DE102013211521B4 - Verfahren zum Steuern einer Ammoniakerzeugung in einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern einer Ammoniakerzeugung in einem Abgaszustrom, der von einem Verbrennungsmotor (10) ausgegeben wird, das mit einem Abgasnachbehandlungssystem (70) ausgestattet ist, das eine erste Nachbehandlungsvorrichtung (48) aufweist, umfassend:
Ausführen eines Ammoniakerzeugungszyklus zur Erzeugung von Ammoniak an der ersten Nachbehandlungsvorrichtung (48), wobei der Ammoniakerzeugungszyklus umfasst:
Überwachen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in dem Abgaszustrom an einem ersten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem (70);
Überwachen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in dem Abgaszustrom an einem zweiten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem (70);
Vergleichen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses an dem ersten Ort mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem zweiten Ort; und
wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem zweiten Ort fetter als das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem ersten Ort ist, Einstellen eines Betriebs des Verbrennungsmotors (10), bis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem zweiten Ort gleich dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem ersten Ort ist.

Description

  • Diese Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Ammoniakerzeugung in einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur Nachbehandlung von NOx-Emissionen bei Verbrennungsmotoren.
  • Motorbetriebsstrategien zum Regulieren der Verbrennung, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu erhöhen, umfassen einen Betrieb bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (AFR) unter Verwendung lokalisierter Verbrennung oder Schichtladeverbrennung in der Brennkammer bei Betrieb in einem ungedrosselten Zustand. Während die Temperaturen in der Brennkammer in Verbrennungstaschen hoch genug werden können, um signifikante Mengen an NOx zu erzeugen, kann die gesamte Energieabgabe der Brennkammer, insbesondere die von dem Motor durch den Abgasstrom abgegebene Wärmeenergie, gegenüber normalen Werten stark verringert sein. Solche Bedingungen können für Abgasnachbehandlungsstrategien eine Herausforderung darstellen, da die Nachbehandlungsvorrichtungen häufig erhöhte Betriebstemperaturen erfordern, die von der Abgasstromtemperatur angetrieben werden, um zum Behandeln von NOx-Emissionen angemessen zu arbeiten.
  • Nachbehandlungssysteme weisen katalytische Vorrichtungen auf, um chemische Reaktionen zur Behandlung von Abgasbestandteilen zu erzeugen. Drei-Wege-Katalysatorvorrichtungen (TWC) werden insbesondere in Benzinanwendungen verwendet, um Abgasbestandteile zu behandeln. Mager-NOx-Adsorber (NOx-Fänger) nutzen Katalysatoren, die eine gewisse Menge an NOx speichern können, und es wurden Motorsteuerungstechnologien entwickelt, um diese NOx-Adsorber mit kraftstoffeffizienten Motorsteuerungsstrategien zu kombinieren, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern und immer noch annehmbare NOx-Emissionswerte zu erreichen. Eine bekannte Strategie weist die Verwendung eines Mager-NOx-Adsorbers auf, um NOx-Emissionen während magerer Betriebsabläufe zu speichern und dann das gespeicherte NOx während fetter Motorbetriebsbedingungen zu spülen und mit einem TWC zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren. Partikelfilter (DPF) halten bei Dieselanwendungen Ruß und Partikelmaterial zurück, und das zurückgehaltene Material wird periodisch bei Regenerationsvorgängen mit hoher Temperatur gespült.
  • Eine bekannte Nachbehandlungsvorrichtung umfasst eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR, von engl.: „Selective Catalytic Reduction“). Die SCR-Vorrichtung weist ein katalytisches Material auf, das die Reaktion von NOx mit einem Reduktionsmittel, wie Ammoniak oder Harnstoff, unterstützt, um Stickstoff und Wasser zu erzeugen. Die Reduktionsmittel können in einen Abgaszustrom stromaufwärts der SCR-Vorrichtung eingespritzt werden, was Einspritzsysteme, Tanks und Steuerschemata erfordert. Die Tanks können ein periodisches Auffüllen erfordern und können bei kaltem Klima gefrieren, was zusätzliche Heizungen und Isolierung erfordert.
  • Katalytische Materialien, die in SCR-Vorrichtungen verwendet werden, haben Vanadium (V) und Wolfram (W) auf Titan (Ti) sowie Basismetalle einschließlich Eisen (Fe) oder Kupfer (Cu) mit einem Zeolit-Washcoat enthalten. Katalytische Materialien, die Kupfer enthalten, können bei geringeren Temperaturen effektiv arbeiten, jedoch hat sich gezeigt, dass sie bei höheren Temperaturen eine schlechte thermische Haltbarkeit besitzen. Katalytische Materialien, die Eisen enthalten, können bei höheren Temperaturen gut arbeiten, jedoch mit einem abnehmenden Reduktionsmittelspeicherwirkungsgrad bei geringeren Temperaturen.
  • Für mobile Anwendungen besitzen SCR-Vorrichtungen allgemein einen Betriebstemperaturbereich von 150°C bis 600°C. Der Temperaturbereich kann abhängig von dem Katalysator variieren. Dieser Betriebstemperaturbereich kann während oder nach Betriebsabläufen mit höherer Last abnehmen. Temperaturen von größer als 600°C können einen Durchbruch von Reduktionsmitteln sowie eine Verschlechterung der SCR-Katalysatoren bewirken, während die Wirksamkeit der NOx-Verarbeitung bei Temperaturen unterhalb 150°C abnimmt.
  • Die US 2011 / 0 138 783 A1 offenbart ein Abgasreinigungssystem für eine magerverbrennende Brennkraftmaschine, das einen NOx-Speicherreduktionskatalysator, eine NOx-Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion stromabwärts des NOx-Speicherreduktionskatalysators, einen Abgas-NH3-Konzentrationssensor stromabwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion und eine Fettspitzeneinrichtung zum Herbeiführen einer Fettspitze aufweist. Die Fettspitzeneinrichtung ist dazu ausgelegt, die Fettspitze zu einer bestimmten Zeit während eines Magerverbrennungsvorgangs zu starten und die Fettspitze zu einer Zeit zu beenden, wenn der Abgassensor eine vorgegebene Ausgabecharakteristik ausgibt, die einen Anstieg der NH3-Konzentration anzeigt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, auf einfache und verlässliche Weise einen geeigneten Betriebstemperaturbereich für Abgasnachbehandlungskomponenten bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
    • 1 ein beispielhaftes Motorsystem und ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 2 beispielhafte Testdaten von einem NOx-Sensor und einem Ammoniaksensor als eine Funktion eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 3 eine beispielhafte Ausführungsform des {Abgasnachbehandlungssystems von 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 4 ein Steuern einer Ammoniakerzeugung in einem Abgaszustrom veranschaulicht, der von einem Verbrennungsmotor ausgegeben wird, der mit einem Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgestattet ist;
    • 5 beispielhafte Testdaten veranschaulicht, die eine Beziehung zwischen einer Ammoniakproduktion und einer Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Offenbarung repräsentieren;
    • 6 beispielhafte Testdaten veranschaulicht, die eine Beziehung zwischen kumulativen NOx-Emissionen und einer Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Offenbarung repräsentieren;
    • 7 und 8 beispielhafte Testdaten veranschaulichen, die eine Beziehung zwischen einem Luft-Kraftstoffverhältnis, einem Motorbetrieb und einer Wasserstoffproduktion gemäß der vorliegenden Offenbarung repräsentieren; und
    • 9 und 10 beispielhafte Testdaten veranschaulichen, die eine Beziehung zwischen einem Luft-Kraftstoffverhältnis eines den Motor verlassenden Abgaszustroms und eines Motordrehzahlprofils während eines Ammoniakerzeugungszyklus gemäß der vorliegenden Offenbarung repräsentieren.
  • Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen zeigt 1 schematisch einen Verbrennungsmotor 10, ein Nachbehandlungssystem 70 und ein begleitendes Steuermodul 5, das gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ausgebildet worden ist. Der Motor 10 ist bei einem fetten Luft-Kraftstoffverhältnis (AFR), einem stöchiometrischen AFR und bei einem AFR selektiv betreibbar, das hauptsächlich überstöchiometrisch ist. Die Offenbarung kann auf verschiedene Verbrennungsmotorsysteme und Verbrennungszyklen angewendet werden.
  • Bei einer Ausführungsform kann das Nachbehandlungssystem 70 mit dem Motor 10 verbunden sein, der mit einem elektromechanischen Hybridantriebsstrangsystem gekoppelt ist. Das elektromechanische Hybridantriebsstrangsystem kann Drehmomentmaschinen aufweisen, die derart konfiguriert sind, eine Traktionsleistung an einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs zu übertragen.
  • Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und Direkteinspritzung, der Hubkolben 14 aufweist, die gleitend in Zylindern bewegbar sind, die Brennkammern 16 mit variablem Volumen definieren. Die Kolben 14 sind mit einer rotierenden Kurbelwelle 12 verbunden, durch die eine lineare Hubbewegung in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird. Ein Luftansaugsystem liefert Ansaugluft an einen Ansaugkrümmer 29, der Luft in Ansaugkanäle 16 der Brennkammern 16 lenkt und verteilt. Das Luftansaugsystem umfasst ein Luftdurchflusskanalwerk und Vorrichtungen zum Überwachen und Steuern der Luftströmung. Die Luftansaugvorrichtungen umfassen bevorzugt einen Luftmassenstromsensor 32 zum Überwachen des Luftmassenstroms und der Ansauglufttemperatur. Ein Drosselventil 34 weist bevorzugt eine elektronisch gesteuerte Vorrichtung auf, die dazu verwendet wird, eine Luftströmung zu dem Motor 10 in Ansprechen auf ein Steuersignal (ETC) von dem Steuermodul 5 zu steuern. Ein Drucksensor 36 in dem Ansaugkrümmer 29 ist konfiguriert, um den Krümmerabsolutdruck und den barometrischen Druck zu überwachen. Ein externer Durchflussdurchgang führt Abgase von dem Motorauspuff zu dem Ansaugkrümmer 29 zurück, der ein Durchflusssteuerventil aufweist, das als Abgasrückführventil (AGR-Ventil) 38 bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 dient dazu, den Massenstrom von Abgas zu dem Ansaugkrümmer 29 durch Steuern des Öffnens des AGR-Ventils 38 zu steuern.
  • Die Luftströmung von dem Ansaugkrümmer 29 in die Brennkammer 16 wird durch ein oder mehrere Ansaugventil(e) 20 gesteuert. Abgas, das aus der Brennkammer 16 herausströmt, wird durch ein oder mehrere Abgasventil(e) 18 zu einem Abgaskrümmer 39 gesteuert. Der Motor 10 ist mit Systemen zum Steuern und Einstellen des Öffnens und Schließens der Ansaug- und Abgasventile 20 bzw. 18 ausgestattet. Bei einer Ausführungsform können das Öffnen und Schließen der Ansaug- und Abgasventile 20 und 18 durch Steuern von eine variable Nockenphasenverstellung/eine variable Hubsteuerung aufweisenden Einlass- und Auslass-(VCP/VLC)-Vorrichtungen 22 bzw. 24 gesteuert und eingestellt werden. Die Einlass- und Auslass-VPCNLC-Vorrichtungen 22 und 24 sind ausgestaltet, um eine Einlassnockenwelle 21 bzw. eine Auslassnockenwelle 23 zu steuern und zu betätigen. Die Rotationen der Einlass- und Auslassnockenwellen 21 und 23 sind mit einer Rotation der Kurbelwelle 12 verknüpft und indexiert, wodurch das Öffnen und Schließen der Ansaug- und Abgasventile 20 und 18 mit Stellungen der Kurbelwelle 12 und der Kolben 14 verbunden ist.
  • Die Einlass-VCP/VLC-Vorrichtung 22 umfasst bevorzugt einen Mechanismus, der dazu konfiguriert ist, den Ventilhub des Ansaugventils/der Ansaugventile 20 zu schalten und zu steuern, und die Phasenverstellung der Einlassnockenwelle 21 für jeden Zylinder in Ansprechen auf ein Steuersignal 5 von dem ECM 23 variabel einzustellen und zu steuern. Die Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 24 umfasst bevorzugt einen steuerbaren Mechanismus, der dazu dient, den Ventilhub des Auslassventils/der Auslassventile 18 variabel zu schalten und zu steuern und die Phasenverstellung der Auslassnockenwelle 23 für jeden Zylinder in Ansprechen auf ein Steuersignal von dem Steuermodul 5 variabel einzustellen und zu steuern.
  • Die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 weisen jeweils bevorzugt einen steuerbaren zweistufig variablen Hubsteuer-(VLC)-Mechanismus auf, der dazu dient, den Betrag an Ventilhub oder Öffnung des Ansaug- und Abgasventils 20 bzw. 18 bzw. der Ansaug- und Abgasventile 20 bzw. 18 zu einem von zwei diskreten Schritten zu steuern. Die zwei diskreten Schritte umfassen bevorzugt eine Stellung mit offenem Ventil und niedrigem Hub (etwa 4 - 6 mm bei einer Ausführungsform) bevorzugt für einen Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit und geringer Last, und eine Stellung mit offenem Ventil und hohem Hub (etwa 8 - 13 mm bei einer Ausführungsform) bevorzugt für einen Betrieb mit hoher Geschwindigkeit und hoher Last. Die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 umfassen jeweils bevorzugt einen Mechanismus für eine variable Nockenphasenverstellung (VPC), um die Phasenverstellung (d.h. die relative Zeitsteuerung) des Öffnens und Schließens des Ansaugventils/der Ansaugventile 20 bzw. des Abgasventils/der Abgasventile 18 zu steuern und einzustellen. Das Einstellen der Phasenverstellung bezieht sich auf das Verschieben der Öffnungszeiten des Ansaug- und Abgasventils/der Ansaug- und Abgasventile 20 und 18 relativ zu Stellungen der Kurbelwelle 12 und des Kolbens 14 in dem jeweiligen Zylinder. Die VCP-Mechanismen der Einlass- und Auslass-VPC/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 weisen jeweils bevorzugt einen Bereich einer Phasenverstellungsautorität von etwa 60° - 90° Kurbelrotation auf, wodurch zugelassen wird, dass das Steuermodul 5 das Öffnen und Schließen von einem des Ansaug- und Abgasventils/der Ansaug- und Abgasventile 20 und 18 relativ zu der Stellung des Kolbens 14 für jeden Zylinder nach früh oder nach spät verstellen kann. Der Bereich der Phasenverstellungsautorität ist durch die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 definiert und begrenzt. Die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 umfassen Nockenwellen-Stellungssensoren (nicht gezeigt), um Drehstellungen der Einlass- und der Auslassnockenwellen 21 und 23 zu ermitteln. Die VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 werden unter Verwendung von einer elektrohydraulischen, einer hydraulischen oder einer elektrischen Steuerkraft, die durch das Steuermodul 5 gesteuert wird, betätigt.
