DE102013205799A1

DE102013205799A1 - System und verfahren für eine verbesserte kraftstoffnutzung für fahrzeuge mit scr-katalysator

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Publication number: DE102013205799A1
Application number: DE102013205799A
Authority: DE
Inventors: Eric Matthew Kurtz; Paul Joseph Tennison; William Charles Ruona; Waheed Alashe; David A. May; Joshua Putmann Styron
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-10-10
Also published as: US20130261930A1; RU2013114803A; CN103362611B; CN103362611A; RU2625605C2; US9964058B2

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen mit SCR-Katalysator offenbart. Beispielsweise wird die Menge des zum Motor rückgeführten Abgases vermindert, wenn die Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators sich in einem zuvor festgelegten Leistungsfenster befindet. Die Methoden und Systeme können einen wirtschaftlicheren Fahrzeugbetrieb erlauben, während zu gleich die Auspuffemissionen eingehalten werden.

Description

Der Motorbetrieb kann so angepasst werden, dass die Emissionen des Motors verringert werden oder dass Kraftstoff eingespart wird. Anpassungen des Motors (z.B. der AGR-Menge und des Einspritzpunkts der Kraftstoffeinspritzung), die Kraftstoff einsparen, können auch zu erhöhten Motoremissionen führen. Ein Weg zur Verringerung der Emissionen am Auspuff ohne eine extreme Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs ist, die Menge des zum Motor rückgeführten Abgases (AGR) anzupassen, und das Abgas vom Motor mit einem selektiven Katalysatorsystem (SCR-Katalysator) zu behandeln. Die Erhöhung der AGR-Menge zum Motor kann den NOx-Gehalt des zugeführten Gases reduzieren, ohne den Kraftstoffverbrauch extrem zu erhöhen. Darüber hinaus kann ein SCR-Katalysator im Auspuffsystem des Motors zur Behandlung des Abgases den NOx-Gehalt im zugeführten Gas vermindern, was zu geringeren NOx-Emissionen am Auspuff führt. So kann der NOx-Gehalt im Auspuffgas durch eine Kombination von Abgasrückführung und Entsorgung nach Behandlung in Abgasbehandlungsgeräten reduziert werden. Jedoch kann Kraftstoffverbrauch etwas ansteigen, wenn der Anteil der Abgasrückführung erhöht wird.
Die Erfinder haben die oben beschriebenen Nachteile erkannt und haben ein Verfahren des Motorbetriebs entwickelt, das Folgendes umfasst: Anpassung der AGR-Menge als Reaktion des Motors auf die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge und die Harnstoffmenge in einem Tank.
Durch Verminderung der AGR-Menge zum Motor, wenn der SCR-Katalysator mit hohem Wirkungsgrad arbeitet, kann es möglich sein, den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und gleichzeitig das gewünschte Emissionsniveau einzuhalten. Zum Beispiel kann der Wirkungsgrad eines SCR-Katalysators hoch sein, wenn die gespeicherte NH₃-Menge im SCR-Katalysator größer ist als ein Schwellenwert. Der Motor kann unter kraftstoffsparerenden Bedingungen betrieben werden, indem die Abgasrückführung reduziert wird, während die Emissionen am Auspuff durch einen mit hohem Wirkungsgrad arbeitenden SCR-Katalysator unter einem Schwellenwert gehalten werden. Darüber hinaus kann die AGR-Menge zum Motor abhängig von der Harnstoffmenge im Tank geändert werden, solange der Tank nicht im Wesentlichen leer ist. Ein solcher Betrieb kann es dem System erlauben, den Kraftstoffverbrauch des Motors zu verbessern, während zugleich der Verbrauch von Harnstoff beschränkt wird, um die gewünschten Abstände bis zum Wiederauffüllen des Harnstofftanks zu erreichen.
Das vorliegende beschriebene Verfahren hat mehrere Vorteile. Insbesondere kann dieser Ansatz die Motoremissionen verringern und die Wirtschaftlichkeit des Motors verbessern. Weiterhin kann dieser Ansatz dazu beitragen, die gewünschten Füllintervalle für den Harnstofftank zu erreichen. Weiterhin kann dieser Ansatz die Harnstoffeinspritzung zu Zeiten, wenn der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators hoch ist, vermindern und so die Füllintervalle für den Harnstofftank verlängern.
Die oben beschriebenen Vorteile und andere Vorteile der hier beschriebenen Erfindung sind in der folgenden ausführlichen Beschreibung, allein oder mit den begleitenden Zeichnungen, leicht ersichtlich.
Die obige Zusammenfassung führt in vereinfachter Form in Konzepte ein, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Hier sollen nicht die Schlüsselmerkmale oder notwendigen Merkmale der beanspruchten Sache beschrieben werden. Dieses geschieht ausschließlich in der ausführlichen Beschreibung. Darüber hinaus ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Anwendungen beschränkt, bei denen die oben oder anderswo in dieser Offenbarungsschrift beschriebenen Nachteile gelöst werden.
Die Figuren zeigen:
1 zeigt eine schematische Darstellung des Motors;
2 zeigt einen Ausdruck des Umwandlungswirkungsgrades des SCR-Katalysators in Abhängigkeit von der Gastemperatur am SCR-Katalysator-Einlass;
3 zeigt einen Ausdruck des Niveaus des im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃ und den Stellfaktor der AGR als Funktion der Zeit;
4 zeigt ein Beispiel für den Bereich, in dem sich Harnstoffablagerungen bilden, und die Beschränkung des Anteils des rückgeführten Abgases auf der Grundlage der Grenzen für die Harnstoff-Strömungsgeschwindigkeit im Verhältnis zu den Harnstoffablagerungen;
5 zeigt beispielhaft ein Flussdiagramm für ein Verfahren für die Erhöhung der Kraftstoffnutzung von Fahrzeugen mit SCR-Katalysator; und
6 ist ein Beispiel für ein Fahrzeug mit einem SCR-Katalysator.
Diese Beschreibung bezieht sich auf die Verbesserung der Kraftstoffnutzung von Fahrzeugen mit SCR-Katalysator. 1 zeigt ein Beispiel eines aufgeladenen Dieselmotors, bei dem man mit dem in 5 gezeigten Verfahren die Betriebsbedingungen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs anpassen kann, wenn er mit einen SCR-Katalysator in einem Bereich hohen Wirkungsgrads betrieben wird. 2 zeigt ein Beispiel für den Ausdruck des Wirkungsgrads der Umwandlung durch einen SCR-Katalysator, in dem der Temperaturbereich markiert wird, in dem der Kraftstoffverbrauch im Motorbetrieb vermindert werden kann. 3 zeigt Beispiele für die Arten, mit denen die Abgasrückführung abhängig von dem im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃ verstellt werden kann. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der Harnstofffluss zum Auspuffsystem beschränkt, um die Möglichkeit der Bildung von Ablagerungen zu reduzieren, wie es in 4 gezeigt wird. Ein Verfahren zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs für Motoren mit SCR-Katalysator wird in 5 gezeigt. Schließlich wird beispielhaft ein Fahrzeug, in dem das Verfahren in 5 angewandt werden kann, in 6 gezeigt.
Man sieht in 1, dass der Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Zylindern, von denen ein Zylinder in 1 gezeigt wird, durch die elektronische Motorsteuerung 12 gesteuert wird. Der Motor 10 enthält auch den Verbrennungsraum 30 und die Zylinderwände 32 mit dem Kolben 36 verbunden mit der Kurbelwelle 40. Es wird gezeigt, dass der Verbrennungsraum 30 mit dem Ansaugrohr 44 über das Einlassventil 52 und dem Abgaskrümmer 48 über das Auslassventil 54 verbunden ist. Jedes Einlassventil und Auslassventil kann über einen Einlassnocken 51 bzw. einen Auslassnocken 53 betätigt werden. Die Position des Einlassnockens 51 kann durch den Einlassnockensensor 55 bestimmt werden. Die Position des Auslassnockens 53 kann durch den Auslassnockensensor 57 bestimmt werden.
Die Kraftstoffeinspritzung 66 wird in der Position gezeigt, in der Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 30 eingespritzt wird, was von denen, die mit diesem Bereich vertraut sind, als Direkteinspritzung bezeichnet wird. Die Kraftstoffeinspritzung 66 liefert Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW von der Steuerung 12. Der Kraftstoff wird der Krafteinspritzung 66 von einem Kraftstoffsystem mit Kraftstofftank (nicht gezeigt), einer Kraftstoffpumpe (nicht gezeigt), einem Kraftstoffpumpensteuerventil (nicht gezeigt) und einer Kraftstoffleitung (nicht gezeigt) zugeführt. Weiterhin kann ein Dosierventil in der oder in der Nähe der Kraftstoffleitung installiert sein, um die Regelung zu ermöglichen. Ein Dosierventil an der Pumpe kann den Kraftstofffluss zur Kraftstoffpumpe regeln und so die Kraftstoffmenge, die zur Kraftstoffhochdruckpumpe gepumpt wird, vermindern.
