DE102012209378B4 - Verfahren zum betreiben eines verbrennungsmotors mit funkenzündung und direkteinspritzung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der mit einem Abgasnachbehandlungssystem (40) gekoppelt ist, das einen katalytischen Dreiwegewandler (42) stromaufwärts eines NH3-SCR-Katalysators (44) aufweist, umfassend, dass: dann, wenn eine Motorlast detektiert wird, die einen Betrieb in einem Kraftstoffabschaltmodus zulässt, der Motor (10) in dem Kraftstoffabschaltmodus betrieben wird und gleichzeitig ein Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschema mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken ausgeführt wird, wobei der Motor (10) dann in dem Kraftstoffabschaltmodus betrieben wird und gleichzeitig das Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschema mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken ausgeführt wird, wenn eine NH3-Speicherung in dem NH3-SCR-Katalysator (44) geringer als ein Schwellenwert ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem katalytischen Dreiwegewandler und einem NH3-SCR-Katalysator aufweist.
  • HINTERGRUND
  • Bekannte Verbrennungsmotoren, die ausgebildet sind, um überstöchiometrisch zu arbeiten, sind mit Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet, die katalytische Dreiwegewandler und Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion mit Ammoniak (NH3-SCR-Katalysatoren) umfassen, um Bestandteile in dem Abgaszustrom zu behandeln. Solche bekannte Systeme erzeugen und speichern Ammoniak an einer katalytischen Oberfläche des NH3-SCR-Katalysators, damit dieser mit den Abgasen reagiert. Das Ammoniak kann erzeugt werden, indem ein reichhaltiger Abgaszustrom unter speziellen Motorbetriebsbedingungen stromaufwärts eines NH3-SCR-Katalysators durch einen katalytischen Dreiwegewandler geleitet wird. Das gespeicherte Ammoniak reduziert Stickstoffoxid-Moleküle (NOx-Moleküle) in dem Abgaszustrom zu elementarem Stickstoff und Wasser unter einem Bereich von Betriebsbedingungen, die der Temperatur und der Strömungsrate zugeordnet sind. Das gespeicherte Ammoniak kann von einem NH3-SCR-Katalysator getrennt werden und unter speziellen Betriebsbedingungen in den Abgaszustrom eintreten. Dies wird als ein Ammoniakschlupf bezeichnet.
  • Bekannte Verbrennungsmotoren führen während Fahrzeug-Verlangsamungsereignissen eine teilweise oder vollständige Kraftstoffabschaltung aus, wenn eine Drehmomentanforderung eines Bedieners geringer als ein Schwellenwert ist, wobei sich der Motor weiterhin dreht oder auch nicht. Ein solcher Betrieb verringert und ändert die Strömung der Abgasbestandteile zu einem Abgasnachbehandlungssystem, was verringerte Temperaturen und eine damit verbundene verringerte Umwandlungseffizienz in dem Abgasnachbehandlungssystem bewirken kann. Während des nachfolgenden Motorbetriebs können Motorsteuerschemata erforderlich sein, um bei einer nicht optimalen Kraftstoffzufuhr und bei nicht optimalen Betriebspunkten zum Erhöhen der Umwandlungseffizienz zu arbeiten.
  • Die DE 10 2010 008 048 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, bei welchem dann, wenn die Temperatur eines Katalysators unterhalb eines Schwellenwerts liegt, eine Lamba-Split-Kraftstoffeinspritzstrategie aktiviert wird, bei der zwei Kraftstoffpulse und eine nach spät verstellte Zündung vorgesehen sind.
  • In der DE 199 63 929 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei dem im Schubbetrieb des Motors in einen Zylinder des Motors Kraftstoff eingespritzt wird, um eine Auskühlung eines Katalysators zu verhindern.
  • Die DE 103 15 476 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren.
  • Auch in der DE 102 53 979 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei welchem durch eine Auswahl einer von mehreren Maßnahmen verhindert werden soll, dass ein Katalysator eine bestimmte Temperatur unterschreitet. Die Maßnahmen umfassen unter anderem eine Beeinflussung einer Abgasrückführung und eine Veränderung der Kraftstoffeinspritzung.
