO- und NO2-Durchschnittsmassenanteile ohne injizierte Kraftstoffmasse während des Expansionshubes sind ebenfalls gezeigt. Die Abszissenachse repräsentiert den Kurbelwinkel (Grad aTDC), und die Ordinatenachse repräsentiert den durchschnittlichen Massenanteil. Es sei angemerkt, dass eine gewisse Zeit erforderlich ist, damit NO und NO2 auf neue und höhere Durchschnittsmassenanteile bei und kurz nach einer Kurbelwinkelstelle von 30 Grad eingestellt werden, aufgrund nicht verbrannten Kraftstoffes, der den Spalt verlässt und in die sechste Zone eintritt, was in einer Oxidation von NO zu NO2 resultiert. Dies ist ein Gegenstand des Modellierungsverfahrens, das hier verwendet ist, bei dem die NO- und NO2-Massenanteile bei 30 Grad aTDC eingestellt werden, wie vorher beschrieben wurde, um den wesentlich höheren NOx-Massenanteil in den herkömmlichen Dieselmotoren im Vergleich zu dem geringen NOx-Massenanteil kurz vor der 30 Grad aTDC in HCCI-Motoren zu berücksichtigen. Es wird erwartet, dass die Oxidation von NO zu NO2 nach Kraftstoffinjektion auf eine ähnliche Weise in dem Motor stattfindet, wie die, die in den Modellergebnissen gezeigt ist, da die Konzentration von Sauerstoff und Verdünnungsstoffen (prinzipiell N2 CO2 und H2O) während des Expansionshubes in dem Modell und dem Motor gleich sind. Die Temperaturen sind wahrscheinlich ebenfalls etwa gleich, da dieselbe Kraftstoffmenge verbrannt wird, obwohl gewisse Unterschiede im Wärmeverlust zwischen dem Modell und dem Motor vorhanden sein können. 6 zeigt, dass die maximale Menge an NO2 über einen breiten Temperaturbereich bei SOI erzeugt wird, sodass erwartet wird, dass die Wirkung eines Unterschiedes der Temperaturhistorie zwischen dem Modell und dem tatsächlichen Motor auf die Umwandlung von NO zu NO2 klein ist. Es sei ferner angemerkt und gemäß dem hier offenbarten beispielhaften Verfahren, dass der durchschnittliche Massenanteil von NO2 drastisch zunimmt, wenn der durchschnittliche Massenanteil von NO abnimmt, sobald die Kraftstoffmasse bei einer Kurbelwinkelstelle von 56 Grad aTDC injiziert wird.
  • 8 veranschaulicht graphisch OH- und HO2-Durchschnittsmassenanteile vor und nach einer injizierten Kraftstoffmasse bei 56 Grad aTDC während eines Verbrennungsereignisses, was die erste Testbedingung gemäß der vorliegenden Offenbarung repräsentiert. Die OH- und HO2-Massenanteile ”ohne Injektion” entsprechen Modellierungsbedingungen, bei denen die NO- und NO2-Massenanteile nicht eingestellt sind, dass die NO- und NO2-Massenanteile in dem tatsächlichen Motorabgas übereinstimmen. Die OH- und HO2-Massenanteile ”ohne Injektion”, die den Modellierungsbedingungen entsprechen, bei denen die NO- und NO2-Massenanteile eingestellt sind, um die NO- und NO2-Massenanteile in dem tatsächlichen Motorabgas anzupassen, sind identisch mit den Konzentrationen von ”SOI = 56” zwischen 30 Grad aTDC und 56 Grad aTDC, und dann nehmen beide Konzentrationen kontinuierlich langsam nach 56 Grad aTDC ab. Die Abszissenachse repräsentiert den Kurbelwinkel (Grad aTDC), und die Ordinatenachse ist der durchschnittliche Massenanteil. Es sei angemerkt, dass die HO2- und OH-Massenanteile sehr schnell auf den neuen und höher eingestellten NOx-Massenanteil kurz nach 30 Grad aTDC aufgrund dessen Ansprechen, dass nicht verbrannter Kraftstoff den Spalt verlässt und in die sechste Modellzone eintritt, was in einer gewissen Oxidation von No zu NO2 resultiert. Wie oben diskutiert ist, repräsentiert die sechste Modellzone denjenigen Teil des Hauptmotorzylinders, der sich benachbart des im Zylinder befindlichen Spaltes befindet, der durch die siebte Modellzone repräsentiert ist. Das Ansprechen von HO2- und OH-Massenanteilen auf die eingestellten NO- und NO2-Massenanteile kurz nach 30 Grad aTDC überlagert sich nicht übermäßig, jedoch mit einer dramatischen Änderung der OH- und HO2-Massenanteile kurz nachdem die injizierte Kraftstoffmasse bei einem SOI von 56 Grad aTDC geliefert ist. Es sei angemerkt, dass nach injizierter Kraftstoffmasse bei 56 Grad aTDC der HO2-Massenanteil zunimmt und der OH-Massenanteil abnimmt. Wie oben unter Bezugnahme auf die Gleichungen 1–4 erwähnt ist, werden OH und HO2 durch viele Reaktionen erzeugt und verbraucht. Die OH Konzentration nimmt hauptsächlich aufgrund von Reaktionen mit injizierten Kraftstoffmolekülen und Partialoxidationsprodukten des Kraftstoffs ab. HO2 steigt hauptsächlich aufgrund von Gleichung 2 während der Oxidation der injizierten Kraftstoffmasse und erhöht somit die Rate der NO2-Produktion durch Gleichung 1.