Es wird gezeigt, dass das Ansaugrohr 44 mit der optionalen elektronischen Drossel 62, die die Position der Drosselklappe 64 zur Regelung des Luftstroms vom Zufluss der Ladeluftkammer 46 einstellt, verbunden ist. Der Kompressor 162 saugt Luft vom Lufteinlass 42 zur Ladeluftkammer 46. Die Abgase treiben die Turbine 164 an, die über die Welle 161 mit dem Kompressor 162 verbunden ist. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann eine Ladeluftkühlung vorgesehen werden. Die Kompressordrehzahl kann über die Position der variablen Leitschaufelregelung 72 oder das Kompressor-Bypass-Ventil 158 eingestellt werden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann ein Ladedruckregelventil 74 die variable Leitschaufelregelung 72 ergänzen oder ersetzen. Die variable Leitschaufelregelung 72 stellt die Position der variablen Leitschaufeln an der Turbine ein. Die Abgase können durch die Turbine 164 strömen und wenig Energie auf Turbine 164 übertragen, wenn die Leitschaufeln in der geöffneten Stellung sind. Die Abgase können durch die Turbine 164 strömen und eine größere Kraft auf die Turbine 164 übertragen, wenn die Leitschaufeln in der geschlossenen Stellung sind. Alternativ erlaubt das Ladedruckregelventil 74 den Abgasen, die Turbine 164 zu umfließen und vermindert so die Energie, die auf die Turbine übertragen wird. Das Kompressor-Bypass-Ventil 158 erlaubt der Druckluft vom Auslass des Kompressors 162 zum Einlass des Kompressors 162 zurückzufließen. So kann der Wirkungsgrad des Kompressors 162 verringert werden, was den Fluss vom Kompressor 162 reduziert und den Druck im Ansaugrohr vermindert.
Die Verbrennung wird in der Verbrennungskammer 30 eingeleitet, wenn der Kraftstoff sich automatisch entzündet, wenn der Kolben 36 sich während des Kompressionstaktes dem oberen Totpunkt nähert. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann vor dem Emissionsreduktionsgerät 70 eine nicht-beheizte Lambdasonde 126 mit dem Abgaskrümmer 48 verbunden werden. Weiterhin kann in manchen Ausführungsbeispielen die Lambdasonde eine NOx-Sonde sein, die Sensorelemente sowohl für NOx wie auch für Sauerstoff enthält. Die NOx-Sonde 127 misst den NOx-Gehalt im Auspuff hinter dem SCR-Katalysator 70.
Bei niedriger Motortemperatur kann eine Glühkerze 68 elektrische Energie in thermische Energie umwandeln, und so die Temperatur im Verbrennungsraum 30 erhöhen. Die Erhöhung der Temperatur im Verbrennungsraum 30 macht es leichter die Luft-Kraftstoffmischung im Zylinder durch Verdichtung zu entzünden.
Das Emissionsreduktionsgerät 70 kann bei einem Ausführungsbeispiel SCR-Katalysator-Bricks enthalten. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann man mehrere Emissionsreduktionsgeräte verwenden, jeweils mit mehreren Bricks. Das Emissionsreduktionsgerät 70 kann in einem Ausführungsbeispiel einen Oxidationskatalysator enthalten. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Emissionsgerät einen NOx-Adsorber, gefolgt von einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und/oder einem Diesel-Partikelfilter, sein. Harnstoff kann vor dem SCR-Katalysator 70 mit Hilfe der Harnstoffeinspritzung 90 eingespritzt werden. Die Harnstoffeinspritzung 90 erhält Harnstoff aus dem Harnstofftank 91. Der Füllstandsensor 93 misst die im Harnstofftank 91 enthaltene Harnstoffmenge.
Eine Abgasrückführung (AGR) kann mit Hilfe des AGR-Ventils 80 bereitgestellt werden. Das AGR-Ventil 80 ist ein Dreiwegeventil, das den Fluss des Abgases von einer Stelle hinter dem Emissionsreduktionsgerät 70 zu einer Stelle in der Luftansaugstrecke vor dem Kompressor 162 sperrt bzw. öffnet. In alternativen Ausführungsbeispielen kann das rückgeführte Abgas von einem Ort vor Turbine 164 zum Ansaugrohr 44 strömen. Rückgeführtes Abgas kann den Kühler für das rückgeführte Abgas 85 umgehen oder durch den Kühler für das rückgeführte Abgas 85 geleitet werden und so gekühlt werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein Hochdruck- und ein Niederdruck-Abgasrückführungssystem bereitgestellt werden.
Die Steuerung 12 wird in 1 als konventioneller Mikrocomputer dargestellt mit Mikroprozessoreinheit 102, Ein/Ausgabe-Ports 104, Festspeicher 106, Schreib/Lesespeicher 108, Keep-Alive-Memory 110 und einem konventionellen Datenbus. Bei der Steuerung 12 wird der Empfang verschiedener Signale von den mit Motor 10 verbundenen Sensoren gezeigt. Diese Signale umfassen neben den bereits diskutierten die Folgenden: Die Motorkühlmitteltemperatur vom Temperatursensor 112 mit Verbindung zum Kühlwassermantel 114; einen Pedalstellungssensor 134 am Gaspedal 130 zur Ermittlung der durch den Fuß 132 verstellten Lage des Gaspedals; eine Messung des Druck im Ansaugrohr des Motors vom Drucksensor 121 verbunden mit dem Ansaugrohr 44; den Ladedruck vom Drucksensor 122; die Sauerstoffkonzentration im Abgas vom Sauerstoffsensor 126; einen Lagegeber im Motor in der Form eines Hall-Effekt-Sensors 118 zur Ermittlung der Position der Kurbelwelle 40; eine Messung des Luftmassenflusses in den Motor vom Sensor 120 (z. B. ein Hitzedrahtdurchflussmesser); und eine Messung der Drosselstellung von Sensor 58. Für die Verarbeitung durch die Steuerung 12 kann auch der Umgebungsluftdruck gemessen werden (Sensor nicht dargestellt). Einer der bevorzugten Aspekte der vorliegenden Beschreibung ist, dass der Lagegeber im Motor 118 pro Umdrehung der Kurbelwelle eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen mit gleichen Abständen erzeugt, aus denen die Motordrehzahl (RPM) bestimmt wer den kann.
Während des Betriebs führt jeder Zylinder von Motor 10 normalerweise einen Durchgang von vier Takten aus: dieser Durchgang umfasst den Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Auspufftakt. Während des Ansaugtaktes ist im Allgemeinen das Auslassventil 54 geschlossen und das Einlassventil 52 geöffnet. Luft wird der Verbrennungskammer 30 über das Ansaugrohr 44 zugeführt, und Kolben 36 bewegt sich zum Boden des Zylinders und vergrößert so das Volumen in der Verbrennungskammer 30. Die Position, an der der Kolben 36 am Ende des Taktes nahe des Zylinderbodens ist (z. B. wenn die Verbrennungskammer 30 ihr größtes Volumen hat), wird von Fachleuten in diesem Bereich gewöhnlich als unterer Totpunkt bezeichnet. Während des Verdichtungstaktes sind das Einlassventil 52 und das Auslassventil 54 geschlossen. Der Kolben 36 bewegt sich auf das obere Ende des Zylinders zu und verdichtet die Luft in der Verbrennungskammer 30. Der Punkt, an dem Kolben 36 das Ende seines Taktes erreicht und dem Zylinderkopf so nahe wie möglich ist (z. B. wenn die Verbrennungskammer 30 ihr kleinstes Volumen hat), wird von Fachleuten gewöhnlich als oberer Totpunkt bezeichnet. Während des Prozesses, der im Folgenden als Einspritzung bezeichnet wird, wird Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingebracht. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Kraftstoff während eines Zylindertaktes mehrere Male in den Zylinder eingespritzt werden. In einem Prozess, der im Folgenden als Zündung bezeichnet wird, wird der eingespritzte Kraftstoff durch die Verdichtung entzündet, was zur Verbrennung führt. Während des Arbeitstaktes drücken die sich ausdehnenden Gase den Kolben 36 zurück in Richtung des unteren Totpunktes. Die Kurbelwelle 40 wandelt die Kolbenbewegung in ein Drehmoment der Welle um. Schließlich öffnet das Auslassventil 54 während des Ausstoßtaktes, um das verbrannte Luft-Kraftstoffgemisch zum Abgaskrümmer 48 zu entlassen und der Kolben kehrt zum oberen Totpunkt zurück.