  • Der Motor 10 umfasst ein Kraftstoffeinspritzsystem, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 umfasst, die jeweils ausgestaltet sind, um eine Kraftstoffmasse in eine der Brennkammern 16 in Ansprechen auf ein Signal von dem Steuermodul 5 direkt einzuspritzen. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 werden mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff von einem Kraftstoffverteilungssystem versorgt.
  • Der Motor 10 umfasst ein Funkenzündungssystem, durch das Funkenenergie an eine Zündkerze 26 zum Zünden oder Unterstützen des Zündens von Zylinderladungen in jeder der Brennkammern 16 in Ansprechen auf ein Signal von dem Steuermodul 5 geliefert werden kann/können.
  • Der Motor 10 ist mit verschiedenen Erfassungsvorrichtungen zur Überwachung eines Motorbetriebs ausgestattet, einschließlich einem Kurbelsensor 42 mit einer Ausgangs-U/min, der dazu dient, eine Kurbelwellendrehposition, d.h. einen Kurbelwinkel und eine Kurbeldrehzahl zu überwachen, und bei einer Ausführungsform einem Verbrennungssensor 30, der zur Überwachung einer Verbrennung konfiguriert ist. Der Verbrennungssensor 30 umfasst eine Sensorvorrichtung, die dazu dient, einen Zustand eines Verbrennungsparameters zu überwachen, und ist als ein Zylinderdrucksensor gezeigt, der dazu dient, den Verbrennungsdruck innerhalb eines Zylinders zu überwachen. Der Ausgang des Verbrennungssensors 30 und des Kurbelsensors 42 werden von dem Steuermodul 5 überwacht, das die Verbrennungsphasenverstellung, d.h. die Zeitsteuerung des Verbrennungsdrucks relativ zu dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 12 für jeden Zylinder für jeden Verbrennungszyklus ermittelt. Der Verbrennungssensor 30 kann auch durch das Steuermodul 5 überwacht werden, um einen mittleren effektiven Druck (IMEP) für jeden Zylinder für jeden Verbrennungszyklus zu ermitteln. Bevorzugt werden der Motor 10 und das Steuermodul 5 mechanisiert, um Zustände des IMEP für jeden der Motorzylinder während jedes Zylinderzündereignisses zu überwachen und zu ermitteln. Alternativ können andere Erfassungssysteme, um Zustände anderer Verbrennungsparameter zu überwachen, innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung verwendet werden, z.B. lonenerfassungs-Zündsysteme und nicht intrusive Zylinderdrucksensoren.
  • Das Steuermodul 5 führt darin gespeicherte Routinen aus, um Aktoren zur Steuerung des Motorbetriebs zu steuern, einschließlich Drosselposition, Zündzeitpunkteinstellung, Kraftstoffeinspritzmasse und -zeiteinstellung, Ansaug- und/oder Abgasventilzeiteinstellung und -phasenverstellung und Position des Abgasrückführungsventils, um eine Strömung von rückgeführten Abgasen zu steuern. Die Ventilzeiteinstellung und -phasenverstellung können eine negative Ventilüberlappung und einen Hub der Wiederöffnung des Abgasventils (bei einer Abgaswiederbeatmungsstrategie) aufweisen. Das Steuermodul 5 ist derart konfiguriert, dass es Eingangssignale von einem Bediener (beispielsweise eine Gaspedalposition und eine Bremspedalposition), um eine Bedienerdrehmomentanforderung zu bestimmen, und einen Eingang von den Sensoren aufnimmt, der die Motordrehzahl und die Ansauglufttemperatur sowie die Kühlmitteltemperatur und Umgebungsbedingungen angibt.
  • Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bedeuten irgendeines oder verschiedene Kombinationen von einem oder mehreren aus anwendungsspezifischem integriertem Schaltkreis (ASIC), elektronischen Schaltkreis, zentraler Verarbeitungseinheit (bevorzugt Mikroprozessor(en)) und zugehöriger Speicher und Ablage (Nur-Lese-Speicher, programmierbarer Nur-Lese-Speicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenlaufwerk usw.) der / die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder -routinen ausführt / ausführen, kombinatorischem logischem Schaltkreis, einem Eingabe-/Ausgabeschaltkreis und einem Eingabe-/Ausgabeeinrichtung, eine geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltung und andere Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bedeuten irgendwelche von einem Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen einschließen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steuerroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen vorzusehen. Routinen werden ausgeführt, etwa von einer zentralen Verarbeitungseinheit, und sind betreibbar, um Eingänge von Erfassungseinrichtungen und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktoren zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Intervallen, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden, während des fortwährenden Motor- und Fahrzeugbetriebes ausgeführt werden.
  • Im Betrieb überwacht das Steuermodul 5 Eingänge von den vorstehend genannten Sensoren, um Zustände von Motorbetriebsparametern zu ermitteln. Das Steuermodul 5 ist konfiguriert, um Eingangssignale von einem Bediener zu empfangen (z.B. über ein Gaspedal und ein Bremspedal, nicht gezeigt), um eine Bedienerdrehmomentanforderung zu ermitteln. Das Steuermodul 5 überwacht die Sensoren, die die Motordrehzahl und die Ansauglufttemperatur und die Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen angeben.
  • Das Steuermodul 5 führt darin gespeicherte Routinen aus, um die vorher erwähnten Aktoren zu steuern, um die Zylinderbeladung zu bilden, einschließlich Steuern einer Drosselposition, einer Zündfunken-Zeitsteuerung, einer Kraftstoffeinspritzmasse und -Zeitsteuerung, einer AGR-Ventilposition zum Steuern einer Strömung von rückgeführten Abgasen und eine Ansaug- und/oder Abgasventil-Zeitsteuerung und -Phasenverstellung an so ausgestatteten Motoren. Die Ventilzeitsteuer- und -phasenverstellungen können bei einer Ausführungsform eine negative Ventilüberlappung (NVO) und einen Hub der Wiederöffnung des Abgasventils (in einer Abgasrückatmungsstrategie) umfassen. Das Steuermodul 5 kann dazu dienen, um den Motor 10 während des fortwährenden Fahrzeugbetriebs ein- und auszuschalten, und kann dazu dienen, um einen Teil der Brennkammern 16 oder einen Teil der Ansaug- und Abgasventile 20 und 18 durch die Steuerung von Kraftstoff und Zündfunken und Ventildeaktivierung selektiv zu deaktivieren.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 70 ist fluidtechnisch mit dem Abgaskrümmer 39 verbunden und weist eine katalytische Vorrichtung 48 sowie eine Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 auf. Die katalytische Vorrichtung 48 ist fluidtechnisch sowie seriell stromaufwärts der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 verbunden. Bevorzugt ist die katalytische Vorrichtung 48 in einem Motorraum angeordnet und eng mit dem Abgaskrümmer 39 gekoppelt. Bevorzugt ist die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 in einer Unterbodenanordnung in einer verlängerten Distanz von der katalytischen Vorrichtung 48 angeordnet, die auf Grundlage der Motor- und Abgaszustrom-Betriebstemperaturen und anderer Faktoren bestimmt ist. Das Abgasnachbehandlungssystem 70 kann andere katalytische und/oder Fänger-Substrate aufweisen, die dazu dienen, Elemente des Abgaszustroms zu oxidieren, zu adsorbieren, zu desorbieren, zu reduzieren und zu verbrennen, wie nachfolgend hier beschrieben ist.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 70 kann mit verschiedenen Erfassungsvorrichtungen zur Überwachung des Abgaszustromes von dem Motor 10 ausgestattet sein, die einen ersten NOx-Sensor 49, einen zweiten NOx-Sensor 52 und einen SCR-Temperatursensor 51 aufweisen, die signaltechnisch mit dem Steuermodul5 verbunden sind. Der erste und zweite NOx-Sensor 49 und 52 detektieren und quantifizieren NOx-Moleküle in dem Abgaszustrom. Der erste NOx-Sensor 49 detektiert und quantifiziert NOx-Moleküle in dem Abgaszustrom, die die katalytische Vorrichtung 48 verlassen und in die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 eintreten. Ein zusätzlicher dritter NOx-Sensor 60 kann in dem Abgasnachbehandlungssystem 70 enthalten sein, um NOx-Moleküle in dem Abgaszustrom, der in das Nachbehandlungssystem 70 eintritt, zu detektieren und zu quantifizieren. Bei einer Ausführungsform ist nur der zweite NOx-Sensor 52 an dem Nachbehandlungssystem 70 enthalten.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das Abgasnachbehandlungssystem 70 mit einem ersten bzw. einem zweiten Abgaszustromsensor 71, 73 ausgestattet. Der erste Abgaszustromsensor 71 kann derart konfiguriert sein, ein AFR in dem Abgaszustrom an einem ersten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem 70 zu überwachen, das ein AFR in dem Abgaszustrom stromaufwärts der katalytischen Vorrichtung 48 aufweist. Der zweite Abgaszustromsensor 73 kann derart konfiguriert sein, ein AFR in dem Abgaszustrom an einem zweiten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem 70 zu überwachen, das ein AFR in dem Abgaszustrom stromabwärts der katalytischen Vorrichtung 48 aufweist. Der erste und zweite Abgaszustromsensor 71 bzw. 73 können jeweils einen Weitbereichs-AFR-Sensor aufweisen, der derart konfiguriert ist, ein lineares Signal zu erzeugen, das einem AFR über einen AFR-Bereich entspricht. Alternativ dazu können bei einer Ausführungsform der erste und zweite Abgaszustromsensor 71 bzw. 73 einen stöchiometrischen Sensor vom Schalttyp aufweisen, der derart konfiguriert ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einem AFR entspricht, das unterstöchiometrisch oder überstöchiometrisch besitzt. Wie es offensichtlich ist, kann das Steuermodul ein AFR auf Grundlage einer Rückkopplung von dem ersten bzw. zweiten Abgaszustromsensor 71, 73 steuern.