  • Die 9 und 10 veranschaulichen graphisch Modellergebnisse, die durch Variation der Menge an injizierter Kraftstoffmasse bei zwei verschiedenen SOI während des Expansionshubes eines Verbrennungsereignisses erhalten werden, das die erste Testbedingung repräsentiert, und einen resultierenden NO2-Prozentsatz und Gesamtkohlenwasserstoffemissionen bei EVO gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Abszissenachse repräsentiert die injizierte Kraftstoffmasse (mg), und die Ordinatenachse repräsentiert den NO2-Prozentsatz bei EVO (Mol-% NO2 bei EVO) und Gesamtkohlenwasserstoffemissionen (ppm) bei EVO. Wie oben erwähnt ist, ist die Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration als eine äquivalente Konzentration von Propan, C3H8 ausgedrückt. Zurück Bezug nehmend auf 4 kann die Temperatur bestimmt werden, wenn die SOI-Stelle gemäß dem Kurbelwinkel bekannt ist. Es wird offensichtlich, dass ein höherer NO2-Prozentsatz bei EVO zu höheren Kohlenwasserstoffemissionen führt.
  • Bezug nehmend auf 9 ist die Variation der injizierten Kraftstoffmassenmenge bei einem SOI von 37,6 Grad aTDC während des Expansionshubes und ein resultierender NO2-Prozentsatz und Gesamtkohlenwasserstoffe bei EVO gezeigt, wobei die im Zylinder befindliche Temperatur bei SOI 1200 K beträgt. Es sei angemerkt, dass der maximale NO2-Prozentsatz bei EVO bei oder oberhalb etwa 0,5 mg injizierter Kraftstoffmasse für diesen SOI erzielt wird. Es sei auch angemerkt, dass, um gewünschte 50 NO2-Molprozent bei dieser Bedingung zu erreichen, die Injektion von etwa 0,15 mg injiziertem Kraftstoffes erforderlich ist, was in einer nur sehr moderaten Zunahme der Gesamtkohlenwasserstoffe bei EVO im Vergleich zu ohne Kraftstoffinjektion resultiert.
  • Bezug nehmend auf 10 ist eine Variation der Menge an injizierter Kraftstoffmasse bei einem SOI von 56 Grad aTDC während des Expansionshubes und ein resultierender NO2-Prozentsatz und Gesamtkohlenwasserstoffe bei EVO gezeigt, wobei die im Zylinder vorhandene Temperatur 1000 K beträgt. Es sei angemerkt, dass der maximale NO2-Prozentsatz bei EVO oberhalb etwa 1,0 mg injizierter Kraftstoffmasse für diesen SOI gehalten wird. Somit erfordert die Erhöhung des NO2-Prozentsatzes bei EVO eine größere Menge an injizierten Kraftstoffmasse während geringerer im Zylinder vorhandener Temperaturen bei SOI. Daher wird, wenn eine injizierte Kraftstoffmasse früher in dem Expansionshub injiziert wird, weniger Kraftstoffmasse erforderlich, um den NO2-Prozentsatz bei EVO zu erhöhen, was geringere Kohlenwasserstoffemissionen zur Folge hat.
  • Bei einem anderen Beispiel veranschaulich 11 graphisch 0,2 mg injizierter Kraftstoffmasse bei verschiedenen SOI-Stellen gemäß Temperatur während des Expansionshubes eines Verbrennungsereignisses, das die erste Testbedingung repräsentiert, und den resultierenden Prozentsatz von NOx, der als NO2 vorhanden ist, und der Gesamtkohlenwasserstoffe, die bei EVO vorhanden sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Abszissenachse repräsentiert die Temperatur an der SOI-Stelle (Temperatur @ SOI, K), und die Ordinatenachse repräsentiert den NO2-Prozentsatz bei EVO (Mol-% NO2 bei EVO) und die Gesamtkohlenwasserstoffe (Gesamtkohlenwasserstoffe, ppm bei EVO). Wie oben erwähnt ist, sei angemerkt, dass die Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration als eine äquivalente Konzentration von Propan, C3H8 ausgedrückt wird. Es sei angemerkt, dass die Kohlenwasserstoffemissionen über den Bereich von Injektionstemperaturen niedrig sind. Ferner ist es offensichtlich, dass die geringste Kohlenwasserstoffemission bei dem höchsten NO2-Prozentsatz bei EVO vorhanden ist.
  • Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform verwendet das beispielhafte Motormodell experimentelle Daten, die von einer zweiten Testbedingung genommen sind, wenn die Zeit gleich 71,8 Sekunden nach dem Start des Betriebs der Motortestvorrichtung ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die zweite Testbedingung, wenn die Zeit gleich 71,8 Sekunden ist, gibt eine Periode während eines Aufwärmens an, wenn Temperaturen in dem beispielhaften Motorabgassystem möglicherweise etwas höher als bei der ersten Testbedingung sind, die jedoch immer noch zu gering für einen effizienten Betrieb eines Oxidationskatalysators oder eines Dreiwegekatalysators sind, um NO zu NO2 umzuwandeln. Die. erste und zweite Bedingung sind zwei von mehreren Motorbedingungen, die modelliert worden sind, um den Effekt verschiedener Motorbetriebsbedingungen und daher verschiedener Temperaturen und Massenanteile von Sauerstoff, Kraftstoff und Verdünnungsstoffen und verschiedener NO2/NO-Verhältnisse bei der im Zylinder vorhandenen Umwandlung von NO zu NO2 zu ermitteln. Die beispielhafte zweite Testbedingung, wenn die Zeit gleich 71,8 Sekunden beträgt, umfasst einen MAP von 1,03 bar, eine Motordrehzahl von 1281 U/min und eine Anfangstemperatur bei 320 K, wobei TDC gleich CA-50 ist. Ferner umfasst der beispielhafte zweite Satz von Testbedingungen, wenn die Zeitgleich 71,8 Sekunden beträgt, dass die injizierte Kraftstoffmasse zur Primärverbrennung 15,9 mg beträgt, der AGR-Rest 15,4 Mol-% beträgt, φ gleich 0,31 ist, End-O2 in dem Abgaszustrom 16,1% beträgt und die Menge an NOx, die in dem Abgaszustrom vorhanden ist, 318 ppm beträgt.