  • Die US 2003/0 033 800 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung anzugeben, mit welchem die Effizienz eines Abgasnachbehandlungssystems des Motors verbessert wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Verbrennungsmotor mit Funkenzündung und Direkteinspritzung ist mit einem Abgasnachbehandlungssystem gekoppelt, das einen katalytischen Dreiwegewandler stromaufwärts eines NH3-SCR-Katalysators aufweist. Ein Verfahren zum Betreiben des Motors umfasst, dass der Motor in einem Kraftstoffabschaltmodus betrieben wird und gleichzeitig ein Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschema mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken ausgeführt wird, wenn eine Motorlast detektiert wird, die den Betrieb in dem Kraftstoffabschaltmodus zulässt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
  • 1 einen Verbrennungsmotor mit Funkenzündung und Direkteinspritzung (SIDI-Motor) gemäß der Offenbarung darstellt, der mit einem Abgasnachbehandlungssystem gekoppelt und signaltechnisch sowie funktional mit einem Steuermodul verbunden ist;
  • 2 ein Motorsteuerschema zum Überwachen und Betreiben einer Ausführungsform des SIDI-Motors mit einem Abgasnachbehandlungssystem gemäß der Offenbarung darstellt; und
  • 3–5 jeweils Daten gemäß der Offenbarung darstellen, die mit dem Betrieb eines Fahrzeugs verbunden ist, das mit dem unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen SIDI-Motor ausgestattet ist, der eine Ausführungsform des unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Steuerschemas ausführt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, zeigt 1 schematisch einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit Funkenzündung und Direkteinspritzung (SIDI-Verbrennungsmotor) 10, der fluidisch mit einem Abgasnachbehandlungssystem 40 und signaltechnisch sowie funktional mit einem Steuermodul 50 verbunden ist. Der SIDI-Motor 10 ist ausgebildet, um gemäß einem Viertakt-Verbrennungszyklus, der wiederholt ausgeführte Einlass-, Kompressions-, Zündungs- und Auslasstakte umfasst, oder gemäß einem beliebigen anderen Verbrennungszyklus zu arbeiten. Das Abgasnachbehandlungssystem 40 ist als ein passives NH3-SCR-System ausgebildet, das einen katalytischen Dreiwegewandler (TWC) 42 aufweist, der bei einer Ausführungsform mit einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion mit Ammoniak (NH3-SCR-Katalysator) 44 fluidisch gekoppelt und stromaufwärts von diesem angeordnet ist.
  • Es ist ein einzelner Zylinder 12 des SIDI-Motors 10 dargestellt. Der SIDI-Motor 10 umfasst vorzugsweise einen Einlasskrümmer 14, eine Verbrennungskammer 16, Einlass- und Auslassventile 17 bzw. 15, einen Auslasskrümmer 18 und ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) 20, das ein AGR-Ventil 22 aufweist. Der Einlasskrümmer 14 weist vorzugsweise eine Luftmassenströmungs-Detektionseinrichtung 24 auf, die ein Luftmassenströmungssignal 71 erzeugt, welches der Masseströmungsrate der Motoreinlassluft entspricht. Der Einlasskrümmer 14 weist bei einer Ausführungsform optional eine Drosseleinrichtung 23 auf. Eine Detektionseinrichtung 41 für ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist ausgebildet, um einen Abgaszustrom des SIDI-Motors 10 zu überwachen, und er erzeugt vorzugsweise Signalausgaben, die ein Signal 75 für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis und ein Signal 73 für die Temperatur des Abgaszustroms umfassen. Ein Sensor 45 ist ausgebildet, um den Abgaszustrom stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 40 zu überwachen, und er erzeugt ein Abgasrückkopplungssignal 81 zur Steuerung und Diagnose.
  • Der SIDI-Motor 10 ist ausgebildet, um in einem Verbrennungsmodus mit geschichteter Ladung bei einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu arbeiten. Der SIDI-Motor 10 ist ferner ausgebildet, um in einem Verbrennungsmodus mit homogener Ladung bei einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis, bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis und bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu arbeiten. Der Betrieb des SIDI-Motors 10 erfolgt in Ansprechen auf eine Motorlast, die eine Drehmomentanforderung eines Bedieners, Hilfs-Motorlasten wie beispielsweise hydraulische Pumpen und elektrische Niederspannungsgeneratoren sowie Nicht-Motorlasten umfasst, wie beispielsweise elektrische Hochspannnungs-Motoren/Generatoren, die Hybridantriebsstrangsystemen zugeordnet sind.
  • Der SIDI-Motor 10 weist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 auf, die ausgebildet ist, um einen Kraftstoffpuls in der Nachbarschaft einer Zündkerze 30 direkt in die Verbrennungskammer 16 einzuspritzen, um in Ansprechen auf einen Pulsweitenbefehl 77 eine Zylinderladung zu erzeugen. Die Zündkerze 30 ist ausgebildet, um die Zylinderladung in der Verbrennungskammer 16 in Ansprechen auf ein Zündfunkensignal 79 zu zünden. Ein Drehpositionssensor 25 ist ausgebildet, um eine Drehposition und eine Drehzahl einer Kurbelwelle des SIDI-Motors 10 zu überwachen. Die Beschreibung des SIDI-Motors 10 dient zur Veranschaulichung, und die hierin beschriebenen Konzepte sind nicht auf diesen beschränkt. Die hierin beschriebenen Konzepte gelten für andere Verbrennungsmotoren, die ausgebildet sind, um überstöchiometrisch zu arbeiten, und die mit dem Abgasnachbehandlungssystem 40 gekoppelt sind, das als ein passives NH3-SCR-System ausgebildet ist.