  • Während des Motorbetriebs erzeugt der beispielhafte Motor 10 einen Abgaszustrom, der Bestandteilelemente enthält, die in dem Nachbehandlungssystem umgewandelt werden können, einschließlich nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe (KW), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) und Partikelmaterial (PM) neben anderen. Sauerstoff (O2) ist in dem Abgaszustrom nach dem überstöchiometrischen Betrieb des Motors 10 vorhanden. Eine Produktion von Wasserstoff (H2) kann in dem Motor 10 durch den Verbrennungsprozess stattfinden. Die Verbrennung in einer stöchiometrischen oder fetten AFR-Umgebung, bei der ein Mangel an molekularem Sauerstoff aufgrund einer Sauerstoffabreicherung vorhanden ist, tendiert zur Erzeugung erhöhter Niveaus von molekularem Wasserstoff.
  • Die katalytische Vorrichtung 48, z.B. die erste Nachbehandlungsvorrichtung, führt eine Anzahl katalytischer Funktionen zur Behandlung einer Abgasströmung aus. Die katalytische Vorrichtung 48 oxidiert Kohlenwasserstoffe (KW) und Kohlenmonoxid (CO). Die katalytische Vorrichtung 48 ist so formuliert, dass während des stöchiometrischen und fetten Motorbetriebs Ammoniak erzeugt wird. Die Formulierung kann die Verwendung variierender Katalysatoren, einschließlich Platingruppenmetallen, z.B. Platin, Palladium und Rhodium, mit Cer- und Zirkoniumoxiden für die Sauerstoffspeicherkapazität betreffen. Bei einer Ausführungsform ist die katalytische Vorrichtung 48 ein katalytischer Dreiwegewandler, der derart konfiguriert ist, während stöchiometrischer Motorbetriebsabläufe Kohlenwasserstoffe (KW) und Kohlenmonoxid (CO) zu oxidieren und NOx zu reduzieren.
  • Die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 reduziert NOx in andere Moleküle, die Stickstoff und Wasser enthalten, wie nachfolgend beschrieben ist. Eine beispielhafte Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 umfasst ein Substrat, das mit einem Zeolit-Washcoat und einem katalytischen Material beschichtet ist, das ein katalytisch aktives Basismetall aufweist. Das Substrat enthält einen Kordierit- oder Metallmonolith mit einer Zellendichte von etwa 62 bis 93 Zellen pro Quadratzentimeter (400 bis 600 Zellen pro Quadratzoll) und einer Wanddicke von etwa drei bis sieben Mil. Die Zellen des Substrates umfassen Strömungsdurchgänge, durch die Abgas in Kontakt mit dem Katalysator strömt, um eine Ammoniakspeicherung zu bewirken.
  • Das Substrat ist mit dem Zeolit-Washcoat imprägniert. Der Zeolit-Washcoat enthält auch die katalytisch aktiven Basismetalle, z.B. Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Kobalt (Co), Nickel (Ni). Alternativ dazu können Zusammensetzungen auf Vanadiumbasis und/oder Wolfram (W) auf Titan (Ti) als Katalysatoren verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass Kupferkatalysatoren bei geringeren Temperaturen, z.B. 100°C bis 450°C, effektiver arbeiten, jedoch eine schlechte thermische Haltbarkeit besitzen. Eisenkatalysatoren können bei höheren Temperaturen, z.B. 200°C bis 650°C gut arbeiten, jedoch mit einer abnehmenden Reduktionsmittelspeicherkapazität.
  • Die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 speichert Ammoniak zur Reduzierung von NOx-Emissionen. Der gespeicherte Ammoniak reagiert selektiv mit NOx in der Anwesenheit der katalytischen Materialien, um Stickstoff und Wasser zu erzeugen. Die folgenden Beziehungen repräsentieren die primären Reaktionen mit Ammoniak in der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50. 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O [1] 3NO2 + 4NH3 → 3,5N2 + 6H2O [2] 2NO + 2NO2 + 4NH3 → 4N2 + 6H2O [3]
  • Es können mehrere sekundäre Reaktionen gleichzeitig stattfinden und abhängig von dem Typ von verbrauchtem Kraftstoff variieren.
  • Es sei angemerkt, dass der Motorbetrieb selektiv und periodisch gesteuert werden kann, um einen Abgaszustrom zu erzeugen, der nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe (KW), Stickstoffmonoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) enthält, um Ammoniak in einer katalytischen Vorrichtung, wie der katalytischen Vorrichtung 48 zu erzeugen.
  • Ammoniak kann in der katalytischen Vorrichtung 48 aus einem Umwandlungsprozess erzeugt werden, der durch die folgende Beziehung repräsentiert ist. NO + CO + 1,5H2 → NH3 + CO2 [4]
  • Der Fachmann erkennt, dass diese Umwandlung erfordert, dass molekularer Sauerstoff von der katalytischen Vorrichtung 48 abgereichert wird, bevor NO mit dem molekularen Wasserstoff reagiert. Bei einer Ausführungsform findet eine ausreichende Umwandlung bei Temperaturen von über 250°C in der katalytischen Vorrichtung 48 statt. Überschüssiger Sauerstoff ist häufig vorhanden, wenn der Verbrennungsmotor in mageren Betriebsmodi, mit einem mageren AFR oder mit überschüssiger Luft betrieben wird. Somit steuert das Steuermodul 5 das AFR zu einem stöchiometrischen AFR oder fetten AFR, um Sauerstoff in dem Abgaszustrom abzureichern, wenn eine Ammoniakproduktion in der katalytischen Vorrichtung 48 gewünscht ist.