  • Die 12–14 veranschaulichen graphisch Modellergebnisse der zweiten Testbedingung zum Zeitpunkt gleich 71,8 Sekunden, der eingestellte Testparameter aufweist, bei denen der NOx-Gehalt in dem Modell auf 318 ppm bei 30 Grad aTDC eingestellt ist, und mit einem Verhältnis von NO2 zu NOx in dem Modell, das auf einen Nutzen von 22% NOx, das als NO2 vorhanden ist, in dem Abgaszustrom bei EVO eingestellt ist.
  • 12 veranschaulicht graphisch eine injizierte Kraftstoffmasse von 0,2 mg bei verschiedenen SOI-Stellen gemäß der Temperatur während des Expansionshubes eines Verbrennungsereignisses und den resultierenden Prozentsatz von NOx, der als NO2 vorhanden ist, und der Gesamtkohlenwasserstoffe, die in dem Abgaszustrom vorhanden sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Abszissenachse repräsentiert die Temperatur bei der SOI-Stelle (Temperatur @ SOI, K), und die Ordinatenachse repräsentiert den NO2-Prozentsatz bei EVO (Mol-% NO2 bei EVO) und die Gesamtkohlenwasserstoffe (Gesamtkohlenwasserstoffe, ppm). Es sei angemerkt, dass die in 12 gezeigten Ergebnisse qualitativ ähnlich zu den in 11 gezeigten Ergebnissen sind, die die erste Testbedingung zum Zeitpunkt verwenden, der gleich 29,8 Sekunden ist. Jedoch sind der NO2-Prozentsatz und die Kohlenwasserstoffemissionen bei EVO während der zweiten Testbedingung zum Zeitpunkt gleich 71,8 Sekunden erhöht. Auf Grundlage der Ergebnisse von allen modellierten Testbedingungen ist dies aufgrund der geringeren anfänglichen NO- und NO2-Massenanteile bei SOI im Vergleich zu der ersten Testbedingung möglich. Es sei ferner unter Bezugnahme auf die 11 und 12 angemerkt, dass, wenn eine gewünschte Nachbehandlungsvorrichtung einen NO2-Prozentsatz bei EVO von 50% (d. h. ein NO2/NO-Verhältnis ist 1:1) erfordert, die injizierte Kraftstoffmasse von 0,2 mg später in dem Expansionshub zu erfolgen hat, wenn die Temperatur bei oder nahe 1150 K für die erste Testbedingung, beträgt, im Gegensatz zu irgendwo in dem Temperaturbereich von 750 K bis 1000 K für die zweite Testbedingung.
  • Die 13 und 14 veranschaulichen graphisch Modellergebnisse, die durch Variation der Menge an injizierter Kraftstoffmasse bei konstantem SOI während des Expansionshubes eines Verbrennungsereignisses, das die zweite Testbedingung repräsentiert, erhalten wurden, und einen resultierenden NO2-Prozentsatz bei EVO und Gesamtkohlenwasserstoffemissionen in dem Abgaszustrom gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Abszissenachse repräsentiert die injizierte Kraftstoffmasse (mg) und die Ordinatenachse repräsentiert den NO2-Prozentsatz bei EVO (Mol-% NO2 bei EVO) und Gesamtkohlenwasserstoffemissionen (ppm). Zurück Bezug nehmend auf 4 kann die im Zylinder vorliegende Temperatur bestimmt werden, wenn die SOI-Stelle gemäß dem Kurbelwinkel bekannt ist. Es ist offensichtlich, dass ein höherer NO2-Prozentsatz bei EVO zu höheren Kohlenwasserstoffemissionen führt. Zusätzlich erhöht die Erhöhung der Menge an injizierter Kraftstoffmasse den NO2-Prozentsatz bei EVO.
  • Bezug nehmend auf 13 sind Modellergebnisse für verschiedene Mengen an injizierter Kraftstoffmasse, die bei 36 Grad aTDC während des Expansionshubes injiziert wird, und ein resultierender NO2-Prozentsatz und Gesamtkohlenwasserstoffe bei NVO gezeigt, wobei die im Zylinder vorliegende Temperatur 1100 K bei SOI beträgt. Es sei angemerkt, dass der maximale NO2-Prozentsatz bei EVO bei oder oberhalb 0,5 mg injizierter Kraftstoffmasse erreicht wird.
  • Bezug nehmend auf 14 sind Modellergebnisse für verschiedene Mengen von injizierter Kraftstoffmasse, die bei 56 Grad aTDC während des Expansionshubes injiziert wird, und ein resultierender NO2-Prozentsatz und Gesamtkohlenwasserstoffe bei EVO gezeigt, wobei die im Zylinder vorliegende Temperatur 900 K bei SOI beträgt. Es sei angemerkt, dass der maximale NO2-Prozentsatz bei EVO bei oder oberhalb im Wesentlichen 0,75 mg injizierter Kraftstoffmasse gehalten wird. Somit erfordert eine Erhöhung des NO2-Prozentsatzes bei EVO größere Mengen an injizierter Kraftstoffmasse während geringerer im Zylinder vorliegender Temperaturen. Daher ist, wenn eine injizierte Kraftstoffmasse früher in dem Expansionshub injiziert wird, weniger Kraftstoffmasse erforderlich, um den NO2-Prozentsatz bei EVO zu erhöhen, was in geringeren Kohlenwasserstoffemissionen resultiert.