  • Der Auslasskrümmer 18 leitet einen Abgaszustrom zu dem Abgasnachbehandlungssystem 40. Das Abgasnachbehandlungssystem 40 umfasst den TWC 42, der bei einer Ausführungsform mit dem NH3-SCR-Katalysator 44 gekoppelt ist und sich stromaufwärts von diesem befindet.
  • Der TWC 42 weist ein oder mehrere Keramik- oder Metallsubstratelemente auf, die eine Vielzahl von Durchströmungsdurchgängen aufweisen, die mit einem Washcoat beschichtet sind, der ein oder mehrere katalytisch aktive Materialien umfasst. Gemäß einer Ausführungsform ist der TWC 42 mit katalytisch aktiven Materialien beschichtet, um in Ansprechen auf Motorbetriebsbedingungen, die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis umfassen, in dem Abgaszustrom HC- und CO-Moleküle zu oxidieren und NOx-Moleküle zu reduzieren. Gemäß einer Ausführungsform ist der TWC 42 in einer eng gekoppelten Anordnung bezogen auf den Abgaskrümmer 18 des SIDI-Motors 10 ausgebildet.
  • Der NH3-SCR-Katalysator 44 weist ein oder mehrere Substratelemente auf, die vorzugsweise aus Cordierit-Material hergestellt sind und eine Vielzahl von Durchströmungsdurchgängen aufweisen, die vorzugsweise mit einem Zeolith-Washcoat und katalytischen Materialien beschichtet sind, die beispielsweise ein katalytisch aktives Basismetall umfassen. Der Zeolith-Washcoat und die katalytischen Materialen speichern Ammoniak (NH3) unter speziellen Betriebsbedingungen und geben das gespeicherte NH3 unter anderen speziellen Betriebsbedingungen zur Reaktion mit NOx-Molekülen in dem Abgaszustrom ab. Es ist einzusehen, dass die NH3-Speicherkapazität des NH3-SCR-Katalysators 44, d. h. die Menge an NH3, die in dem NH3-SCR-Katalysator 44 gespeichert werden kann, mit einer Einlasstemperatur des NH3-SCR-Katalysators 44 korreliert. Wenn die Einlasstemperatur über eine Schwellenwerttemperatur hinaus zunimmt, nimmt die NH3-Speicherkapazität ab.
  • NH3 kann in dem TWC 42 erzeugt werden, indem der Betrieb des SIDI-Motors 10 periodisch moduliert wird, um einen Abgaszustrom zu erzeugen, der Stickstoffoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) umfasst, um NH3 in dem TWC 42 zu erzeugen. Eine solche Motormodulation kann Motorbetriebsbedingungen umfassen, die eine Phase mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (AFR) umfassen, während derer der TWC 42 fette Abgasbestandteile in CO, H2O und NH3 umwandelt. Gemäß einer Ausführungsform kann ein solcher Motorbetrieb umfassen, dass fette Kraftstoffpulse ausgeführt werden, um NH3 in dem TWC 42 zu erzeugen, das gespeichert und in dem NH3-SCR-Katalysator 44 verwendet werden kann.
  • Das gespeicherte NH3 kann in dem NH3-SCR-Katalysator 44 gemäß den folgenden chemischen Gleichungen verwendet werden. In einer Umgebung mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis umfasst die beschreibende chemische Gleichung das folgende. NOx + H2/CO ⇔ NH3 + CO2 [1]
  • In einer Umgebung mit magerem Luft/Kraftstoff-Verhältnis umfasst die beschreibende chemische Gleichung die Verwendung des gespeicherten NH3 zur Umwandlung von magerem NOx wie folgt. NOx + NH3 ⇔ N2 + H2O [2]
  • Das Steuermodul 50 ist signaltechnisch mit einem Bediener-Schnittstellensystem 32, der Luftmassenströmungs-Detektionseinrichtung 24, dem Sensor 41 für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis und dem Abgasrückkopplungssensor 45 verbunden, von welchem es entsprechende Signale empfängt, die eine Drehmomentanforderung 33 des Bedieners, eine Luftmassenströmung 71, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 75, die Temperatur 73 des Abgaszustroms und die Abgasrückkopplung 81 umfassen. Das Bediener-Schnittstellensystem 32 überwacht Bedienereingaben, die durch ein Gaspedal und ein Bremspedal geliefert werden, und es erzeugt ein oder mehrere Signale, welche die Drehmomentanforderung 33 des Bedieners angeben. Das Steuermodul 50 ist funktional mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28, der Zündkerze 30, der Drosseleinrichtung 23 und dem AGR-Ventil 22 verbunden. Das Steuermodul 50 ist ausgebildet, um Steuerschemata zum Steuern des Betriebs des SIDI-Motors 10 auszuführen, um die Zylinderladung in Ansprechen auf die Drehmomentanforderung 33 des Bedieners zu bilden.