  • Ferner unterstützt eine Auswahl eines AFR in den stöchiometrischen und fetten Betriebsbereichen ferner eine Ammoniakproduktion beispielsweise durch Erzeugung von Stickstoffmonoxid (NO) und Wasserstoff (H2) in geeigneten Verhältnissen. Die Gleichung 4 zeigt ein ideales Verhältnis von 1,5:1 von Wasserstoff zu Stickstoffmonoxid (H2:NO). Jedoch kann auf Grundlage der Umgebung, die durch die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 vorgesehen ist, sowie andere Reaktionen, die in der katalytischen Vorrichtung 48 stattfinden, ein anderes tatsächliches Verhältnis von Wasserstoff (H2) zu Stickstoffmonoxid (NO) Ammoniak erzeugen. Beispielsweise ist ein Verhältnis zwischen 3:1 und 5:1 von Wasserstoff zu Stickstoffmonoxid (H2:NO) bei einer Ausführungsform bevorzugt.
  • Ein Steuern des Motorbetriebs umfasst, dass der Motor 10 fett oder bei Stöchiometrie betrieben wird, während die Bedienerdrehmomentanforderung erfüllt wird und die Motorausgangsleistung nicht geändert wird. Der unterstöchiometrische Betrieb des beispielhaften Motors 10 kann die Ausführung mehrerer Kraftstoffeinspritzimpulse während eines Verbrennungszyklus umfassen, die die Einspritzung eines ersten Kraftstoffimpulses in die Brennkrammer 16 während jedes Verdichtungstaktes aufweist. Die während des ersten Kraftstoffimpulses eingespritzte Kraftstoffmasse wird auf Grundlage eines Betrages bestimmt, der ausreichend ist, damit der Motor 10 so betrieben wird, dass die Bedienerdrehmomentanforderung und andere Lastbedürfnisse erfüllt werden. Anschließende Kraftstoffimpulse können in die Brennkammer 16 während anderer Hübe des Verbrennungszyklus eingespritzt werden, wodurch ein Abgaszustrom erzeugt wird, der Stickstoffmonoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) aufweist, um Ammoniak in der katalytischen Vorrichtung 48 zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform werden die anschließenden Kraftstoffimpulse spät in einem Arbeitstakt oder früh in einem Abgastakt des Verbrennungszyklus ausgeführt, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Verbrennung in der Brennkammer 16 minimiert wird.
  • Die Auswahl eines katalytisch aktiven Materials, das geringere Verhältnisse von Wasserstoff-(H2)-Molekülen zu Stickstoffmonoxid-(NO)-Molekülen an der katalytischen Vorrichtung 48 ermöglicht, ist bevorzugt, da die Wasserstoffanforderungen direkt mit einer Kraftstoffmenge, die durch die anschließenden Kraftstoffimpulse verbraucht wird, in Bezug stehen, um eine Ammoniakproduktion zu ermöglichen. Eine Kalibrierung gemäß Testergebnissen oder einer Modellierung, die ausreichend sind, um einen Motorbetrieb, Nachbehandlungsprozesse und Umwandlungen genau zu schätzen, kann verwendet werden, um ein bevorzugtes AFR zu wählen, um eine Ammoniakproduktion zu steuern. Der Fachmann erkennt, dass auch die Anwesenheit von Kohlenmonoxid (CO) betrachtet werden muss, um die oben beschrieben Reaktion zu unterstützen.
  • Die Ammoniakproduktion kann gemäß einer Anzahl von Faktoren gesteuert oder ermöglicht werden, die einen Ammoniakgebrauch in der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 beeinflussen, einschließlich geschätzter Ammoniakspeicherung, geschätztem oder detektiertem Ammoniakdurchbruch, geschätztem oder detektiertem NOx-Durchbruch stromabwärts von der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 und Motorbetrieb, der der Ammoniakproduktion förderlich ist. Die Überwachung dieser Faktoren kann durch die Überwachung einer Anzahl von Eingängen erreicht werden, einschließlich Motorbetrieb, Abgaseigenschaften und NOx-Umwandlungswirkungsgrad innerhalb der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50. Beispielsweise erzeugt der Motor 10 höhere Niveaus an NOx und Wasserstoff während der Motorbeschleunigung. Derartige Perioden, die einer Ammoniakproduktion förderlich sind, können verwendet werden, um einen intrusiven Betrieb der Ammoniakproduktion unter Motorbetriebsbedingungen zu minimieren, die dieser weniger förderlich sind. Perioden des Motorbetriebs zur Erzeugung von Ammoniak variieren abhängig von der erforderlichen Ammoniakproduktion, den Einzelheiten des verwendeten Systems und des jeweiligen Betriebs des Motors 10.
  • 2 zeigt graphisch beispielhafte Testdaten, die Signalausgänge von einem bekannten NOx-Sensor und einem bekannten Ammoniaksensor als eine Funktion des AFR (horizontale Achse) von dem Motor 10 zeigen, die Signalausgänge (vertikale Achse) von dem ersten und zweiten NOx-Sensor 49 und 52 und einem Ammoniaksensor veranschaulichen. Bekannte NOx-Erfassungstechnologien unterscheiden nicht zwischen NOx-Molekülen und Ammoniakmolekülen in dem Abgaszustrom. Während magerer Motorbetriebsbedingungen (d.h. zwischen 104 und 103 entlang der horizontalen Achse), wenn die Ammoniakanwesenheit in dem Abgaszustrom minimal ist und NOx-Moleküle vorhanden sind, gibt der Signalausgang von dem NOx-Sensor (101) NOx-Moleküle an und nimmt mit zunehmendem AFR zu (d.h. bewegt sich links zwischen 104 und 103 entlang der horizontalen Achse). Der Signalausgang von dem Ammoniaksensor (102) ist minimal. Bei stöchiometrischen Motorbetriebsbedingungen (104), wenn NOx-Moleküle und Ammoniakmoleküle, die in dem Abgaszustrom vorhanden sind, minimal sind, ist der Signalausgang von dem NOx-Sensor und dem Ammoniaksensor minimal. Wenn das AFR während fetter Motorbetriebsbedingungen abnimmt (d.h. sich zwischen 104 und 105 entlang der horizontalen Achse nach rechts bewegt), nimmt die Anwesenheit von Ammoniakmolekülen zu, während NOx-Moleküle in dem Abgaszustrom minimal sind. Signalausgänge von dem NOx-Sensor und dem Ammoniaksensor nehmen während fetter Motorbetriebe zu, wenn das AFR abnimmt. Daher kann während des fetten Motorbetriebs ein erhöhter Signalausgang von dem ersten und zweiten NOx-Sensor 49 und 52 verwendet werden, um Ammoniakmoleküle in dem Abgaszustrom anzugeben. Somit kann ein Ammoniakdurchbruch durch Überwachung eines Signalausganges von dem zweiten NOx-Sensor 52 während des fetten Motorbetriebs detektiert werden. Bei einer Ausführungsform wird der zweite NOx-Sensor 52 in Bezug auf einen erhöhten Signalausgang während der Ammoniakproduktion überwacht. Wenn der Signalausgang von dem zweiten NOx-Sensor 52 zunimmt, bestimmt das Steuerschema 200, dass ein Ammoniakdurchbruch stattfindet.