  • Tabelle 1 unten zeigt einige der chemischen Reaktionen, die bei der Niedertemperaturoxidation von n-Heptan betroffen sind, wobei die Zersetzung oxigenierter Zwischenverbindungen die Hauptroute darstellt, um OH zu erzielen. Tabelle 1
    n-C7H16 + OH ⇒ n-C7H15 + H2O H-Atomentnahme
    n-C7H15 + O2 ⇒ n-C7H15OO Sauerstoffaddition
    n-C7H15OO ⇒ n-C7H14OOH interne H-Atomentnahme
    n-C7H14OOH + O2 ⇒ OOC7H14OOH Sauerstoffaddition
    OOC7H14OOH ⇒ HOOC7H13OOH interne H-Atomentnahme
    HOOC7H13OOH ⇒ HOOC7H13O + OH Kettenverzweigung
    HOOC7H13O ⇒ OC7H13O + OH Kettenverzweigung
    n-C7H15 ⇒ C7H14 + HO2 Beenden der Kette
  • Tabelle 2 unten zeigt einige der chemischen Reaktionen, die bei einer Zwischen- und Hochtemperaturoxidation von n-Heptan betroffen ist, wobei die Wasserstoffperoxidzersetzung die Hauptroute darstellt, um OH zu erzielen. Es sei zu verstehen, dass RH eine beliebige Anzahl verschiedener Kohlenwasserstoffmoleküle betrifft, die H-Atom aufweisen, das an einem Kohlenstoffatom angebunden ist und R das entsprechende Kohlenwasserstoffmolekül betrifft, wobei das H-Atom nicht mehr angebunden ist. Tabelle 2
    H2O2 + M ⇒ OH + OH + M
    n-C7H16 + OH ⇒ C7H15 + H2O
    C7H15 ⇒ 1-C4H9 + C3H6
    1-C4H9 ⇒ C2H5 + C2H4
    C2H4 + OH ⇒ C2H3 + H2O
    C3H6 + OH ⇒ C3H5 + H2O
    C3H5 + HO2 ⇒ C3H5O + OH
    C3H5O ⇒ C2H3 + CH2O
    C2H3 + O2 ⇒ CH2O + HCO
    HCO + M ⇒ CO + H + M
    H + O2 + M ⇒ HO2 + M
    C7H15 + O2 ⇒ C7H14 + HO2
    HO2 + RH ⇒ H2O2 + R
  • 15 zeigt graphisch Kohlenwasserstoffemissionen und einen Prozentsatz von NO2 bei EVO, wenn Kraftstoff nur in die zweite der sieben Modellzonen injiziert wird. Eine injizierte Kraftstoffmasse von 1,0 mg wird in die zweite Zone des HCCI-Verbrennungsmodells des beispielhaften Motormodells an verschiedenen SOI-Stellen gemäß der Temperatur und dem resultierenden Prozentsatz von NOx, der als NO2 vorhanden ist, und der Gesamtkohlenwasserstoffe bei NVO gemäß der vorliegenden Offenbarung injiziert. Diese Modellberechnung repräsentiert einen extremen Fall der ungleichförmigen Kraftstoffverteilung, die resultiert, wenn ein echter Kraftstoffinjektor zur Kraftstoffinjektion während des Expansionshubes verwendet wird. Ein echter Kraftstoffinjektor injiziert nicht unbedingt Kraftstoff gleichförmig in alle Zonen, wie in den Modellierungsergebnissen angenommen wird, die in den 5–14 dargestellt sind. Die Abszissenachse repräsentiert die Temperatur an der SOI-Stelle (Temperatur @ SOI, K), und die Ordinatenachse repräsentiert den NO2-Prozentsatz bei EVO (Mol-% NO2 bei EVO) und die Gesamtkohlenwasserstoffe (Gesamtkohlenwasserstoffe, ppm). Es sei angemerkt, dass die Gesamtkohlenwasserstoffe, bei NVO vorhanden sind und daher in dem Abgaszustrom vorhanden sind, am höchsten sind, wenn der NO2-Prozentsatz bei EVO bei einem Maximum ist. Es sei angemerkt, dass der NO2-Prozentsatz klein ist, wenn 1 mg an Kraftstoff in nur eine der sieben Modellzonen injiziert wird, wie in 15 gezeigt ist, im Vergleich dazu, wenn 1 mg an Kraftstoff in alle sechs der Hauptmodellverbrennungszonen injiziert wird, wie in 6 gezeigt ist.
  • 16 zeigt schematisch ein beispielhaftes Nachbehandlungssystem 200, das eine erste Nachbehandlungsvorrichtung 210, eine zweite Nachbehandlungsvorrichtung 220 und ein Nachbehandlungssteuermodul 205 aufweist, wobei das Nachbehandlungssteuermodul 205 eine Programmierung aufweist, die erforderlich ist, um Eingaben in Verbindung mit dem Nachbehandlungssystem 200 zu verarbeiten, und Programmierung aufweisen kann, um die hier beschriebenen Verfahren einzusetzen. Es sei zu verstehen, dass das Nachbehandlungssteuermodul 205 eine überwachende Steuerung über das Nachbehandlungssystem 200 aufweist und in Kommunikation mit dem Motorsteuermodul 5 steht. Abhängig von den Systemanforderungen kann das Nachbehandlungssystem 200 ferner, jedoch nicht unbedingt notwendig, einen NOx-Fänger 212, einen stromaufwärtigen NOx-Sensor 230, einen stromabwärtigen NOx-Sensor 240, einen Temperatursensor 250 und ein Dosiermodul 260 aufweisen. Das Dosiermodul 260 ist ein Harnstoffdosiermodul, wenn eine Harnstoff-SCR-Vorrichtung verwendet wird. Zusätzlich kann das Dosiermodul 260 als ein Kohlenwasserstoffdosiermodul konfiguriert sein, wenn eine Kohlenwasserstoff-SCR-Vorrichtung verwendet wird. Harnstoff- und Kohlenwasserstoffdosiermodule sind in der Technik bekannt und hier nicht detailliert beschrieben. Der Temperatursensor 250 ist in einem Gebiet angeordnet gezeigt, um Abgasströmungstemperaturen in dem Nachbehandlungssystem 200 zu erzielen.