  • Das Steuermodul 50 arbeitet gemäß einem ersten Motorkraftstoff-Steuerschema, um den Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 zu steuern, indem eine Pulsweite 77 zum Liefern eines Kraftstoffpulses an die Verbrennungskammer 16 in Ansprechen auf die Drehmomentanforderung 33 des Bedieners angewiesen wird. Die Pulsweite 77 ist eine Zeitdauer, während derer die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 geöffnet wird und den Kraftstoffpuls liefert. Der gelieferte Kraftstoffpuls wechselwirkt mit der Einlassluft und beliebigen intern zurückgehaltenen und extern zurückgeführten Abgasen, um eine Zylinderladung in der Verbrennungskammer 16 in Ansprechen auf die Drehmomentanforderung 33 des Bedieners zu bilden. Es ist einzusehen, dass das Steuermodul 50 mehrere Kraftstoffeinspritzungsereignisse unter Verwendung entsprechender mehrerer Pulsweiten 77 anweisen kann, um zu bewirken, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 den Kraftstoffpuls während jedes Zylinderereignisses an die Verbrennungskammer 16 liefert.
  • Das Steuermodul 50 betreibt das AGR-Ventil 22, indem ein AGR-Ventilöffnungsbefehl 78 angewiesen wird, um zu bewirken, dass das AGR-Ventil 22 bei einer bevorzugten AGR-Strömungsrate arbeitet, um einen bevorzugten AGR-Anteil in der Zylinderladung zu erreichen. Es ist einzusehen, dass Alterung, Kalibrierung, Verschmutzung und andere Faktoren den Betrieb des AGR-Systems 20 beeinträchtigen können, wodurch Schwankungen in dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Zylinderladung in dem Zylinder verursacht werden. Das Steuermodul 50 betreibt die Drosseleinrichtung 23, indem ein Drosselventil-Öffnungsbefehl 76 angewiesen wird, um eine bevorzugte Frischluft-Massenströmungsrate für die Zylinderladung anzuweisen. Gemäß einer Ausführungsform betreibt das Steuermodul 50 eine Turboladereinrichtung, um einen bevorzugten Ladedruck anzuweisen, welcher der Zylinderladung zugeordnet ist.
  • Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten eine beliebige geeignete oder verschiedene Kombinationen eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise, eines elektronischen Schaltkreises oder mehrerer elektronischer Schaltkreise, einer zentrale Verarbeitungseinheit oder mehrerer zentraler Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise ein Mikroprozessor bzw. Mikroprozessoren) und eines zugeordneten Speichers und einer zugeordneten Archivierung (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Arbeitsspeicher, Festplatte usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eines Schaltkreises der Schaltungslogik oder mehrerer Schaltkreise der Schaltungslogik, einer oder mehrerer Eingabe/Ausgabe-Schaltungen) und -Einrichtungen, geeigneter Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen sowie anderer geeigneter Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Ausdrücke bedeuten beliebige durch einen Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen umfassen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steuerroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen zu schaffen. Die Routinen werden beispielsweise von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Detektionseinrichtungen und anderen Steuermodulen im Netzwerk zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktuatoren zu steuern. Die Routinen können während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Routinen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
  • 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Motorsteuerschemas 100 zum Überwachen und Betreiben einer Ausführungsform des SIDI-Motors 10, der das Abgasnachbehandlungssystem 40 mit dem TWC 42 und dem NH3-SCR 44 aufweist, die hierin beschrieben sind. Das Motorsteuerschema 100 wird unter Bezugnahme auf den SIDI-Motor 10 von 1 beschrieben. Es ist einzusehen, dass die hierin beschriebenen Konzepte auf andere Verbrennungsmotorsysteme angewendet werden können, die eine Ausführungsform des TWC 42 und des NH3-SCR 44 als Teil eines Abgasnachbehandlungssystems zum Behandeln von NOx-Emissionen in einem Abgaszustrom verwenden. Das Motorsteuerschema 100 umfasst, dass eine Motorlast überwacht wird und dass dann, wenn eine Motorlast detektiert wird, die einen Betrieb in einen Kraftstoffabschaltmodus zulässt, der mit einer Verlangsamung eines Fahrzeugs verbunden ist, der SIDI-Motor 10 in dem Kraftstoffabschaltmodus betrieben wird und gleichzeitig ein zweites Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschema ausgeführt wird.