Man beachte, dass die obige Beschreibung lediglich als Beispiel zu betrachten ist, und dass die Öffnungs- und/oder Schließzeiten für Einlassventil und Auslaßventil unterschiedlich sein können und zum Beispiel positive wie auch negative Ventilüberschneidung und spätes Schließen des Einlassventils möglich sind wie auch weitere Ausführungsbeispiele. Darüber hinaus kann bei manchen Ausführungsbeispielen ein Zweitaktmotor statt eines Viertaktmotors verwendet werden.
In 2 wird nun ein Ausdruck des Wirkungsgrads der Umsetzung durch den SCR-Katalysator als Funktion der Gastemperatur am SCR-Katalysator-Einlass gezeigt. Der Ausdruck 200 zeigt ein Beispiel für einen Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung für das Emissionsreduktionsgerät 70 aus 1. Die Y-Achse stellt den Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung in Prozent dar. Die X-Achse stellt die Gastemperatur am SCR-Katalysator-Einlass in Grad Celsius dar.
Die SCR-Wirkungsgradkurve 202 zeigt, dass der Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung des Emissionsreduktionsgeräts 70 bei Temperaturen unter 150 °C einen niedrigen Wirkungsgrad für die NOx-Umwandlung besitzt. Zum Beispiel kann der Wirkungsgrad für die NOx-Umwandlung bei 150 °C ungefähr 40 Prozent betragen und ist für niedrigere Gaseintrittstemperaturen noch niedriger. Der Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung steigt rasch an und erreicht ungefähr 90 Prozent bei ungefähr 185 °C, was mit der vertikalen Markierung 204 angezeigt wird. Der Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung durch das Emissionsreduktionsgerät 70 steigt bei Temperaturen über 185 °C an und nähert sich einem Wirkungsgrad von 100 Prozent. Bei ungefähr 390° C fällt der Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung wieder auf ungefähr 90 Prozent, was mit der vertikalen Markierung 206 angezeigt wird. Der Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung fällt weiter, wenn die Temperatur am SCR-Katalysator weiter ansteigt. Bei diesem Beispiel kann der Bereich zwischen den vertikalen Markierungslinien 204 und 206 der vorab bestimmter Arbeitsbereich des SCR-Katalysators sein, in dem die Motorparameter angepasst werden, so dass die Wirtschaftlichkeit des Motors verbessert wird.
Es kann also beobachtet werden, dass es wünschenswert sein kann den SCR-Katalysator in einem Temperaturbereich zu betreiben, in dem er einen gewünschten Wirkungsgrad aufweist (z. B. 90 Prozent oder mehr). Wenn der SCR-Katalysator sich in einem Arbeitsbereich mit einem hohen Wirkungsgrad befindet, ist es möglich den Kraftstoffverbrauch des Motors zu vermindern und dennoch das gewünschte Emissionsniveau am Auspuff zu erreichen (z. B. Emissionen vom Motorauspuff, die behandelt worden sind und in die Atmosphäre entlassen werden können). Durch Verminderung der Menge des zum Motor rückgeführten Gases, kann die Wirtschaftlichkeit des Motors verbessert werden, während größere Teile der Emissionen im vom Motor zugeführten Gas (z. B. Motorabgas) mit Hilfe eines Emissionsreduktionsgeräts, das in einem Bereich hohen Wirkungsgrades arbeitet, umgewandelt werden. Zusätzlich kann der Einspritzzeitpunkt und/oder Zündzeitpunkt vorgezogen werden, um so den Kraftstoffverbrauch des Motors weiter zu verringern, wenn das Emissionsreduktionsgerät in einem Bereich mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet.
In 3 wird ein Ausdruck der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge und des Stellfaktors für die Abgasrückführung als Funktion der Zeit gezeigt. Insbesondere zeigt der Ausdruck 300 an zwei Beispielen, wie die zum Motor rückgeführte AGR-Menge abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge eingestellt werden kann.
Die erste Y-Achse stellt die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge dar. Die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge steigt in Richtung der Y-Achse an. Die zweite Y-Achse stellt den Stellfaktor für die Abgasrückführung dar. Der Stellfaktor für die Abgasrückführung steigt in der Richtung der Y-Achse an. Die X-Achse stellt die Zeit dar und der Wert für die Zeit steigt von der linken Seite von 3 zur rechten Seite von 3.
Bei einem Ausführungsbeispiel stellt der Stellfaktor für die Abgasrückführung einen Faktor für die Interpolation zwischen einer Basis-AGR-Menge und einer AGR-Menge im Sparmodus dar, die in verschiedenen Tabellen gespeichert werden. Die Basis-AGR-Menge kann zum Beispiel 30% sein, während die AGR-Menge im Sparmodus 23% ist. Die Basis-AGR-Menge wird von der AGR-Menge im Sparmodus abgezogen und dann mit dem Stellfaktor für die Abgasrückführung multipliziert. Das Ergebnis wird der Basis-AGR-Menge hinzuaddiert und die rückgeführte Abgasmenge wird korrigiert. Das Timing der Kraftstoffeinspritzung, der Kraftstoffdruck, der Ladedruck und andere Parameter können in ähnlicher Weise nachgeführt werden.
Die Basis-AGR-Menge und die AGR-Menge für den Sparmodus kann auf Grundlage der Motordrehzahl, Motorlast und Motorkühlmitteltemperatur ermittelt werden, wie in Nummer 514 und 526 beschrieben wird. Man beachte, dass die Basis-AGR-Menge sich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Motorlast und der Temperatur ändern kann, so dass bei einer Vielzahl verschiedener Motordrehzahlen, Motorlasten und Temperaturen eine Vielzahl verschiedener AGR-Mengen für den Motor zur Verfügung stehen. Der Stellfaktor für die Abgasrückführung kann einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen. In einem Ausführungsbeispiel hat der Stellfaktor für die Abgasrückführung einen Wert von unter 1, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge größer ist als die vorab bestimmte Speichermenge für den SCR-Katalysator, bei der erwartet wird, dass der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators den Schwellenwirkungsgrad übersteigt. Der AGR-Faktor kann bis auf 1 steigen, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte Menge unter den Schwellenwert für die NH₃-Menge abfällt. Falls also der SCR-Katalysator nicht in dem vorab bestimmten Betriebsbereich arbeitet, in dem die im SCR-Katalysator gespeicherte Menge größer ist als ein vorab bestimmter Schwellenwert, dann kann der Motor mit der Basis-AGR-Menge arbeiten.
Die Kurve 302 stellt die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge dar. Die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge entspricht auch dem Anteil der genutzten Speicherkapazität für NH₃ im verwendeten SCR-Katalysator. Die Kurve 302 zeigt, dass die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge mit der Zeit abfällt. Die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge kann abfallen, wenn NH₃ durch die Umwandlung von NOx zu N₂ und H₂O verbraucht wird.
Die Kurven 304 und 306 zeigen zwei verschiedene Abläufe für das Einstellen des Stellfaktors für die Abgasrückführung. In Kurve 304 wird der Stellfaktor für die Abgasrückführung erhöht, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge abfällt. In Kurve 304 fällt der Stellfaktor für die Abgasrückführung ab, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge ansteigt. Der Stellfaktor der AGR vermindert auch die Menge des an den Motor rückgeführten Abgases, wenn der SCR-Katalysator in einem Bereich mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge ansteigt. Außerdem erhöht der Stellfaktor für die Abgasrückführung die Menge des an den Motor rückgeführten Gases, wenn der SCR-Katalysator in einem Bereich mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge abfällt. Die Kurve 304 wird mit einer linearen Steigerung dargestellt, während die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge abfällt. Der Stellfaktor der AGR kann jedoch, falls gewünscht, nichtlinear sein.