  • In Betracht gezogene Ausführungsformen umfassen die erste Nachbehandlungsvorrichtung 210, die als ein NOx-Behandlungskatalysator konfiguriert ist. Der NOx-Behandlungskatalysator kann als eine Dreiwegekatalysator-(TWC-)Vorrichtung konfiguriert sein. Ein TWC führt eine Anzahl katalytischer Funktionen aus, die zur Nachbehandlung eines Abgaszustromes notwendig sind. Der TWC wird insbesondere bei Benzinanwendungen verwendet. In Verbindung mit der ersten Nachbehandlungsvorrichtung 210, die als eine TWC-Vorrichtung konfiguriert ist, verwendet der NOx-Fänger 212 Katalysatoren, die zum Speichern einer gewissen Menge an NOx fähig sind. Es sei angemerkt, dass, obwohl der NOx-Fänger 212 stromabwärts der TWC-Vorrichtung (d. h. der ersten Nachbehandlungsvorrichtung 212) gezeigt ist, der NOx-Fänger 212 zusätzlich direkt an der TWC-Vorrichtung befestigt oder stromaufwärts der TWC-Vorrichtung positioniert sein kann. Es sei ferner angemerkt, dass der NOx-Behandlungskatalysator als eine Dieseloxidationskatalysator-(DOC-)Vorrichtung konfiguriert sein kann, wobei die DOC-Vorrichtungen insbesondere in Dieselanwendungen verwendet werden.
  • Bei beispielhaftes Verfahren umfasst die Verwendung eines Mager-NOx-Fängers 212, um NOx-Emissionen während kraftstoffarmen Betriebsabläufen zu speichern, und dann ein Spülen des gespeicherten NOx während kraftstoffreicher Motorbetriebsbedingungen mit höherer Temperatur mit einer herkömmlichen Dreiwegekatalyse zu Stickstoff und Wasser. Jedoch beschränkt die Verwendung eines NOx-Fängers zur Speicherung von NOx während des Kaltstartbetriebs, wenn die Temperatur gering ist, eine NOx-Speicherung auf NO2, bis die TWC-Vorrichtung (d. h. erste Nachbehandlungsvorrichtung 210) aufgewärmt ist. Zusätzlich umfassen während Heißstartbetriebsabläufen bekannte Verfahren ein Starten mit fetter Kraftstofflieferung, um stöchiometrische Bedingungen über die TWC-Vorrichtung zu erreichen, sodass durch den NOx-Fänger 212 gespeichertes NOx zu N2 reduziert werden kann. Es sei jedoch angemerkt, dass es schwierig sein kann, Luft/Kraftstoff Verhältnisse in dem Abgaszustrom unter Verwendung einer Motorkraftstofflieferung während der Startperiode zu steuern.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird der NOx-Fänger 212 dazu verwendet, NOx während Perioden des Kaltstartbetriebs zu speichern, während der Motor 10 überstöchiometrisch arbeitet. Es sei angemerkt, dass die TWC-Vorrichtung (d. h. erste Nachbehandlungsvorrichtung 210) während Perioden des Kaltstartbetriebs nicht erwärmt wird, wobei die Aufwärmperiode 10 bis 20 Sekunden oder sogar länger für Dieselmotoranwendungen dauern kann. Daher gelangen NO und NO2, die in dem Abgaszustrom enthalten sind, durch die TWC-Vorrichtung (d. h. erste Nachbehandlungsvorrichtung 210), ohne zu N2 reduziert zu werden. Zusätzlich besteht ein Großteil des in dem Abgaszustrom vorhandenen NOx aus NO, das nicht in dem Speichermaterial des NOx-Fängers 212 gespeichert werden kann. Aufgrund geringer Betriebstemperaturen, wenn ein Oxidationskatalysator in der TWC-Vorrichtung nicht erwärmt ist, kann NO nicht zu NO2 oxidiert werden, und daher kann NOx nicht an dem Speichermaterial des NOx-Fängers 212 gespeichert werden. Daher ist es erwünscht, ein Verhältnis von NO2 zu NO von im Wesentlichen insgesamt NO2 in dem Abgaszustrom zu haben, um NO2 an dem Speichermaterial des NOx-Fängers 212 zu speichern. Durch Verwendung des beispielhaften NO2-Erzeugungszyklus kann das Verhältnis von NO2 zu NO auf im Wesentlichen insgesamt NO2 durch Injektion einer kleinen Kraftstoffmenge in den Zylinder nach dem Primärverbrennungsereignis während des Expansionshubes erhöht werden, und somit kann NO2 an dem Speichermaterial des NOx-Fängers 212 während der Aufwärmperiode (d. h. während des Kaltstartbetriebs) und während Perioden eines überstöchiometrischen Motorbetriebs gespeichert werden. Nach der Aufwärmperiode kann der NOx-Fänger 212 durch Spülen des gespeicherten NOx während kraftstoffreicher Motorbetriebsbedingungen bei höherer Temperatur mit herkömmlicher Dreiwegekatalyse zu Stickstoff und Wasser regeneriert werden.
  • Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der NOx-Fänger 212 verwendet, um NOx während Perioden eines Heißstartbetriebes zu speichern, während der Motor 10 überstöchiometrisch arbeitet. Es sei angemerkt, dass die TWC-Vorrichtung (d. h. erste Nachbehandlungsvorrichtung 210) allgemein gespeicherten Sauerstoff während des Heißstartbetriebes enthält, wobei die bekannte Verfahren den Motor mit fetter Kraftstofflieferung starten, um stöchiometrische Bedingungen über die TWC-Vorrichtung zu erzielen, um NOx in dem Abgaszustrom zu N2 zu reduzieren. Es sei jedoch ferner anzumerken, dass es schwierig ist, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Abgaszustrom unter Verwendung der Kraftstoffbelieferung (d. h. Kohlenwasserstoffen) während Perioden des Startbetriebs zu steuern. Bei dem beispielhaften Verfahren wird der Motor überstöchiometrisch betrieben, und das Verhältnis von NO2 zu NO wird erhöht, um NO2, das in dem NOx vorhanden ist, effizient zu speichern, wobei es anzumerken ist, dass NO an dem Speichermaterial des NOx-Fängers 212 nicht effizient gespeichert wird. Daher ist es erwünscht, ein Verhältnis von NO2 zu NO von im Wesentlichen insgesamt NO2 in dem Abgaszustrom zu haben, um NO2 an dem Speichermaterial des Mager-NOx-Fängers zu speichern. Durch Verwendung des beispielhaften NO2-Erzeugungszyklus kann das Verhältnis von NO2 zu NO auf im Wesentlichen insgesamt NO2 durch Injektion einer kleinen Menge an Kraftstoff in dem Zylinder nach dem Primärverbrennungsereignis während des Expansionshubes erhöht werden, und somit kann NO2 an dem Speichermaterial des NOx-Fängers 212 während der Startperiode gespeichert werden. Nach der Startperiode können die Motorbetriebsbedingungen die stöchiometrischen Betriebsabläufe wieder aufnehmen, und der NOx-Fänger 212 kann regeneriert werden.