  • 3 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 70 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die katalytische Vorrichtung 48, d.h. die erste Nachbehandlungsvorrichtung, umfasst zwei diskrete Elemente 85 und 95, die in einer Reihe entlang einer Strömungsachse des Abgaszustromes positioniert sind. Die Strömungsachse des Abgaszustromes repräsentiert die Richtung der den Motor verlassenden Abgase, die von dem Motor 12 durch jede der katalytischen Vorrichtung 48 und der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 strömen. Das erste diskrete Element 85 kann als ein vorderes Element oder ein vorderer Brick bezeichnet werden, und das zweite diskrete Element 95 kann als ein rückwärtiges Element oder ein rückwärtiger Brick bezeichnet werden. Das erste diskrete Element 85 weist katalytisches Material auf, das Palladium enthält. Das zweite diskrete Element 95 weist katalytisches Material auf, das Palladium und Rhodium enthält. Das zweite diskrete Element 95 weist ferner ein Material mit Sauerstoffspeicherkapazität auf, einschließlich einem oder beidem aus Cer- und Zirkoniumoxiden. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die katalytische Vorrichtung 48 eine katalytische Dreiwege-(TWC-)Vorrichtung, die seriell stromaufwärts der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50, d.h. zweiten Nachbehandlungsvorrichtung fluidtechnisch verbunden ist. Die folgenden Beziehungen repräsentieren die Primärreaktionen mit dem den Motor verlassenden Abgaszustrom, die Stickstoffmonoxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe enthalten, in der TWC-Vorrichtung 48. 2H2 + O2 → 2H2O [5] 4HC + 5O2 → 2H2O + 4CO2 [6] 2HC + 2H2O → 2CO + 3H2 [7] CO + ½O2 → CO2 [8] 2NO + 4H2 + CO → 2NH3 + CO2 + H2O [9] 4CeO2 → O2 + 2Ce2O3 [10] CO + H2O → CO2 + H2 [11]
  • Es sei angemerkt, dass die KW-Oxidation durch Gleichung [6] unterstützt wird. Die Gleichung [9] unterstützt eine Ammoniakbildung an dem ersten diskreten Element 85. Eine Sauerstoffspeicherkapazitätsreaktion wird durch Gleichung [10] an dem zweiten diskreten Element 95 unterstützt und kann daher dazu verwendet werden, eine Sauerstoffspeicherkapazität an dem zweiten diskreten Element 95 zu bestimmen. Es sei angemerkt, dass die Anwesenheit der Sauerstoffspeicherkapazität an dem zweiten diskreten Element 95 eine Wasser-Gas-Shift-Reaktion, die durch Gleichung [11] ermöglicht wird, unterstützen kann, wenn der den Motor verlassende Abgaszustrom ein unterstöchiometrisches AFR aufweist. Die Wasser-Gas-Shift-Reaktion erzeugt Wasserstoff (H2) als ein Nebenprodukt an dem zweiten diskreten Element 95, der in den Abgaszustrom stromabwärts der katalytischen Vorrichtung 48 strömt. Somit erzeugt, wenn das zweite diskrete Element 95 kein Stickstoffmonoxid oder NOx aufgrund einer vollständigen Reaktion zu Ammoniak (NH3) an dem ersten diskreten Element 85 aufnimmt, wie durch Gleichung [9] ermöglicht ist, das H2, das an dem zweiten diskreten Element 95 erzeugt wird, ein AFR an dem zweiten Ort stromabwärts der katalytischen Vorrichtung 48, das fetter ist, z.B. mit einem geringeren AFR als einem AFR an dem ersten Ort stromaufwärts der katalytischen Vorrichtung 48. Bei diesem Szenario wird ein direkter Hinweis darauf gegeben, dass eine maximale Menge an NH3, die an dem ersten diskreten Element 85 erzeugt werden kann, erreicht worden ist, während das zweite diskrete Element 95 lediglich H2 als ein Nebenprodukt stromabwärts der katalytischen Vorrichtung 48 erzeugt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann, wenn das AFR an einem zweiten Ort stromabwärts der katalytischen Vorrichtung 48 fetter als das AFR an dem ersten Ort stromaufwärts der katalytischen Vorrichtung 48 während eines Ammoniakerzeugungszyklus ist, um Ammoniak an der katalytischen Vorrichtung 48 zu erzeugen, der Motor 12 so eingestellt werden, dass ein magereres AFR von aus den Motor verlassenden Abgaszustrom erzeugt wird, bis das AFR an dem zweiten Ort gleich dem AFR an dem ersten Ort ist, wodurch der Kraftstoffverbrauch reduziert wird, während dennoch die maximale Menge an Ammoniak erzeugt wird, die an dem ersten diskreten Element 85 erzeugt werden kann. Es sei angemerkt, dass das Einstellen des Motors, um das magerere AFR von den Motor verlassendem Abgaszustrom zu erzeugen, das magerere AFR von den Motor verlassendem Abgaszustrom entsprechend einem stöchiometrischen AFR oder einem unterstöchiometrischen AFR aufweist.
  • 4 ist ein Flussdiagramm 400 zur Steuerung einer Ammoniakerzeugung in einem Abgaszustromausgang von dem Verbrennungsmotor 12, der mit dem Abgasnachbehandlungssystem der 1 und 3 gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgestattet ist. Das Schaubild kann als eine oder mehrere Routinen in dem Steuermodul 5 ausgeführt werden. Tabelle 1 ist als ein Schlüssel zu 4 vorgesehen, wobei die numerisch bezeichneten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt dargestellt sind.
    BLOCK BLOCKINHALTE
    402 Bestimme, ob ein Ammoniakerzeugungszyklus notwendig ist, auf Grundlage der Überwachung eines Motorbetriebs, des Abgaszustromes und des Abgasnachbehandlungssystems.
    406 Ist ein Ammoniakerzeugungszustand erfüllt?
    404 Erhalte Messungen von dem ersten NOx-Sensor 49, dem zweiten NOx-Sensor 52, dem dritten NOx-Sensor 52, dem ersten Abgaszustromsensor 71 und dem zweiten Abgaszustromsensor 73.
    408 Löse einen Ammoniakerzeugungszyklus aus, um Ammoniak an der ersten Nachbehandlungsvorrichtung 48 zu erzeugen.
    410 Ist ein AFR in dem Abgaszustrom an einem zweiten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem fetter als ein AFR in dem Abgaszustrom an einem ersten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem?
    412 Stelle einen Betrieb des Motors ein, bis das AFR an dem zweiten Ort gleich dem Luft-Kraftstoff an dem ersten Ort ist.
    414 Ist ein Zustand zur Beendigung einer Ammoniakerzeugung erfüllt?
    416 Unterbreche den Ammoniakerzeugungszyklus, um Ammoniak an der katalytischen Vorrichtung 48 zu erzeugen.
    418 Ist ein Zustand zur Beendigung einer Ammoniakerzeugung erfüllt?
  • Bezug nehmend auf Block 402 beginnt das Flussdiagramm damit, zu bestimmen, ob ein Ammoniakerzeugungszyklus notwendig ist, und zwar auf Grundlage einer Überwachung eines Motorbetriebs, des Abgaszustromes und des Abgasnachbehandlungssystems 70. Das Flussdiagramm 400 fährt dann zu Entscheidungsblock 406 fort.