  • Wie hierin beschrieben ist, kann das Motorsteuerschema 100 verwendet werden, um eine Temperatur bzw. Temperaturen in dem Abgasnachbehandlungssystem 40 zu regeln und um NH3 in dem Abgaszustrom zur Verwendung in dem Abgasnachbehandlungssystem 40 zu erzeugen.
  • Das Steuerschema 100 wird auf Routinen reduziert, die iterativ ausgeführt werden, was eine periodische Ausführung während voreingestellter Schleifenzyklen oder einer Ausführung für jedes Zylinderereignis oder einen anderen Ausführungszyklus umfasst. Tabelle 1 ist als ein Schlüssel vorgesehen, wobei die numerisch bezeichneten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt dargelegt sind. Tabelle 1
    BLOCK BLOCKINHALTE
    102 Überwache den Betrieb des Motors und des Abgasnachbehandlungssystems; Ermittle Parameter, die der Motorlast, der Motordrehzahl, der NH3-Speicherung der TWC-Temperatur zugeordnet sind
    104 Lässt die Motorlast einen FCO-Betrieb zu?
    106 Weise einen Motorbetrieb in einem SIDI-Modus mit magerem/stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis in Ansprechen auf die Motorlast an
    108 Ist die Motordrehzahl kleiner als eine Schwellenwertdrehzahl (zum Abschalten)? oder Ist die NH3-Speicherung in dem NH3-SCR geringer als ein minimaler Schwellenwert? oder Ist die Temperatur des TWC kleiner als eine minimale Temperatur (für ein Anspringen)?
    110 Weise den FCO-Betrieb an
    112 Weise den FCO-Betrieb an
    114 Führe HSP/TPSR-Modus aus
    116 Beende Iteration
  • Während der Iterationen des Steuerschemas 100 wird der Betrieb des Motors 10 und des Abgasnachbehandlungssystems 40 überwacht, um Parameter zu ermitteln, die der Motorlast, der Motordrehzahl, der NH3-Speicherung in dem NH3-SCR-Katalysator 44 und der Temperatur im Bett des TWC 42 zugeordnet sind. Diese Parameter werden unter Verwendung von Sensoren, Routinen, Kalibrierungen und parametrischen Modellen ermittelt, die einem Fachmann bekannt sind und hierin nicht im Detail beschrieben werden (102).
  • Es wird ermittelt, ob die Motorlast, die mit einer Fahrzeugverlangsamung verbunden ist, eine Betrieb in einem Kraftstoffabschaltmodus (FCO-Modus) zulässt (104). Der Betrieb in dem FCO-Modus kann bei einer Ausführungsform unter Bedingungen zugelassen werden, bei denen die Motorlast im Wesentlichen Null ist. Die Motorlast kann die Drehmomentanforderung 33 des Bedieners und auch die zuvor erwähnten Hilfs-Motorlasten und Nicht-Motorlasten umfassen. Wie einzusehen ist, kann ein Betrieb in dem FCO-Modus in Ansprechen auf die Drehmomentanforderung 33 des Bedieners in Betracht gezogen werden, die durch ein Ereignis mit geschlossener Drossel oder ohne Bedienereingabe an einem Gaspedal angegeben wird. Andere Lasten, wie beispielsweise die zuvor erwähnten Hilfs-Motorlasten und Nicht-Motorlasten, können jedoch den Betrieb in dem FCO-Modus ausschließen, wenn ein Ereignis mit geschlossener Drossel oder eine minimale Bedienereingabe an einem Gaspedal vorliegt. Wenn die Motorlast den Betrieb in dem FCO-Modus nicht zulässt (104) (0), wird der Motorbetrieb in einem Ausgewählten von dem Verbrennungsmodus mit geschichteter Ladung und mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis und von dem Verbrennungsmodus mit homogener Ladung mit einem mageren, stöchiometrischen oder fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis fortgesetzt (106), und die vorliegende Iteration des Steuerschemas 100 endet (116). Dies umfasst einen Motorbetrieb nach dem Betrieb in dem FCO-Modus, wie er in Ansprechen auf eine Änderung in der Drehmomentanforderung 33 des Bedieners auftreten kann, die eine erhöhte Motorlast zum Bewirken einer Fahrzeugbeschleunigung anweist. Ein solcher Motorbetrieb umfasst einen ausgewählten von dem Verbrennungsmodus mit geschichteter Ladung und mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis und von dem Verbrennungsmodus mit homogener Ladung und mit einem mageren, stöchiometrischen oder fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis, was von der Größe der Motorlast abhängt. Der Motorbetrieb nach dem Betrieb in dem FCO-Modus umfasst jedoch vorzugsweise keinen solchen Betrieb, wie er erforderlich ist, um den TWC 42 bis zu einer Temperatur thermisch aufzuheizen, die größer als dessen Anspringtemperatur ist. Dies liegt an dem FCO-Betrieb, der zu einer verringerten Katalysatorkühlung führt, wie es hierin einschließlich bei 5 beschrieben ist.