  • In Betracht gezogene Ausführungsformen umfassen die zweite Nachbehandlungsvorrichtung 220, die als eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) konfiguriert ist. Es sei ferner angemerkt, dass in Betracht gezogene Ausführungsformen eine SCR-Vorrichtung, die Harnstoff als ein Reduktionsmittel verwendet, um NOx in N2 und Wasser zu reduzieren (nachfolgend eine Harnstoff-SCR-Vorrichtung), oder eine SCR-Vorrichtung aufweisen können, die Kohlenwasserstoffe als ein Reduktionsmittel verwendet, um NOx in N2 und Wasser zu reduzieren (nachfolgend eine Kohlenwasserstoff-SCR-Vorrichtung). Das Dosiermodul 260 ist ein Harnstoffdosiermodul, wenn die Ausführungsform die Harnstoff-SCR-Vorrichtung aufweist. Ähnlicherweise ist das Dosiermodul 260 ein Kohlenwasserstoffdosiermodul, wenn die Ausführungsform die Kohlenwasserstoff-SCR-Vorrichtung aufweist. Der stromaufwärtige NOx-Sensor 230 detektiert und quantifiziert NOx in der Abgasströmung, die in das Nachbehandlungssystem 200 eintritt. Während der stromaufwärtige NOx-Sensor 230 als ein beispielhaftes Mittel zur Quantifizierung von in das Nachbehandlungssystem 200 eintretendem NOx gezeigt ist, sei angemerkt, dass in das System eintretendes NOx zur Verwendung bei einer Bewertung des Umwandlungswirkungsgrades in einer SCR-Vorrichtung (d. h. der zweiten Nachbehandlungsvorrichtung 220) durch andere Mittel, beispielsweise durch einen NOx-Sensor, der zwischen der ersten (d. h, TWC-Vorrichtung) und zweiten Nachbehandlungsvorrichtung 210 bzw. 220 angeordnet ist, oder durch einen virtuellen NOx-Sensor quantifiziert werden kann, der einen Motorausgang und Bedingungen in dem Abgaszustrom modelliert, um die Anwesenheit von NOx, das in das Nachbehandlungssystem 210 eintritt, zu schätzen.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine zweite Nachbehandlungsvorrichtung 220 als eine Harnstoff-SCR-Vorrichtung konfiguriert. Während Perioden eines Magermotorbetriebs und während geringer Betriebstemperaturen ist es bekannt, dass das gewünschte Molverhältnis von NO2 zu NO für einen optimalen NOx-Umwandlungswirkungsgrad für eine Harnstoff-SCR-Vorrichtung Eins zu Eins ist. Wie oben erwähnt ist, sind nur ein Viertel bis zu einem Drittel des NOx, das in einem Abgaszustrom vorhanden ist, NO2. Daher ist es erwünscht, das Molverhältnis von NO2 zu NO in dem Abgaszustrom auf Eins zu Eins für eine optimale Umwandlung von NOx zu N2 und Wasser zu erhöhen. Durch Verwendung des beispielhaften NO2-Erzeugungszyklus kann das Verhältnis von NO2 zu NO auf im Wesentlichen Eins zu Eins durch Injektion einer kleinen Menge an injizierter Kraftstoffmasse in den Zylinder nach dem Primärverbrennungsereignis während des Expansionshubes erhöht werden, und somit kann die Harnstoff-SCR-Vorrichtung effizient NOx zu N2 und Wasser umwandeln (siehe 11 und 12). Es sei angemerkt, dass die in den Brennraum injizierte Kraftstoffmasse nach dem Primärverbrennungsereignis die Erzeugung von HO2 zur Folge hat, was eine Oxidation von NO, das in dem Brennraum vorhanden ist, unterstützt, um NO2 zu erzeugen (siehe Gleichungen 1–4). Alternativ dazu kann ein NO2-Erzeugungszyklus eine Injektion einer zusätzlichen Kraftstoffmasse nach dem Primärverbrennungsereignis in eine Mehrzahl von Zylindern, die kleiner als die Gesamtzahl von Zylindern in einem Mehrzylindermotor ist, umfassen. Dieser alternative NO2-Erzeugungszyklus ist anwendbar, wenn das gewünschte Abgaszustromverhältnis von NO2 zu NO kleiner als im Wesentlichen insgesamt NO2 ist. Daher kann eine Injektion, einer zusätzlichen Kraftstoffmasse nach dem Primärverbrennungsereignis in eine Mehrzahl von Zylindern, die kleiner als eine Gesamtzahl von Zylindern ist, angewendet werden, wenn die zweite Nachbehandlungsvorrichtung 220 als die Harnstoff-SCR Vorrichtung konfiguriert ist, da das gewünschte Molverhältnis von NO2 zu NO für einen optimalen NOx-Umwandlungswirkungsgrad für die Harnstoff-SCR-Vorrichtung Eins zu Eins ist.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die zweite Nachbehandlungsvorrichtung 220 als eine Kohlenwasserstoff-SCR-Vorrichtung konfiguriert. Kohlenwasserstoff-SCR-Vorrichtungen (d. h. die zweite Nachbehandlungsvorrichtung 220) können ein Silber-Aluminiumoxid-Katalysatorsystem verwenden, um in dem Abgaszustrom vorhandenes NOx zu N2 und Wasser reduzieren. Es sei angemerkt, dass Silber-Aluminiumoxid-Katalysatorsysteme eine wesentlich höhere NO2-Umwandlung zu N2 bei geringen Betriebstemperaturen besitzen, als eine NO-Umwandlung zu N2. Es sei ferner angemerkt, dass eine Niedertemperaturaktivität bei Magerverbrennungs-Benzin- und Dieselnachbehandlungssystemen äußerst wichtig ist. Daher ist es während