Die Kurve 306 zeigt eine stufenförmige Änderung des Stellfaktors der AGR, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge die voreingestellte Menge für gespeichertes NH₃ erreicht oder darunter fällt, was durch die horizontale Linie 310 angezeigt wird. Zum Beispiel kann sich der Stellfaktor der AGR von 0,8 auf 1,0 ändern, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge unter einen Schwellenwert fällt. Darüber hinaus kann, wie oben erwähnt, der Stellfaktor der AGR abhängig vom genutzten Prozentsatz der Speicherkapazität für NH₃ bzw. dem ungenutzten Prozentsatz der Speicherkapazität für NH₃ angepasst werden. Die voreingestellte NH₃-Menge, die durch die horizontale Linie 310 angezeigt wird, kann entsprechend der Betriebsbedingungen geändert werden, so dass der Stellfaktor der AGR sich auf einem anderen Niveau ändert als in 3 dargestellt wird.
In 4 wird beispielhaft ein Ausdruck der Bereiche, in denen sich Harnstoffablagerungen bilden, gezeigt und die Beschränkung des AGR-Anteils auf Grundlage der Bildung von Harnstoffablagerungen. Der in 4 beschriebene Ansatz kann auf das Verfahren in 5 angewandt werden.
Der Ausdruck 400 zeigt ein Beispiel für den Bereich 403, in dem sich aus dem in das Auspuffsystem eingespritzten Harnstoff Ablagerungen bilden können. Bei einem Ausführungsbeispiel kann festgestellt werden, dass Ablagerungen beginnen sich im Auspuffsystem zu bilden, wenn bei einer festgelegten Abgas-Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur der Harnstofffluss einen Schwellenwert für die Strömungsgeschwindigkeit überschreitet. Die Kurve 402 ist ein Beispiel für die Grenze, jenseits derer sich in einem Auspuffsystem, in das Harnstoff eingespritzt wird, Ablagerungen beginnen zu bilden. In diesem Beispiel zeigt Kurve 402, dass sich Harnstoffablagerungen bei niedrigen Flussgeschwindigkeiten des Harnstoffs zu bilden beginnen, wenn der Abgasmassenfluss klein ist. Wenn der Abgasmassenfluss ansteigt, muss der Harnstofffluss ebenfalls ansteigen, damit sich im Auspuffsystem Ablagerungen bilden. Ablagerungen bilden sich im Auspuffsystem, wenn der Harnstofffluss den bei Nummer 412 gezeigten Schwellenwert erreicht. Also bilden sich weitere Harnstoffablagerungen, selbst wenn der Abgasmassenfluss weiter ansteigt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Harnstofffluss auf einen geringeren Wert beschränkt sein als in 412 angegeben ist, damit sich keine Harnstoffablagerungen im Abgassystem bilden. So kann die Harnstoffmenge abhängig vom Ausmaß, in dem sich Ablagerungen im Auspuffsystem bilden können, beschränkt sein.
Die Kurve 404 stellt die AGR-Menge dar, die zu einem Motor rückgeführt werden kann. Die Kurve 404 kann die AGR-Menge bei konstanter Drehzahl darstellen. Es muss erkannt werden, dass die Form von 404 nur der Illustration dient und die Beschreibung in keiner W eise beschränkt ist. Die Kurve 404 hat für geringe Abgasgeschwindigkeiten einen niedrigen Wert, was zeigt, dass bei niedrigen Motordrehzahlen und Belastungen nur wenig rückgeführtes Abgas dem Motor zufließt. Die Kurve 404 steigt an und zeigt so an, dass mehr rückgeführtes Abgas dem Motor zur Verfügung gestellt wird, wenn die Massenströme im Motor anwachsen. Die rückgeführte Abgasmenge erreicht jedoch eine Grenze, die durch 410 dargestellt wird, wenn eine Erhöhung des Abgasstroms die Bildung von Harnstoffablagerungen nicht mehr zu verhindern hilft. Folglich ist die rückgeführte Abgasmenge abhängig vom Harnstofffluss, oberhalb dessen sich Ablagerungen im Auspuffsystem bilden können, beschränkt. Mit anderen Worten sind die AGR-Menge und der Harnstofffluss abhängig von der Bildung von Harnstoffablagerungen im Auspuffsystem begrenzt.
In 5 wird beispielhaft ein Diagramm für ein Verfahren zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs für Fahrzeuge mit SCR-Katalysator gezeigt. Das in 5 dargestellte Verfahren kann durch Anweisungen in einem Festspeicher der Steuerung ausgeführt werden, wie in 1 gezeigt wird. Das in 5 dargestellte Verfahren kann den in ein Auspuffsystem gelieferten Harnstoff einstellen, solange der Harnstoffspeichertank nicht leer ist.
Bei Nummer 502 bestimmt das Verfahren 500 die Motorbetriebsbedingungen. Die Betriebsbedingungen können folgende Aspekte umfassen, sind aber nicht auf diese beschränkt: Motordrehzahl, Motorlast, SCR-Katalysatortemperatur, Menge des in einem Tank gespeicherten Harnstoffs und des im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃. Die Motordrehzahl und Motorbelastung und andere gemessene Motorvariablen können über die von den Sensoren ausgegebenen Spannungen oder Ströme ermittelt werden. In einem Beispiel kann die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge bestimmt werden, wie es in dem U.S. Patentantrag Nummer 13/071,252 mit dem Titel "METHOD FOR CORRECTING AN ESTIMATE OF NH₃ STORED WITHINA SELECTIVE CATALYST REDUCTION SYSTEM" beschrieben wird, die hiermit durch Bezugnahme in jeder Hinsicht einen Teil dieser Offenbarungsschrift bildet. Verfahren 500 geht mit Nummer 504 weiter, nachdem die Betriebsbedingungen des Motors bestimmt worden sind.
Bei Nummer 504 bestimmt das Verfahren 500 die Basisbeträge für den Harnstoffverbrauch und die Wiederauffüllintervalle. Der Standardwert für das Wiederauffüllintervall für den Harnstoff kann vorab bestimmt und gespeichert werden. Beispielsweise ist der Standardwert für das Wiederauffüllintervall für den Harnstoff gleich der Motorlaufzeit oder Fahrentfernung, die mit einer Kraftstofftankfüllung erreichbar sind. In einem anderen Beispiel ist der Standardwert für das Wiederauffüllintervall gleich der Motorlaufzeit oder Reiseentfernung, die mit einem Ölwechselintervall entsprechen. Zum Beispiel kann das Ölwechselintervall auf 6.000 Kilometer (km) festgelegt sein. Dann ist das Basis-Wiederauffüllintervall für Harnstoff ebenfalls 6.000 Kilometer. Andere Basiswerte für das Harnstoff-Wiederauffüllintervall kann man, falls gewünscht, auf Grundlage des Volumens des Harnstofftanks und anderer Variablen ermitteln.
Das Verfahren 500 bestimmt auch den Basiswert für das Harnstoffverbrauchsintervall bei Nummer 504. In einem Ausführungsbeispiel wird der Basiswert für das Harnstoffverbrauchsintervall bestimmt als die Harnstoffmenge, die über eine bestimmte Reiseentfernung des Fahrzeugs oder eine bestimmte Betriebszeit verbraucht wird. Zum Beispiel kann die eingespritzte Harnstoffmenge durch die Zeit bestimmt werden, die die Harnstoffeinspritzung eingeschaltet ist, und den Druck, mit dem der Harnstoff der Einspritzung zugeführt wird. Die Übergangsfunktion für die Harnstoffeinspritzung beschreibt die Strömungsgeschwindigkeit durch die Harnstoffeinspritzung, für mit einem gegebenen Druck zugelieferten Harnstoff. Der Harnstofffluss wird mit der Dauer, die der Harnstofffluss eingeschaltet ist, multipliziert, um die Menge des eingespritzten Harnstoffs zu bestimmen. Die gereiste Entfernung oder die Motorbetriebszeit wird durch die in das Auspuffsystem eingespritzte Harnstoffmenge geteilt, um so einen Basiswert für das Harnstoffverbrauchsintervall zu erhalten. Die Geschwindigkeit des Harnstoffverbrauchs kann über die festgelegte Reiseentfernung gemittelt werden oder über eine vorgeschriebene Reiseentfernung oder Motorlaufzeit, um so einen gemittelten Basiswert für das Harnstoffverbrauchsintervall zu ermitteln. Der Basiswert für das Harnstoffverbrauchsintervall kann bestimmt werden, indem man die gespeicherte Harnstoffmenge im Harnstofftank mit der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Harnstoffverbrauchs multipliziert. Also ist der Basiswert für das Harnstoffverbrauchsintervall die Motorbetriebszeit oder die Fahrzeugreiseentfernung, von der man erwarten kann, dass sie vom Harnstoff im Harnstofftank geleistet werden kann. Der Basiswert für das Harnstoffverbrauchsintervall kann periodisch neu bestimmt und während des Motorbetriebs aktualisiert werden. Das Verfahren 500 geht mit Nummer 506 weiter, nachdem das Harnstoffverbrauchs intervall und das Wiederauffüllintervall bestimmt worden sind.