  • Der Entscheidungsblock 406 bestimmt, ob ein Ammoniakerzeugungszustand erfüllt ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Ammoniakerzeugungszustand erfüllt, wenn eine Speicherung an der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 niedrig ist und opportunistische Fahrbedingungen vorhanden sind. Beispielsweise ist die Speicherung an der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 niedrig, wenn die Ammoniak-SCR-Vorrichtung keine vorbestimmte Menge an Ammoniak gespeichert hat. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist der Ammoniakerzeugungszustand nur erfüllt, wenn eine Speicherung an der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 niedrig ist. Vom Block 404 kann die Ammoniakabreicherung an der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 auf Grundlage erhaltener Messungen von zumindest einem des ersten, zweiten und dritten NOx-Sensors 49, 52, 60 bestimmt werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird nur der zweite NOx-Sensor 52 verwendet, um zu bestimmen, ob eine Ammoniakspeicherung an der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 niedrig ist, was eine Ammoniakabreicherung angibt. Es sei zu verstehen, dass eine Ammoniakerzeugung nicht erwünscht ist, wenn keine Ammoniakabreicherung vorhanden ist oder die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 anderweitig mit Ammoniak gesättigt ist. Eine Sättigung der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 kann durch Detektieren eines NOx-Durchbruches und eines Ammoniak-Durchbruches stromabwärts der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 unter Verwendung des zweiten NOx-Sensors 52 bestimmt werden. Der Block 404 erhält ferner Messungen von dem ersten bzw. zweiten Abgaszustromsensor 71, 73 zur Verwendung bei dem Entscheidungsblock 410 unten.
  • Ferner bestimmt der Entscheidungsblock 406, ob opportunistische Fahrbedingungen, die einer Ammoniakerzeugung förderlich sind, vorhanden sind, um einen intrusiven Betrieb einer Ammoniakerzeugung unter Betriebsbedingungen zu minimieren, die dafür weniger förderlich sind. Opportunistische Fahrbedingungen können Perioden einer Motorbeschleunigung oder Fahrbedingungen aufweisen, die einen Motorbetrieb mit einem stöchiometrischen AFR oder einem unterstöchiometrischen AFR erfordern. Es sei angemerkt, dass ein Motor während Beschleunigungsperioden bei einem erhöhten Drehmoment und erhöhter Drehzahl arbeitet, wobei der Motor häufig eine Übertragung von einem mager arbeitenden Modus zu einem stöchiometrischen oder fett arbeitenden Modus erfordert. Eine „0“ gibt an, dass der Ammoniakerzeugungszustand nicht erfüllt ist, z.B. eine Ammoniakspeicherung an der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 ist nicht niedrig und/oder opportunistische Fahrbedingungen sind nicht vorhanden. Demgemäß kehrt das Flussdiagramm 400 zurück zu Block 402. Eine „1“ gibt an, dass der Ammoniakerzeugungszustand erfüllt ist, z.B. die Speicherung an der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 ist niedrig und/oder opportunistische Fahrbedingungen sind erfüllt. Das Flussdiagramm 400 fährt zu Block 408 fort.
  • Bezug nehmend auf Block 408 wird ein Ammoniakerzeugungszyklus ausgelöst, um Ammoniak an der ersten Nachbehandlungsvorrichtung 48 zu erzeugen, z.B. wobei die katalytische Vorrichtung 48 eine TWC-Vorrichtung ist. Das Auslösen des Ammoniakerzeugungszyklus, um Ammoniak an der TWC-Vorrichtung 48 zu erzeugen, umfasst ein Steuern eines Betriebs des Motors, um einen den Motor verlassenden Abgaszustrom zu erzeugen, der Stickstoffmonoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (KW) aufweist, die unter Verwendung von einer der Gleichungen [4] und [9] zu Ammoniak an der katalytischen Vorrichtung 48 umgewandelt werden. Die Steuerung des Motors während des Ammoniakerzeugungszyklus umfasst ein Betreiben des Motors von einem überstöchiometrischen AFR zu einem stöchiometrischen AFR oder einem unterstöchiometrischen AFR. Der Betrieb des Motors bei einem stöchiometrischen AFR und einem unterstöchiometrischen AFR erzeugt fette Zonen in dem Abgaszustrom, die notwendig sind, um den Sauerstoff von dem Nachbehandlungssystem abzureichern und anschließend Ammoniak zu erzeugen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist der stöchiometrische Betrieb des Motors ein AFR von etwa 14,6 auf. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist ein fetter Betrieb des Motors ein AFR im Bereich von 14,5 bis 14,0 auf. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel umfasst ein auslösendes Ammoniakerzeugungszyklus einen Betrieb des Motors bei einem AFR von etwa 14,0.
  • Bezug nehmend auf Entscheidungsblock 410 wird bestimmt, ob das AFR in dem Abgaszustrom an einem zweiten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem fetter als das AFR in dem Abgaszustrom an einem ersten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem ist. Demgemäß werden die AFRs in dem Abgaszustrom an dem ersten und zweiten Ort überwacht. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird das AFR in dem Abgaszustrom an dem ersten Ort von dem ersten Abgaszustromsensor 71 erhalten, der stromaufwärts der katalytischen Vorrichtung 48 angeordnet ist. Das AFR in dem Abgaszustrom an dem zweiten Ort wird von dem zweiten Abgaszustromsensor 73 stromabwärts der katalytischen Vorrichtung 48 erhalten. Anschließend wird das überwachte AFR an dem ersten Ort mit dem überwachten AFR an dem zweiten Ort verglichen. Eine „0“ gibt an, dass das AFR in dem Abgaszustrom an dem zweiten Ort nicht fetter als das AFR in dem Abgaszustrom an dem ersten Ort ist. Demgemäß fährt das Flussdiagramm 400 mit Entscheidungsblock 418 fort. Eine „1“ gibt an, dass das AFR in dem Abgaszustrom an dem zweiten Ort fetter als das AFR in dem Abgaszustrom an dem ersten Ort ist. Demgemäß fährt das Flussdiagramm mit Block 412 fort.
  • Bezug nehmend auf Block 412 wird der Betrieb des Motors eingestellt, bis das AFR an dem zweiten Ort gleich dem Luft-Kraftstoff an dem ersten Ort ist. Ein Einstellen des Betriebs des Motors, bis das AFR an dem zweiten Ort gleich dem AFR an dem ersten Ort ist, umfasst ein Einstellen des Betriebs des Motors, um ein erhöhtes AFR von den Motor verlassendem Abgaszustrom zu erzeugen, bis das AFR an dem zweiten Ort gleich dem AFR an dem ersten Ort ist. Es sei angemerkt, dass der Ammoniakerzeugungszyklus, um Ammoniak an der katalytischen Vorrichtung 48 zu erzeugen, fortgesetzt wird, während der Betrieb des Motors eingestellt wird, um das erhöhte AFR von den Motor verlassendem Abgaszustrom zu erzeugen, bis das AFR an dem zweiten Ort gleich dem AFR an dem ersten Ort ist.
  • Mit anderen Worten behält der Motor den Betrieb einer stöchiometrischen AFR oder eines unterstöchiometrischen AFR während und nach der Einstellung des Motors zur Erzeugung des erhöhten AFR bei. Einfach genommen erzeugt der eingestellte Motorbetrieb ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein unterstöchiometrisches AFR, das magerer als das AFR des den Motor verlassenden Abgases ist, wenn der Ammoniakerzeugungszyklus zunächst bei Block 408 ausgelöst wurde. Daher kann der Motor 12 eingestellt werden, um einen mageren den Motor verlassenden Abgaszustrom zu erzeugen, bis das AFR an dem zweiten Ort gleich dem AFR an dem ersten Ort ist, wodurch ein Kraftstoffverbrauch reduziert wird, während dennoch eine maximale Ammoniakmenge erzeugt wird, die an dem ersten diskreten Element 85 erzeugt werden kann. Es sei angemerkt, dass, wenn das den Motor verlassende AFR erhöht ist, das AFR an dem ersten Ort 71 auch zunimmt, jedoch mit einer langsameren Rate, als das AFR an dem zweiten Ort 73. Somit wird in Ansprechen auf eine Zunahme des den Motor verlassenden AFRs ermöglicht, dass das AFR an dem ersten Ort 71 und dem zweiten Ort 73 gleich ist.