überstöchiometrischer Motorbetriebsbedingungen und während geringer Betriebstemperaturen erwünscht, das Verhältnis von NO2 zu NO auf im Wesentlichen insgesamt NO2 in dem Abgaszustrom anzuheben, um den Umwandlungswirkungsgrad von NOx zu N2 und Wasser unter Verwendung einer Kohlenwasserstoff-SCR-Vorrichtung, die ein Silber-Aluminiumoxid-Katalysatorsystem aufweist, zu erhöhen. Durch Verwendung des beispielhaften NO2-Erzeugungszyklus kann das Verhältnis von NO2 zu NO auf im Wesentlichen insgesamt NO2 durch Injektion einer kleinen Menge an Kraftstoff in den Zylinder nach dem Primärverbrennungsereignis während des Expansionshubes erhöht werden, und somit kann das Silber-Aluminiumoxid-Katalysatorsystem NOx effizient zu N2 und Wasser umwandeln. Beispielsweise können 1,0 mg an injizierter Kraftstoffmasse in den Zylinder während des Expansionshubes bei oder um 38 Grad aTDC (siehe 5 und 6) injiziert werden. Es sei angemerkt, dass die in den Brennraum injizierte Kraftstoffmasse nach dem Primärverbrennungsereignis die Erzeugung von HO2 zur Folge hat, das eine Oxidation von NO, das in dem Brennraum vorhanden ist, unterstützt, um NO2 zu erzeugen. (siehe Gleichungen 1–4).
  • In Betracht gezogene Ausführungsformen umfassen ferner die erste Nachbehandlungsvorrichtung 210, die als eine DOC-Vorrichtung 210 konfiguriert ist, und die zweite Nachbehandlungsvorrichtung 220, die als eine DPF-Vorrichtung konfiguriert ist, wobei das Nachbehandlungssystem 200 ein Dieselnachbehandlungssystem ist. Zusätzlich kann die zweite Nachbehandlungsvorrichtung 220 eine SCR-Vorrichtung zusätzlich zu der DPF-Vorrichtung aufweisen. Es ist bekannt, dass eine höhere NO2-Anwesenheit in dem Abgaszustrom die Regeneration einer DPF-Vorrichtung (d. h. zweite Nachbehandlungsvorrichtung 220) insbesondere dann unterstützt, wenn magere Luft/Kraftstoff-Verhältnisse erwünscht sind, wie beim Dieselmotorbetrieb. Wie oben erwähnt ist, sei ferner angemerkt, dass Oxidationskatalysatoren (d. h. erste Nachbehandlungsvorrichtung 210, die als ein DOC konfiguriert ist), die unter anderem zur Erhöhung der NO2-Anwesenheit in dem Abgaszustrom durch Oxidation von NO verwendet werden, bei geringen Temperaturen, wie während des Motorstarts ineffektiv sein können. Daher ist eine Erhöhung des Verhältnisses von NO2 zu NO auf im Wesentlichen insgesamt NO2 während des Motorstarts aufgrund der Ineffektivität von Oxidationskatalysatoren vor dem Aufwärmen erwünscht. Durch Verwendung des beispielhaften NO2-Erzeugungszyklus kann das Verhältnis von NO2 zu NO auf im Wesentlichen insgesamt NO2 durch Injektion einer kleinen Menge an Kraftstoff in den Zylinder nach dem Primärverbrennungsereignis während des Expansionshubes erhöht werden, und somit kann die DPF-Vorrichtung (d. h. zweite Nachbehandlungsvorrichtung 210) effizient regeneriert werden. Es sei angemerkt, dass die Injektion von Kraftstoffmasse in den Brennraum nach denn Primärverbrennungsereignis die Erzeugung von HO2 zur Folge hat, die eine Oxidation von NO, das in dem Brennraum vorhanden ist, unterstützt, um NO2 zu erzeugen (siehe Gleichungen 1–4).
  • Ferner können unabhängig davon, ob die erste Nachbehandlungsvorrichtung 210 ein NOx-Behandlungskatalysator ist, der als eine DOC-Vorrichtung oder eine TWC-Vorrichtung, die Oxidationskatalysatoren aufweist, konfiguriert ist, die Metalle der Platingruppe, die in den Oxidationskatalysatoren verwendet werden, sehr teuer sein. Somit ist es erwünscht, die Beladung der Metalle der Platingruppe, die in den Oxidationskatalysatoren verwendet werden, zu beschränken. Wie oben diskutiert ist, hängt die Effizienz und Wirksamkeit verschiedener Nachbehandlungsvorrichtungen, die zur NOx-Reduktion in einem Nachbehandlungssystem verwendet werden, von einem hohen Verhältnis von NO2 zu NO in dem Abgaszustrom ab. Jedoch verringert eine Verringerung der Beladung von Metallen der Platingruppe in den Oxidationskatalysatoren die Effizienz und die Fähigkeit zur Oxidation von NO zu NO2 in einem Abgaszustrom. Daher ist es erwünscht, das Verhältnis von NO2 zu NO in einem Abgaszustrom zu erhöhen, während die Beladung von Platinmetallen, die in den Oxidationskatalysatoren verwendet werden, beschränkt wird. Durch Verwendung des beispielhaften NO2-Erzeugungszyklus kann das Verhältnis von NO2 zu NO in dem Abgaszustrom durch Injektion einer kleinen Menge an Kraftstoff in den Zylinder nach dem Primärverbrennungsereignis während des Expansionshubs erhöht werden. Es sei angemerkt, dass der beispielhafte NO2-Erzeugungszyklus während des Kaltmotorstarts und zusätzlich, nachdem der Motor aufgewärmt worden ist, oder während des Heißmotorstarts verwendet werden kann.