Bei Nummer 506 beurteilt das Verfahren 500, ob die Bedingungen das Umschalten in den Kraftstoffsparmodus zulassen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Erlaubnis zum Umschalten in den Kraftstoffsparmodus gegeben werden, wenn ein mit dem Motor verbundener SCR-Katalysator in einem vorab bestimmten Betriebsbereich arbeitet, in dem der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators höher ist als ein Schwellenwert. Der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators kann über die Temperatur des SCR-Katalysators geschätzt werden. Also kann, wie in 2 gezeigt wird, die Erlaubnis zum Betrieb im Sparmodus gegeben werden, wenn die SCR-Katalysatortemperatur sich zwischen 185 °C und 390° C befindet, wo der vorab bestimmte Wirkungsgrad des SCR-Katalysators 90 Prozent beträgt. So wird die Erlaubnis, in den Sparmodus umzuschalten, auf Grundlage der SCR-Katalysatortemperatur gegeben, die mit dem Wirkungsgrad des SCR-Katalysators in Beziehung steht. Bei anderen Ausführungsformen kann die Erlaubnis zum Umschalten in den Kraftstoffsparmodus gegeben werden, wenn die NOx-Sonden vor und hinter dem SCR-Katalysator anzeigen, dass der Wirkungsgrad des SCR-Katalysator höher ist als ein Schwellenwert für den Wirkungsgrad (z. B. Wirkungsgrad von 95%). Wenn zum Beispiel eine NOx-Sonde, die dem SCR-Katalysator vorgeschaltet ist, 1,0 Gramm/Sekunde NOx anzeigt und eine nachgeschaltete NOx-Sonde 0,045 Gramm/Sekunde NOx, kann so festgestellt werden, dass das Umschalten in den Sparmodus zulässig ist. Falls das Umschalten in den Kraftstoffsparmodus zulässig ist, ist die Antwort Ja und das Verfahren 500 macht bei Nummer 520 weiter. Falls das Umschalten in den Kraftstoffsparmodus nicht zulässig ist, ist die Antwort Nein und das Verfahren 500 macht bei Nummer 510 weiter.
Bei Nummer 510 beurteilt das Verfahren 500, ob die Betriebsbedingungen den Bedingungen, die das Umschalten in den Kraftstoffsparmodus zulassen, nahe kommen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann beurteilt werden, ob die Betriebsbedingungen denen nahe kommen, die ein Umschalten in den Kraftstoffsparmodus zulassen, wenn der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators sich innerhalb eines festgelegten Schwellenabstand von dem gewünschten Wirkungsgrad des SCR-Katalysators befindet. Der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators kann über die SCR-Katalysator Temperatur geschätzt werden oder durch NOx-Sonden, von denen eine dem SCR-Katalysator vorgeschaltet ist und die andere nachgeschaltet. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird der Energiebetrag, der benötigt wird, um die Bedingungen zu erreichen, unter denen Umschalten in den Kraftstoffsparmodus zulässig ist, verglichen mit dem Energiebetrag, der gespart werden kann, wenn der Motor für eine vorab fest gelegte Zeit im Kraftstoffsparmodus laufen würde. Zum Beispiel kann man eine Schätzung der Kraftstoffmenge für die Nacheinspritzung (z. B. späte Kraftstoffeinspritzung im Arbeitstakt oder während des Auspufftakts), die für eine Erhöhung der SCR-Katalysatortemperatur und damit des Wirkungsgrades auf ein vorab festgelegtes Niveau notwendig wäre, mit der Kraftstoffmenge vergleichen, die durch Betrieb des Motors mit einer geringeren AGR-Menge für eine vorab festgelegte Zeit gespart wird. Die Kraftstoffmenge, die zum Anheben der SCR-Katalysatortemperatur erforderlich ist, und die gesparte Kraftstoffmenge, wenn der Motor mit geringerer AGR betrieben wird, können empirisch bestimmt und gespeichert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Kraftstoffmenge, die eingespritzt werden muss, um die Temperatur eines SCR-Katalysators um einen spezifischen Betrag anzuheben (z. B. 5 °C) verglichen mit der Kraftstoffmenge, die durch Reduzierung der AGR-Menge gespart wird, wenn der SCR-Katalysator sich für eine vorab festgelegte Zeit (z. B. 1 Minute) in einem Zustand befindet, wo die Umsetzung mit hohem Wirkungsgrad stattfindet (z. B. SCR-Katalysatortemperatur höher als eine Schwellentemperatur). Falls das Verfahren 500 urteilt, dass 0,1 Liter Kraftstoff erforderlich sind, um die SCR-Katalysatortemperatur soweit zu erhöhen, dass der SCR-Katalysator mit dem Schwellenwirkungsgrad arbeitet, und 0,15 Liter Kraftstoff gespart werden können, indem man den Motor 1 Minute lang bei dem Schwellenwirkungsgrad des SCR-Katalysators mit einer reduzierten AGR betreibt, dann stellt das Verfahren 500 den Kraftstoff für eine Nacheinspritzung zur Verfügung, um die SCR-Katalysatortemperatur zu erhöhen und dann die AGR-Menge zu reduzieren, um so 0,05 Liter Kraftstoff zu sparen. Falls das Verfahren 500 urteilt, dass die Betriebsbedingungen denen nahe sind, die Umschalten in den Kraftstoffsparmodus erlauben, ist die Antwort Ja und das Verfahren 500 macht bei Nummer 512 weiter. Ansonsten ist die Antwort Nein und das Verfahren 500 macht bei Nummer 514 weiter.
Bei Nummer 512 modifiziert das Verfahren 500 den Motorbetrieb, um so die Bedingungen, die Umschalten in den Kraftstoffsparmodus erlauben, zu erreichen. In einem Ausführungsbeispiel kann eine Kraftstoffmenge für eine Nachverbrennung (z. B. späte Kraftstoffeinspritzung im Arbeitstakt oder während des Auspufftakts) erhöht werden, um die Motorbetriebsbedingungen so zu ändern, dass der SCR-Katalysator die Bedingungen erreicht, die dem Motor erlauben, in den Sparmodus umzuschalten. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Kraftstoffeinspritzung verzögert werden und der Ladedruck kann vermindert werden, um die Auspufftemperatur und so den Wirkungsgrad der Umsetzung durch den SCR-Katalysator zu erhöhen. Das Verfahren 500 wird beendet nachdem der Motorbetrieb so eingestellt worden ist, dass der Kraftstoffsparmodus erreicht werden kann.
Bei Nummer 514 bestimmt das Verfahren 500 die Basis-AGR-Menge, das Timing für die Kraftstoffeinspritzung, und den Ladedruck. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 500 auch einen Basiswert für die Vorzündung bestimmen. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Parameter einschließlich der Basis-AGR-Menge, Basiswerte für das Timing der Kraftstoffeinspritzung, den Kraftstoffeinspritzdruck und den Basiswert für den Ladedruck empirisch ermittelt und gespeichert. Die Parameter können aus dem Speicher mit Hilfe von Zuordnungstabellen oder Zuordnungsfunktionen abhängig von der Motordrehzahl und vom angeforderten Moment gelesen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das geforderte Antriebsmoment auf der Grundlage der Gaspedalposition ermittelt werden. Die Tabellenwerte für die AGR-Menge, der Einspritzdruck des Kraftstoffs, das Timing der Kraftstoffeinspritzung (z. B. Anzahl der Voreinspritzungen von Kraftstoff, Timing der Voreins pritzungen, Kraftstoffmenge in jeder Kraftstoffeinspritzung in einem Arbeitszyklus des Zylinders) und der Ladedruck werden eingestellt durch Einstellen des AGR-Ventils, des Timings der Kraftstoffeinspritzung, der Position des Kraftstoffdosierventils, des Ventils für den Steuerdruck in der Kraftstoffleiste und der Leitschaufeln am Turbolader bzw. des Ladedruckregelventils. Das Verfahren 500 geht bei Nummer 516 weiter, nachdem die Basiswerte für AGR-Menge, Kraftstoffdruck, Timing der Kraftstoffeinspritzung und Ladedruck bestimmt worden sind.