  • Wenn der Betrieb in dem FCO-Modus zugelassen wird (104) (1), werden die überwachten Parameter, die der Motorlast, der Motordrehzahl, der NH3-Speicherung in dem NH3-SCR-Katalysator 44 und der Temperatur im Bett des TWC 42 zugeordnet sind, mit entsprechenden Schwellenwerten verglichen. Die Motordrehzahl wird mit einer minimalen Schwellenwertdrehzahl zum Abschalten verglichen. Die NH3-Speicherung in dem NH3-SCR-Katalysator 44 wird mit einem minimalen Schwellenwert für die NH3-Speicherung verglichen. Die Temperatur im Bett des TWC 42 wird mit einem minimalen Temperaturschwellenwert für das Anspringen des Katalysators verglichen (108). Es ist einzusehen, dass Hysteresewerte in die Schwellenwerte für die Motordrehzahl, den Schwellenwert für die NH3-Speicherung und den Temperaturschwellenwert für das Anspringen des Katalysators eingebaut werden, um ein Schwanken um die Schwellenwerte herum zu begrenzen oder zu beseitigen. Es ist einzusehen, dass es maximale oder Sättigungsschwellenwerte für die Motordrehzahl, die NH3-Speicherung in dem NH3-SCR-Katalysator 44 und für die Temperatur im Bett des TWC 42 geben kann, die den Betrieb in dem FCO-Modus ausschließen oder zu einer Implementierung anderer Motorsteuerstrategien führen können.
  • Wenn die Motordrehzahl, die NH3-Speicherung in dem NH3-SCR-Katalysator 44 und die Temperatur im Bett des TWC 42 alle ihre entsprechenden Schwellenwerte überschreiten (0), wird der Betrieb in dem FCO-Modus angewiesen (110), und die vorliegende Iteration des Steuerschemas 100 endet (116).
  • Wenn ein Beliebiges von der Motordrehzahl, der NH3-Speicherung in dem NH3-SCR-Katalysator 44 und der Temperatur im Bett des TWC 42 kleiner als der entsprechende minimale Schwellenwert ist (1), wird der Betrieb in dem FCO-Modus angewiesen (112), und zwar in Verbindung damit, dass ein sich anschließendes zweites Motorkraftstoff-Steuerschema ausgeführt wird (114).
  • Der Betrieb in dem FCO-Modus umfasst vorzugsweise, dass die Kraftstoffströmung durch alle Einspritzeinrichtungen zu den Verbrennungskammern unterbrochen wird, wobei der Motor während jeder Motordrehung nur Luft pumpt. Die Drosseleinrichtung kann geöffnet werden, um die Pumpverluste zu minimieren. Der Motor ist vorzugsweise mittels eines Getriebes mit einem Endantrieb gekoppelt und dreht sich weiterhin in Ansprechen auf die Drehung der Fahrzeugräder.
  • Das Ausführen des zweiten Motorkraftstoff-Steuerschemas in Verbindung mit dem Betrieb in dem FCO-Modus (114) umfasst vorzugsweise, dass ein Kraftstoffeinspritzungsereignis in einem Modus mit homogen aufgeteiltem Puls (HSP-Modus) ausgeführt wird, was umfassen kann, dass ein Schema mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken (TPRS-Schema) ausgeführt wird. Ein TPRS-Schema umfasst, dass ein erster Kraftstoffpuls spät in einem Kompressionstakt oder früh in einem Expansionstakt ausgeführt wird, dass ein Funkenzündungsereignis während des Expansionstakts ausgeführt wird und dass ein zweiter Kraftstoffpuls vorzugsweise spät in dem Expansionstakt nach dem Funkenzündungsereignis ausgeführt wird. Gemäß einer Ausführungsform wird der erste Kraftstoffpuls bei oder in der Nähe des oberen Totpunkts (TDC) ausgeführt, das Funkenzündungsereignis wird bei ungefähr 30° nach dem TDC während des Expansionstakts ausgeführt, und der zweite Kraftstoffpuls wird nach diesem ausgeführt. Die Kraftstoffmenge, die während des ersten und des zweiten Kraftstoffpulses eingespritzt wird, kann bezogen auf die Erzeugung einer bevorzugten Menge an NH3 in dem TWC 42 für eine spezielle Ausführungsform des Systems und bezogen auf die Temperatur des TWC 42 ermittelt werden.
  • Der Kraftstoff, der während des TPRS-Schemas eingespritzt wird, tritt durch jede Verbrennungskammer 16 im Wesentlichen unverbrannt hindurch, wobei eine Zylinderladung ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist. Ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs kann in der Verbrennungskammer 16 verbrannt werden. Ein übriger Teil des eingespritzten Kraftstoffs oxidiert in dem TWC 42, um Wärme zu erzeugen, welche dessen Betriebstemperatur erhöht. Die Abgasbestandteile, die durch die Oxidation des eingespritzten Kraftstoffs in dem TWC 42 erzeugt werden, umfassen CO, H2O und NH3.