  • Die hier beschriebenen Verfahren betreffen eine Erhöhung des Verhältnisses von NO2 zu NO durch NO2-Erzeugunszyklen unter Verwendung von injizierter Kraftstoffmasse während des Expansionshubes eines Verbrennungsereignisses, um die Effektivität von Nachbehandlungsvorrichtungen in einem Nachbehandlungssystem zu erhöhen. Es sei angemerkt, dass diese Verfahren mit Motoren mit homogener Kompressionszündung vorstellbar sind. Jedoch sind die hier offenbarten Verfahren gleichermaßen auf funkengezündete und kompressionsgezündete Motoren anwendbar.
  • Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen daran beschrieben. Weitere Modifikationen und Abwandlungen können beim weiteren Lesen und Verstehen der Beschreibung offensichtlich werden. Daher ist es beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die bestimmte(n) Ausführungsform(en) beschränkt ist, die als die beste Art offenbart sind, die zur Ausführung dieser Offenbarung denkbar ist, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen, die in den Schutzumfang der angefügten Ansprüche fallen, umfasst.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Reduzieren von NOx-Emissionen in einem Antriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor mit einem Brennraum und ein Nachbehandlungssystem umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Überwachen eines Ist-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO; Überwachen eines Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO; Vergleichen der Ist- und der Soll-Abgaszustromverhältnisse von NO2 zu NO; und selektives Auslösen eines NO2-Erzeugungszyklus auf Grundlage des Vergleichs der Ist- und der Sollabgaszustromverhältnisse von NO2 zu NO, was eine Injektion von Kraftstoffmasse in den Brennraum nach einem Primärverbrennungsereignis umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO umfasst: Überwachen eines Betriebs des Motors; Bestimmen einer gewünschten Motor-NOx-Nachbehandlungsvorrichtung auf Grundlage des Betriebs des Motors; und Auswahl des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO auf Grundlage der gewünschten Motor-NOx-Nachbehandlungsvorrichtung.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der gewünschten Motor-NOx-Nachbehandlungsvorrichtung umfasst: Verwenden eines NOx-Behandlungskatalysators und eines Mager-NOx-Fängers während Perioden eines Kaltstartbetriebes und eines überstöchiometrischen Motorbetriebs; wobei das Auswählen des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO umfasst: während der Perioden eines Kaltstartbetriebs und überstöchiometrischen Motorbetriebs Auswahl des Soll-Abgaszustromverhältnisses Von NO2 zu NO als im Wesentlichen insgesamt NO2 zur Speicherung von NO2 an dem Mager-NOx-Fänger.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der gewünschten Motor-NOx-Nachbehandlungsvorrichtung umfasst: Verwenden eines NOx-Behandlungskatalysators und eines Mager-NOx-Fängers während Perioden eines Heißstartbetriebes und eines überstöchiometrischen Motorbetriebs; wobei das Auswählen des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO umfasst: während Perioden eines Heißstartbetriebes und eines überstöchimetrischen Motorbetriebs Auswahl des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO als im Wesentlichen insgesamt NO2 zur Speicherung von NO2 an dem Mager-NOx-Fänger.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der gewünschten Motor-NOx-Nachbehandlungsvorrichtung umfasst: Verwenden einer harnstoffselektiven Vorrichtung für katalytische Reduktion während Perioden eines Aufwärmens des Nachbehandlungssystems und überstöchiometrischen Motorbetriebs; wobei das Auswählen des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO umfasst: während der Perioden des Aufwärmens des Nachbehandlungssystems und des überstöchiometrischen Motorbetriebs Auswählen des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO auf ein Molverhältnis von NO2 zu NO von im Wesentlichen Eins zu Eins.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der gewünschten Motor-NOx-Nachbehandlungsvorrichtung umfasst: Verwenden einer kohlenwasserstoffselektiven Vorrichtung für katalytische Reduktion während Perioden eines Aufwärmens des Nachbehandlungssystems und überstöchiometrischen Motorbetriebs; wobei das Auswählen des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO umfasst: während der Perioden eines Aufwärmens des Nachbehandlungssystems und überstöchiometrischen Motorbetriebs Auswählen des gewünschten Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO als im Wesentlichen insgesamt NO2.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das kohlenwasserstoffselektive System für katalytische Reduktion einen Silber-Aluminiumoxid-Katalysator umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der gewünschten Motor-NOx-Nachbehandlungsvorrichtung umfasst: Verwenden eines Dieselpartikelfilters und eines Oxidationskatalysators stromaufwärts des Dieselpartikelfilters; wobei das Auswählen des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO umfasst: Auswählen des Soll-Abgaszustromverhältnisses von NO2 zu NO als im Wesentlichen insgesamt NO2 während eines Aufwärmens der Nachbehandlungsvorrichtung.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Erzeugen von HO2 aus der in den Brennraum injizierten Kraftstoffmasse nach einem Primärverbrennungsereignis; und Verwenden des erzeugten HO2 zur Oxidation von in dem Brennraum vorhandenem NO, um NO2 zu erzeugen.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Injektion der Kraftstoffmasse in den Brennraum nach dem Primärverbrennungsereignis eine Injektion einer zusätzlichen Kraftstoffmasse nach dem Primärverbrennungsereignis in eine Mehrzahl von Zylindern, die kleiner als die Gesamtzahl von Zylindern in einem Mehrzylindermotor ist, umfasst, wenn das Soll-Abgaszustromverhältnis von NO2 zu NO kleiner als im Wesentlichen insgesamt NO2 ist.
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