Bei Nummer 516 stellt das Verfahren 500 die Geschwindigkeit der Harnstoffeinspritzung in das Motorauspuffsystem ein, um die Emissionsanforderungen für Motor/Fahrzeug im Betrieb mit den Basiswerten für AGR-Menge, Timing der Einspritzung und Ladedruck zu erfüllen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Harnstofffluss empirisch bestimmt und in Tabellen gespeichert. Die Tabellen für den Harnstofffluss können über die momentane Motordrehzahl und das momentan geforderte Moment indiziert werden oder abhängig von den Basiswerten für AGR-Menge, Timing der Einspritzung und Ladedruck. Die Tabellenwerte für den Harnstofffluss werden von der Harnstoffeinspritzung und der Harnstoffpumpe angefordert. Die Einschaltzeit der Harnstoffeinspritzung und der Einspritzdruck der Harnstoffpumpe werden mit Hilfe von Übergangsfunktionen angepasst, die den Harnstofffluss mit der Einschaltzeit der Harnstoffeinspritzung und dem Harnstoffdruck in Beziehung setzen. Die Harnstoffeinspritzung und die Pumpe werden so betrieben, dass sich der gewünschte Harnstofffluss ergibt. Das Verfahren 500 macht bei Nummer 518 weiter, nachdem der Harnstofffluss eingestellt worden ist.
Bei Nummer 518 macht das Verfahren 500 eine Ausgabe der Basiswerte für die AGR-Menge, den Einspritzdruck für den Kraftstoff, das Timing der Einspritzung und den Ladedruck. Die Basis-AGR-Menge wird durch Einstellung der Position eines AGR-Ventils auf eine Position, die der gewünschten AGR-Menge für den gegebenen Druck zwischen Auspuffsystem und Ansaugrohr entspricht, ermittelt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die AGR-Menge eingestellt werden, indem man die Ventilüberschneidung das für Einlassventil und das Auslassventil ändert. Die AGR-Menge kann zum Beispiel vermindert werden, indem man die Ventilöffnungszeit in der Verbindung zwischen Einlassventil und Auslassventil verkürzt. Das Timing der Kraftstoffeinspritzung wird eingestellt, indem man die Kraftstoffeinspritzung an einer früheren Kurbelwellenposition im Zylinderzyklus beginnt. Der Kraftstoffdruck kann über ein Dosierventil für den Kraftstoff oder ein Steuerventil für den Druck in der Kraftstoffleitung geregelt werden. Der Ladedruck kann durch Einstellen der Position eines Ladedruckregelventils am Turbolader, Verstellen der Leitschaufelposition am Turbolader oder Einstellen der Position eines Bypassventils eingestellt werden. Das Verfahren 500 wird beendet, nachdem die AGR, das Timing der Kraftstoffeinspritzung und der Ladedruck eingestellt worden sind.
Bei 520 entscheidet das Verfahren 500, ob die im Harnstofftank gespeicherte Harnstoffmenge größer ist als die geschätzte Harnstoffmenge die zum Erreichen des Wiederauffüllintervalls für Harnstoff erforderlich ist. Wenn zum Beispiel das Wiederauffüllintervall, das bei Nummer 504 bestimmt worden war, 500 km ist, zieht das Verfahren 500 den Standardwert für das Harnstoffverbrauchsintervall vom Standardwert für das Wiederauffüllintervall, der in 504 bestimmt wurde, ab. Falls das Ergebnis negativ ist, kann man feststellen, dass mehr Harnstoff im Harnstofftank gespeichert ist, als erforderlich ist, das Wiederauffüllintervall für Harnstoff einzuhalten. Falls das Ergebnis positiv ist, kann man feststellen, dass weniger Harnstoff im Harnstofftank gespeichert ist als es zur Einhaltung des Wiederauffüllintervalls wünschenswert wäre. Falls das Verfahren 500 urteilt, dass die im Tank gespeicherte Harnstoffmenge größer als erforderlich ist, so dass der Motor/das Fahrzeug das Wiederauffüllintervall erreichen kann, ist die Antwort Ja und das Verfahren 500 macht bei Nummer 526 weiter. Ansonsten ist die Antwort Nein und das Verfahren 500 macht bei Nummer 522 weiter.
Bei Nummer 522 vermindert das Verfahren 500 die vor einem SCR-Katalysator in das Auspuffsystem eingespritzte Harnstoffmenge. Die eingespritzte Harnstoffmenge kann abhängig vom Wirkungsgrad des SCR-Katalysators vermindert werden. Der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators kann über die SCR-Katalysator-Temperatur geschätzt werden oder auf Grundlage der Ausgaben einer NOx-Sonde, die dem SCR-Katalysator vorgelagert ist, und einer NOx-Sonde, die dem SCR-Katalysator nachgelagert ist. Wenn zum Beispiel der Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung im SCR-Katalysator höher ist als der Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung, der für das gewünschte Emissionsniveau des Fahrzeugs erforderlich ist, wird die Menge des eingespritzten Harnstoffs reduziert. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Menge des eingespritzten Harnstoffs reduziert werden, wenn der Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung des SCR-Katalysators den Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung erfüllt, der für das gewünschte Emissionsniveau des Fahrzeugs erforderlich ist und zusätzlich mehr Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung zur Verfügung steht. Die Menge des eingespritzten Harnstoffs kann proportional reduziert werden oder in Abhängigkeit davon, um wieviel der Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung den Schwellenwert des Wirkungsgrads der NOx-Umwandlung übertrifft. Das Verfahren 500 macht mit 524 weiter, nachdem die vor dem SCR-Katalysator in das Auspuffsystem eingespritzte Harnstoffmenge vermindert worden ist.
Bei Nummer 524 macht das Verfahren 500 eine Ausgabe der Basiswerte für die AGR-Menge, den Einspritzdruck für Kraftstoff, das Timing der Kraftstoffeinspritzung und den Ladedruck. Die Basiswerte für die AGR-Menge, das Timing der Kraftstoffeinspritzung und den Ladedruck werden ausgegeben, wie bei Nummer 514 beschrieben wird. Das Verfahren 500 wird beendet, nachdem die Basiswerte für die AGR-Menge, den Einspritzdruck für Kraftstoff, das Timing der Kraftstoffeinspritzung und den Ladedruck ausgegeben worden sind.
Bei Nummer 526 bestimmt das Verfahren 500 eine AGR-Menge für den Sparmodus sowie das Timing der Kraftstoffeinspritzung und den Ladedruck. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 500 auch den Basiswert für die Vorzündung im Sparmodus bestimmen. Die Parameter einschließlich der AGR-Menge im Sparmodus, dem Timing der Kraftstoffeinspritzung im Sparmodus, dem Kraftstoffeinspritzungsdruck im Sparmodus und des Ladedrucks im Sparmodus werden empirisch bestimmt und in einer zweiten Tabellengruppe in einem Speicher ähnlich den bei 514 beschriebenen Tabellen gespeichert. Die Tabellen 526 ergeben eine Kraftstoffeinsparung im Vergleich zu der Ausgabe aus den Tabellen bei Nummer 514. Die Parameter können aus dem Speicher mit Hilfe von Zuordnungstabellen oder -funktionen abhängig von der Motordrehzahl und vom angeforderten Moment gelesen werden. Die AGR-Menge, der Einspritzdruck des Kraftstoffs, das Timing der Kraftstoffeinspritzung (z. B. Anzahl der Voreinspritzungen von Kraftstoff, Timing der Voreinspritzungen, Kraftstoffmenge in jeder Kraftstoffeinspritzung in einem Arbeitszyklus des Zylinders) und der Ladedruck werden auf die Tabellenwerte eingestellt durch Einstellen des AGR-Ventils, des Timings der Kraftstoffeinspritzung, der Position des Kraftstoffdosierventils, des Ventils für den Steuerdruck in der Kraftstoffleitung sowie der Leitschaufeln am Turbolader bzw. des Ladedruckregelventils. Das Verfahren 500 macht bei Nummer 528 weiter, nachdem die AGR-Menge im Sparmodus, der Kraftstoffdruck im Sparmodus, das Timing der Kraftstoffeinspritzung im Sparmodus und der Ladedruck im Sparmodus bestimmt worden sind.