  • Die vorliegende Iteration des Steuerschemas 100 endet anschließend (114).
  • Die Menge an NH3, die während der Ausführung des Steuerschemas 100 erzeugt wird, ist möglicherweise nicht ausreichend, um die Notwendigkeiten bezüglich NH3 während des laufenden Motorbetriebs zu erfüllen, und daher kann das Steuerschema 100 in Verbindung mit anderen Steuerschemata zur NH3-Erzeugung verwendet werden.
  • 3 zeigt graphisch Daten, die dem Betrieb eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das mit einer Ausführungsform des unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen SIDI-Motors 10 ausgestattet ist, der eine Ausführungsform des Steuerschemas 100 ausführt, das unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Die Skalierungen der y-Achsen umfassen die Fahrzeuggeschwindigkeit (in km/h) 310, den Verbrennungsmodus 320 und den Zündfunkenzeitpunkt (vor dem TDC) 330. Die Skalierung der x-Achse ist die Zeit (in Sekunden) 305, und sie zeigt 1200 Sekunden des Betriebs. Die gezeigten Daten umfassen die Fahrzeuggeschwindigkeit 315, die Verbrennungsmodi einschließlich eines Modus 322 mit geschichteter Ladung oder eines FCO-Modus 324 sowie den angewiesenen Zündfunkenzeitpunkt 335. Die Daten geben an, dass der Verbrennungsmodus während Fahrzeug-Verlangsamungsereignissen in den FCO-Modus 324 umschaltet, wobei der Zündfunkenzeitpunkt zwischen –30 vor dem TDC und –40 vor dem TDC nach spät verstellt wird, d. h. der Funkenzündungszeitpunkt tritt in dem FCO-Modus 324 nach dem oberen Totpunkt auf.
  • 4 zeigt graphisch Daten, die dem Betrieb des zuvor erwähnten Fahrzeugs zugeordnet sind, das mit einer Ausführungsform des hierin beschriebenen SIDI-Motors 10 ausgestattet ist, während eine Ausführungsform des Steuerschemas 100 ausgeführt wird, das unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Die Skalierungen der y-Achsen umfassen die Fahrzeuggeschwindigkeit (in km/h) 310 und die NH3-Konzentration (in ppm) 340. Die Skalierung der x-Achse ist die Zeit (in Sekunden) 305. Die Daten von 4 entsprechen den unter Bezugnahme auf 3 gezeigten Daten über die entsprechenden 1200 Sekunden des Betriebs. Die gezeigten Daten umfassen die Fahrzeuggeschwindigkeit 315 und die entsprechende NH3-Konzentration 345 während des Fahrzeugbetriebs. Wie es angegeben ist, wird NH3 während Fahrzeugverlangsamungsereignissen in dem TWC 42 erzeugt.
  • 5 zeigt graphisch Daten, die dem Betrieb des zuvor erwähnten Fahrzeugs zugeordnet sind, das mit der Ausführungsform des hierin beschriebenen SIDI-Motors 10 ausgestattet ist, während eine Ausführungsform des Steuerschemas 100 ausgeführt wird, das unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Die Skalierungen der y-Achsen umfassen die Fahrzeuggeschwindigkeit (in km/h) 310 und die Temperatur (in °C) 350. Die Skalierung der x-Achse ist die Zeit (in Sekunden) 305, und sie zeigt 800 Sekunden des Betriebs. Die Daten von 5 entsprechen den anfänglichen 800 Sekunden des Betriebs für die unter Bezugnahme auf 3 gezeigten Daten über die entsprechenden Zeiträume. Die gezeigten Daten umfassen die Fahrzeuggeschwindigkeit 315 und entsprechende Temperaturen im Katalysatorbett, die bei 2,5 cm von einer vorderen Fläche des TWC 42 gemessen werden. Eine nominelle Katalysator-Anspringtemperatur 360, die dem TWC 42 zugeordnet ist, ist dargestellt und beträgt ungefähr 300°C. Die Temperatur im Katalysatorbett des TWC 42 während des Fahrzeugbetriebs ist gezeigt und umfasst Temperaturdaten 355, die dem Betrieb während der Ausführung einer Ausführungsform des Steuerschemas 100 entsprechen, das unter Bezugnahme auf 2 geschrieben ist. Zum Vergleich ist die Temperatur im Katalysatorbett des TWC 42 während des Fahrzeugbetriebs gezeigt und umfasst Basisdaten 365, die dem Betrieb eines Steuersystems aus dem Stand der Technik entsprechen, d. h. eines Steuersystems, das keine Ausführungsform des Steuerschemas 100 ausführt, das unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Die Basisdaten 365 geben an, dass die Temperatur im Katalysatorbett des TWC 42 für ein Steuersystem aus dem Stand der Technik während Verlangsamungsereignissen unter die Katalysator-Anspringtemperatur 360 fallen kann. Daher muss ein Steuersystem aus dem Stand der Technik möglicherweise eine Hilfs-Motorsteuerung während eines nachfolgenden Beschleunigungsereignisses ausführen, um den TWC 42 über die Anspringtemperatur aufzuheizen. Eine beispielhafte Hilfs-Motorsteuerung kann umfassen, dass während des nachfolgenden Beschleunigungsereignisses bei Stöchiometrie gearbeitet wird, was die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verschlechtert und den NH3-SCR-Katalysator 44 nicht auslastet.
  • Im Gegensatz dazu sind die Temperaturdaten 355, die dem Fahrzeugbetrieb während der Ausführung einer Ausführungsform des Steuerschemas 100 entsprechen, im Wesentlichen größer als die Anspringtemperatur 360, und sie liegen in einem Temperaturbereich, der während eines wesentlichen Teils des Testzustands oberhalb von 360°C liegt.
  • Die Ergebnisse geben ferner an, dass der Fahrzeugbetrieb während der Ausführung einer Ausführungsform des Steuerschemas 100, die zu den Temperaturdaten 355 führt, die im Wesentlichen größer als die Anspringtemperatur 360 sind, keine Ausführung einer Motorsteuerstrategie erfordert, die einen Betrieb bei Stöchiometrie während eines nachfolgenden Beschleunigungsereignisses umfasst. Ein solcher Betrieb erleichtert auch, dass bei mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen mit einer vollständigen Auslastung des NH3-SCR-Katalysators 44 gearbeitet wird.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der mit einem Abgasnachbehandlungssystem (40) gekoppelt ist, das einen katalytischen Dreiwegewandler (42) stromaufwärts eines NH3-SCR-Katalysators (44) aufweist, umfassend, dass: dann, wenn eine Motorlast detektiert wird, die einen Betrieb in einem Kraftstoffabschaltmodus zulässt, der Motor (10) in dem Kraftstoffabschaltmodus betrieben wird und gleichzeitig ein Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschema mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken ausgeführt wird, wobei der Motor (10) dann in dem Kraftstoffabschaltmodus betrieben wird und gleichzeitig das Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschema mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken ausgeführt wird, wenn eine NH3-Speicherung in dem NH3-SCR-Katalysator (44) geringer als ein Schwellenwert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor (10) dann in dem Kraftstoffabschaltmodus betrieben wird und gleichzeitig das Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschema mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken ausgeführt wird, wenn eine Motordrehzahl kleiner als ein minimaler Abschalt-Drehzahlschwellenwert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor (10) dann in dem Kraftstoffabschaltmodus betrieben wird und gleichzeitig das Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschema mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken ausgeführt wird, wenn eine Temperatur des katalytischen Dreiwegewandlers (42) kleiner als eine Schwellenwerttemperatur ist, die einem Anspringen des katalytischen Dreiwegewandlers (42) entspricht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass der Motor (10) in dem Kraftstoffabschaltmodus betrieben wird und die Ausführung des Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschemas mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken unterbrochen wird, wenn eine Motordrehzahl größer als ein minimaler Abschalt-Drehzahlschwellenwert ist, eine NH3-Speicherung in dem NH3-SCR-Katalysator (44) größer als ein Schwellenwert ist und eine Temperatur des katalytischen Dreiwegewandlers (42) größer als eine Schwellenwerttemperatur ist, die einem Anspringen des katalytischen Dreiwegewandlers entspricht.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausführen des Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschemas mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken umfasst, dass ein Kraftstoffeinspritzungsereignis in einem Modus mit homogen geteiltem Puls ausgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kraftstoffeinspritzungs-Steuerschema mit zwei Pulsen und nach spät verstelltem Zündfunken umfasst, dass ein erster Kraftstoffpuls früh in einem Expansionstakt ausgeführt wird, ein Funkenzündungsereignis während des Expansionstakts ausgeführt wird und ein zweiter Kraftstoffpuls spät in dem Expansionstakt nach dem Funkenzündungsereignis ausgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Detektieren der Motorlast, die den Betrieb in dem Kraftstoffabschaltmodus zulässt, umfasst, dass eine Drehmomentanforderung eines Bedieners detektiert wird, die ein Verlangsamungsereignis angibt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor (10) anschließend in einem Verbrennungsmodus mit geschichteter Ladung bei einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, wenn eine nachfolgende Änderung in der Motorlast detektiert wird, die den Betrieb in dem Kraftstoffabschaltmodus ausschließt.
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