Bei 528 erhöht das Verfahren 500 die Harnstoffeinspritzung als Reaktion auf ein Niveau, das die Einhaltung des Wiederauffüllintervalls für Harnstoff zulässt. Wenn zum Beispiel auf der Grundlage des durchschnittlichen Harnstoffverbrauchs das Basisintervall für den Harnstoffverbrauch 500 km ist und das Wiederauffüllintervall für Harnstoff auf der Grundlage der Entfernung, die das Fahrzeug gefahren ist oder der Zeit der Motor in Betrieb gewesen ist, 300 km ist, kann die eingespritzte Harnstoffmenge erhöht werden, damit sich das Harnstoffverbrauchsintervall in Richtung auf das Wiederauffüllintervall für Harnstoff verschiebt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die eingespritzte Harnstoffmenge proportional zu der Differenz zwischen dem Harnstoffverbrauchsintervall und dem Wiederauffüllintervall für Harnstoff erhöht. Das Harnstoffverbrauchsintervall und das Wiederauffüllintervall können während eines Fahrzyklus des Fahrzeugs aktualisiert werden. Das Wiederauffüllintervall hat seinen Maximalwert, wenn der Harnstofftank gefüllt worden ist und verkleinert sich durch das Einspritzen des Harnstoffs bis der Harnstofftank wiederbefüllt wird. Das Harnstoffverbrauchsintervall kann auch mehrere Male während eines Fahrzyklus des Fahrzeugs aktualisiert werden, wenn sich die durchschnittliche Harnstoffverbrauchsgeschwindigkeit und die Harnstoffverbrauchsgeschwindigkeit ändern. Das Verfahren 500 macht mit Nummer 530 weiter, nachdem die eingespritzte Harnstoffmenge erhöht worden ist.
Bei Nummer 530 beschränkt das Verfahren 500 die in das Auspuffsystem eingespritzte Harnstoffmenge. Der Harnstofffluss in den Auspuff ist wegen der möglichen Bildung von Ablagerungen im Auspuffsystem beschränkt Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Harnstofffluss im Auspuff abhängig vom Abgasfluss und der Auspufftemperatur beschränkt. Zum Beispiel werden empirisch ermittelte Harnstoffflüsse, die zu Reduzierung der Harnstoffablagerungen im Auspuffsystem führen, empirisch ermittelt und in einer Tabelle gespeichert. Der Abgasmassenfluss und die Abgastemperatur werden zur Indizierung der Tabelle verwendet und ein Grenzwert für den Harnstofffluss wird ausgegeben. Der angeforderte Harnstofffluss wird mit dem Grenzwert für den Harnstofffluss begrenzt. Das Verfahren 500 macht bei 532 weiter, nachdem der Harnstofffluss wegen Harnstoffablagerungen beschränkt worden ist.
Bei Nummer 532 bestimmt das Verfahren 500 Korrekturen für die AGR-Menge, die eingespritzte Harnstoffmenge, das Timing der Kraftstoffeinspritzung und den Ladedruck abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge und/oder der SCR-Katalysatortemperatur. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die dem Motor zugeführte AGR-Menge auf der Basis der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge nachgestellt, wie es in Bezug auf 3 gezeigt und erklärt wurde. Weiterhin wird die AGR-Menge in Abhängigkeit von der SCR-Katalysatortemperatur eingestellt. Insbesondere wird der Ausdruck für den Stellfaktor der AGR eingestellt abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge und/oder der SCR-Katalysatortemperatur. Die Ausgabe der Tabelle für die Basis-AGR-Mengen wird von der Tabelle für AGR-Mengen im Sparmodus abgezogen und das Ergebnis wird mit dem Ausdruck für den Stellfaktor der AGR multipliziert und dann der Basis-AGR-Menge hinzugezogen. Wenn zum Beispiel die Basis-AGR-Menge 30% ist, die AGR-Mengen im Sparmodus 25% und der Stellfaktor der AGR 0,75 und ansteigt, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge ansteigt, ist die Ausgabe für die AGR-Menge (25–30)·0,75 + 30 = 26,5. Der Ausdruck für den Stellfaktor der AGR ist ein Wert unter 1 für einen SCR-Katalysator, der eine NH₃-Menge entsprechend oder über der Schwellenspeicherkapazität des SCR-Katalysators für NH₃ enthält, und der Ausdruck für den Stellfaktor der AGR nähert sich dem Wert 1, wenn die Menge des im SCR-Katalysator NH₃ unter den Schwellenwert für die Speicherkapazität des SCR-Katalysators für NH₃ fällt.
In ähnlicher Weise können die Ausdrücke für die Stellfaktoren für den Kraftstoffdruck, das Timing der Kraftstoffeinspritzung und den Ladedruck abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge und von der SCR-Katalysatortemperatur eingestellt werden. Die Stellfaktoren für das Einspritz-Timing steigen, um den Einspritzbeginn vorzuziehen, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge ansteigt, und die Stellfaktoren für das Einspritz-Timing fallen, um den Einspritzbeginn zu verzögern, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge fällt. Zum Beispiel wird der Beginn der Kraftstoffeinspritzung abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge früher eingeleitet. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Kraftstoffeinspritzung für jede vorab gewählte prozentuale Erhöhung der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge um ein Grad der Kurbelwelle vorgezogen. Der Stellfaktor für den Ladedruck fällt, um den Ladedruck zu verringern, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge ansteigt, und der Ladedruck steigt, um den Ladedruck zu erhöhen, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge abfällt. Bei mit Zündfunken gezündeten Motoren kann das Timing in Richtung des geringsten Vorzündungswertes verschoben werden, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge ansteigt.
Die eingespritzte Harnstoffmenge wird proportional zum NOx Ausstoß des Motors erhöht. Zum Beispiel kann der NOx Ausstoß des Motors mit dem Sensor 126 bestimmt werden und die eingespritzte Harnstoffmenge kann proportional zu der Steigerung des NOx Ausstoßes des Motors erhöht werden. Die eingespritzte Harnstoffmenge kann auch proportional zur Verminderung des NOx vermindert werden, wenn die AGR-Menge erhöht wird. Das Verfahren 500 macht bei Nummer 534 weiter, nachdem die zum Motor rückgeführte AGR-Menge, der Kraftstoffdruck, das Motor Timing für die Kraftstoffeinspritzung und der Ladedruck nachgestellt worden sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die AGR-Menge abfällt, wird die während der Voreinspritzungen eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht, indem das Timing der Kraftstoffeinspritzung eingestellt wird. Außerdem kann der Beginn der Voreinspritzung zurückgenommen werden, wenn die AGR-Menge fällt. Weiterhin können die Ladeluft-Menge und der Kraftstoffdruck reduziert werden, wenn die Menge des zum Motor rückgeführten Gases fällt.
bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden statt der Interpolationswerte zwischen der Basistabelle und der Sparmodustabelle die Werte aus der Basistabelle angewendet, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge unter einen Schwellenprozentsatz oder einen Schwellenbetrag fällt. Die Sparmodustabellen werden verwendet, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge größer ist als ein Schwellenniveau oder -betrag. Ein solcher Betrieb wird durch eine Kurve ähnlich wie 306 in 3 bereitgestellt.
Bei Nummer 534 stellt das Verfahren 500 die zum Motor rückgeführten AGR-Menge, das Timing der Einspritzung, die einzuspritzende Harnstoffmenge, den Kraftstoffdruck und den Ladedruck ein, um die Wirtschaftlichkeit des Motors und des Fahrzeug zu verbessern. Die zum Motor rückgeführte AGR-Menge kann über Einstellen der Ventilposition oder der Nockentimings vermindert werden, wie es in Nummer 518 beschrieben ist. Weiterhin wird der Beginn der Kraftstoffeinspritzung vorgezogen im Verhältnis zur Kurbelwellenposition. Der Ladedruck wird auch durch Verstellen der Position der Leitschaufeln am Turbolader oder durch ein Bypassventil für den Kompressor, wie bei 518 beschrieben wird, reduziert. Die Verminderung des Ladedrucks erhöht die Abgastemperaturen während das Vorziehen des Einspritzzeitpunktes die Abgastemperaturen erniedrigt. Deshalb kann das Vorziehen der Kraftstoffeinspritzung durch einen verminderten Ladedruck ausgeglichen werden. Das Verfahren 500 wird beendet, nachdem die AGR-Menge, das Timing der Kraftstoffeinspritzung und der Ladedruck eingestellt worden sind. Die eingespritzte Harnstoffmenge kann bei steigendem Ausstoß von NOx durch den Motor durch Erhöhung der Einspritzdauer und/oder des Einspritzdrucks des Harnstoffs erhöht werden.
Also enthält das Verfahren in 5 zum Betrieb eines Motors Folgendes: Einstellen der Menge des zum Motor rückgeführten Abgases in Abhängigkeit von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge und einer in einem Tank gespeicherten Harnstoffmenge. Das Verfahren beinhaltet, unter welchen Umständen das Einstellen der AGR-Menge die Verminderung der zum Motor gelieferten AGR-Menge einschließt, wenn die im Tank gespeicherte Harnstoffmenge den Schätzwert für die vom Fahrzeug benötigte Harnstoffmenge übertrifft, die zum Erreichen einer vorab festgelegten Bedingung in Bezug auf die Harnstoffmenge im Tank erforderlich ist. So kann die Wirtschaftlichkeit des Motors erhöht werden, wenn der SCR-Katalysator unter Betriebsbedingungen arbeitet, in denen der SCR-Katalysator einen höheren Wirkungsgrad hat.
Das Verfahren gilt auch, wenn die vorab bestimmte Bedingung eine Neubefüllung des Tanks ist. Das Verfahren gilt auch, wenn die vorab bestimmte Bedingung das Ölwechselintervall ist. Das Verfahren gilt auch, wenn das Einstellen der AGR-Menge die Verminderung der zum Motor rückgeführten AGR-Menge einschließt, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge größer ist als ein Schwellenwert. Das Verfahren gilt auch, wenn das Einstellen der AGR-Menge die Erhöhung der zum Motor rückgeführten AGR-Menge einschließt, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge geringer ist als ein Schwellenwert. Das Verfahren gilt auch, wenn die zum Motor rückgeführte AGR-Menge abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge nur dann nachgestellt wird, wenn die Temperatur des SCR-Katalysators sich in einem vorab bestimmten Bereich befindet. Das Verfahren enthält weiterhin das Einstellen des Ladedrucks oder des Timings für den Beginn der Kraftstoffeinspritzung abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge und der im Tank gespeicherten Harnstoffmenge.
Bei einem Ausführungsbeispiel liefert das Verfahren in 5 zum Betrieb eines Motors Folgendes: Einstellen der Menge des zum Motor rückgeführten Abgases abhängig von der in einem Tank gespeicherte Harnstoffmenge; abhängig von der Schätzung der Ablagerungs bildung im Auspuffsystem Begrenzung der Harnstoffmenge, die vor dem SCR-Katalysator eingespritzt wird; und Begrenzung der Reduktion der Menge des zum Motor rückgeführten AGR-Menge abhängig von der eingespritzten Harnstoffmenge. Das Verfahren gilt auch, wenn sich Ablagerungen aus der eingespritzten Harnstoffmenge bilden und wenn eine Abschätzung der Ablagerungsbildung auf Grundlage der Abgasstromgeschwindigkeit des Motors und der Abgastemperatur gebildet wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen enthält das Verfahren weiterhin, wann die zum Motor gelieferte AGR-Menge auch abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge eingestellt wird. Das Verfahren gilt auch, wenn die zum Motor gelieferte AGR-Menge erhöht wird, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge abfällt. Das in 5 gezeigte Verfahren nutzt also den unter ausgewählten Betriebsbedingungen hohen Wirkungsgrad eines SCR-Katalysators. Das Verfahren gilt auch, wenn die zum Motor gelieferte AGR-Menge vermindert wird, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge ansteigt. Das Verfahren enthält außerdem das Vorziehen des Beginns der Kraftstoffeinspritzung oder die Verminderung des Ladedrucks, wenn die zum Motor rückgeführte AGR-Menge vermindert wird. Das Verfahren enthält weiterhin die Verminderung der in das Auspuffsystem eingespritzten Harnstoffmenge, wenn die im Tank gespeicherte Harnstoffmenge unter die geschätzte erforderliche Harnstoffmenge zur Erfüllung einer vorab festgelegten Bedingung fällt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt das Verfahren in 5 für den Betrieb eines Motors mit Anpassung der Motorbetriebsbedingungen, damit abhängig von der Leistungsfähigkeit eines SCR-Katalysators in einem vorab festgelegten Leistungsbereich in einen Sparmodus umgeschaltet werden kann, und Einstellen der Menge der zum Motor rückgeführten AGR-Menge unter der Bedingung, dass der SCR-Katalysator den Schwellenwert für seine Leistungsfähigkeit erreicht hat. So kann der Kraftstoffverbrauch des Motors vermindert werden, wenn der SCR-Katalysator mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben wird.
Das Verfahren gilt auch, wenn die zum Motor gelieferte AGR-Menge zusätzlich abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge, der SCR-Katalysatortemperatur und der in einem Tank gespeicherte Harnstoffmenge angepasst wird, nachdem der SCR-Katalysator einen Schwellenwert erreicht hat. Das Verfahren gilt auch, wenn der Schwellenbetrag ein vorab festgelegter Wirkungsgrad ist, und eine weitere Verminderung der in ein mit SCR-Katalysator ausgerüstetes Auspuffsystem eingespritzten Harnstoffmenge ausgeführt wird, wenn die im Tank gespeicherte Harnstoffmenge nicht größer ist als die für das Fahrzeug zur Erreichung einer vorab festgelegten Bedingung erforderliche Harnstoffmenge. Das Verfahren beinhaltet auch die Verringerung des Ladedrucks oder Vorziehen des Beginns der Kraftstoffeinspritzung, wenn die zum Motor rückgeführte AGR-Menge abfällt. Das Verfahren beinhaltet weiterhin die Erhöhung einer Harnstoffmenge, die in das mit einem SCR-Katalysator ausgestattete Auspuffsystem eingespritzt wird, wodurch der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators erhöht wird, während zugleich dem Fahrzeug erlaubt wird, eine vorab festgelegte Bedingung in Bezug auf die Harnstoffmenge im Tank zu erreichen.
In 6 wird ein Fahrzeug mit einer verstellbaren AGR-Menge gezeigt. Das Fahrzeug 600 umfasst den Motor 10 und den SCR-Katalysator 70. Der Motor 10 kann das Fahrzeug 600 bei verschiedenen Fahrbedingungen im Straßenbetrieb antreiben. Der SCR-Katalysator 70 behandelt das Abgas vom Motor 10, wenn der Motor 10 läuft.
Jeder gewöhnliche Fachmann wird verstehen, dass die in 5 beschriebenen Vorgänge eine oder mehr von beliebig vielen Verarbeitungsstrategien sein können, z. B. ereignisorientiert, interruptgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. So können die verschiedenen Schritte oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden oder parallel zueinander und in manchen Fällen ausgelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung für die Erreichung der Ziele, Merkmale und Vorteile nicht notwendig, sondern wurde nur zur Vereinfachung der Darstellung gewählt. Obwohl nicht ausdrücklich gezeigt, kann jeder gewöhnliche Fachmann in diesem Gebiet erkennen, das ein oder mehrere der hier gezeigten Schritte, Verfahren oder Funktionen abhängig von der konkreten verwendeten Strategie wiederholt ausgeführt werden können.
Hiermit ist die Beschreibung beendet. Eine Interpretation durch Fachleute in diesem Gebiet würde Ideen zu zahlreichen Änderungen und Modifikationen erbringen, ohne im wesentlich vom Schutzumfang der Beschreibung abzuweichen. Zum Beispiel könnten Einzylindermotoren, I2, I3, I4, I5, V6, V8, V10, V12 und V16-Motoren, die mit Erdgas, Benzin, Diesel oder alternativen Kraftstoffen betrieben werden, die vorliegende Beschreibung zu ihrem Vorteil nutzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 13/071252 [0040]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Motors, das die Menge des zum Motor rückgeführten Abgases abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge und der in einem Tank gespeicherten Harnstoffmenge einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen der AGR-Menge die Verminderung der zum Motor gelieferten AGR-Menge einschließt, wenn die im Tank gespeicherte Harnstoffmenge den Schätzwert für die vom Fahrzeug benötigte Harnstoffmenge übertrifft, die zum Erreichen einer vorab festgelegten Bedingung in Bezug auf die Harnstoffmenge im Tank erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wenn die vorab bestimmte Bedingung eine Neubefüllung des Tanks ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wenn die vorab bestimmte Bedingung das Ölwechselintervall ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wenn das Einstellen der AGR-Menge die Verminderung der zum Motor rückgeführten AGR-Menge einschließt, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge größer ist als ein Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 1, wenn das Einstellen der AGR-Menge die Erhöhung der zum Motor rückgeführten AGR-Menge einschließt, wenn die im SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge geringer ist als ein Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 1, wenn die zum Motor rückgeführte AGR-Menge abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge nur dann nachgestellt wird, wenn die Temperatur des SCR-Katalysators sich in einem vorab bestimmten Bereich befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Einstellen des Timings für den Beginn der Kraftstoffeinspritzung oder des Ladedrucks abhängig von der im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge und der im Tank gespeicherten Harnstoffmenge enthält.