  • Bezug nehmend auf Entscheidungsblock 414 wird bestimmt, ob ein Zustand, um eine Ammoniakerzeugung zu beenden, erfüllt ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Zustand zur Beendigung der Ammoniakerzeugung erfüllt, wenn die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 mit Ammoniak gesättigt ist und/oder wenn opportunistische Fahrbedingungen geendet haben. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist der Zustand zur Beendigung der Ammoniakerzeugung nur erfüllt, wenn bestimmt wird, dass die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 mit Ammoniak gesättigt worden ist. Mit anderen Worten ist die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 mit Ammoniak gesättigt worden, wenn die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 eine vorbestimmte Menge an Ammoniak gespeichert hat. Wenn die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 gesättigt worden ist, ist eine weitere Erzeugung von Ammoniak an der katalytischen Vorrichtung 48 nicht mehr gewünscht. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Ammoniaksättigung auf Grundlage einer vorbestimmten verstrichenen Zeit oder durch Überwachen des Abgaszustromes stromabwärts der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 geschätzt werden, um einen Ammoniakdurchbruch zu detektieren, oder nach Ausführung einer vorbestimmten Anzahl von Zylinderereignissen bestimmt werden. Beispielsweise kann der Ammoniakdurchbruch durch Überwachen eines Signalausgangs von einem Ammoniaksensor detektiert werden, der derart konfiguriert ist, den Abgaszustrom der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 zu überwachen. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst der Ammoniakdurchbruch ein Überwachen des zweiten NOx-Sensors 52. Beispielsweise gibt während eines fetten Motorbetriebs ein zunehmender Signalausgang von dem zweiten NOx-Sensor 52 einen Ammoniakdurchbruch an. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die Sättigung unter Verwendung eines Modells geschätzt werden, das ausreichend ist, um einem Betrieb des Verbrennungszyklus, von Nachbehandlungsprozessen, Umwandlungen und überwachte Betriebsbedingungen, einschließlich Ansaugmassenluftstrom, AFR, Motordrehzahl, TWC-Temperatur, TWC-Alterungszustand, Temperatur der Ammoniak-SCR-Vorrichtung und Alterungszustand der Ammoniak-SCR-Vorrichtung genau zu schätzen. Das Modell kann gemäß Testergebnissen kalibriert sein, die einer bestimmten Ausstattungsanwendung entsprechen. Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die Sättigung der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 bestimmt werden, wenn eine vorbestimmte Ammoniakmenge an der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 gespeichert worden ist.
  • Wenn ferner der Entscheidungsblock 414 bestimmt, dass opportunistische Fahrbedingungen geendet haben, kann die Erzeugung von Ammoniak an der katalytischen Vorrichtung 48 aufgrund der Wahrscheinlichkeit eines intrusiven Betriebs der Ammoniakerzeugung unter Betriebsbedingungen, die dafür wenig förderlich sind, nicht mehr gewünscht sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden opportunistische Fahrbedingungen als beendet angenommen, wenn Betriebsbedingungen zur Ammoniakproduktion nicht förderlich sind, z.B. während Fahrzeugverlangsamungen, Motorleerlauf oder Motorstopps. Eine „0“ gibt an, dass der Zustand zur Beendigung der Ammoniakerzeugung nicht erfüllt worden ist, z.B. die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 ist nicht gesättigt und/oder die opportunistischen Fahrbedingungen sind immer noch vorhanden. Demgemäß kehrt das Flussdiagramm zurück zu Block 412. Eine „1“ gibt an, dass der Zustand zur Beendigung der Ammoniakerzeugung erfüllt ist, z.B. eine Bestimmung, dass die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 gesättigt worden ist und/oder die opportunistischen Fahrbedingungen geendet haben. Demgemäß fährt das Flussdiagramm mit Block 416 fort.
  • Bezug nehmend auf Block 416 wird der Ammoniakerzeugungszyklus zur Erzeugung von Ammoniak an der ersten Nachbehandlungsvorrichtung unterbrochen oder beendet. Beispielsweise ist die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 gesättigt oder opportunistische Fahrbedingungen haben geendet. Das Flussdiagramm 400 unterbricht eine Ammoniakerzeugung und wechselt einen Motorbetrieb zu einem normalen Motorbetrieb. Mit anderen Worten wird der Motorbetrieb zum Betrieb bei einem nicht Ammoniak erzeugenden Zustand gewechselt. Beispielsweise kann der Motorbetrieb während des nicht Ammoniak erzeugenden Zustandes einen stöchiometrischen Motorbetrieb ohne Ammoniakerzeugung umfassen. Bei einem anderen Beispiel kann der Motorbetrieb während des nicht Ammoniak erzeugenden Zustandes einen mageren Motorbetrieb umfassen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein magerer Motorbetrieb ein AFR von 16,0. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein magerer Motorbetrieb ein AFR von über 20,0. Die katalytische Vorrichtung 48 reduziert einen Anteil der NOx-Emissionen, die Sauerstoff und Stickstoff stromabwärts zu der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 übertragen. Ammoniak, der an dem Katalysator der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 gespeichert ist, reagiert mit NOx, das in die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 eintritt, wodurch NOx-Emissionen reduziert und Stickstoff und Wasser erzeugt werden. Das gespeicherte Ammoniak wird abgereichert, wenn Ammoniakmoleküle mit NOx-Molekülen reagieren. Wenn das Ammoniak an dem Katalysator der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 abgereichert ist, gelangen NOx-Emissionen unbehandelt durch die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50. Daher kann ein anschließender Ammoniakerzeugungszyklus ausgelöst werden, um Ammoniak an der Katalysatorvorrichtung zu erzeugen.
  • Zurück Bezug nehmend zu Entscheidungsblock 418 wurde eine Bestimmung bei Entscheidungsblock 410 durchgeführt, dass das AFR in dem Abgaszustrom an dem zweiten Ort nicht fetter als das AFR in dem Abgaszustrom an dem ersten Ort ist. Demgemäß ist der Entscheidungsblock 418 analog zu Entscheidungsblock 414 und bestimmt, ob der Zustand zur Beendigung der Ammoniakerzeugung erfüllt ist. Eine „0“ gibt an, dass der Zustand zur Beendigung der Ammoniakerzeugung nicht erfüllt worden ist, z.B. es ist bestimmt worden, dass die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 nicht gesättigt ist und/oder die opportunistischen Fahrbedingungen immer noch vorhanden sind. Demgemäß kehrt das Flussdiagramm zurück zu Block 408. Eine „1“ gibt an, dass der Zustand zur Beendigung der Ammoniakerzeugung erfüllt worden ist, z.B. eine Bestimmung, dass die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 gesättigt worden ist und/oder die opportunistischen Fahrbedingungen geendet haben. Demgemäß fährt das Flussdiagramm 400 mit Block 416 fort.
  • 5 zeigt graphisch beispielhafte Testdaten, die eine Beziehung zwischen der Ammoniakproduktion und Fahrzeuggeschwindigkeiten repräsentieren. Die horizontale Achse bezeichnet eine Testzeit in Sekunden von 0 bis 1200 Sekunden in Inkrementen von 200 Sekunden. Die linke vertikale Achse zeigt eine Ammoniakkonzentration in ppm von 0 bis 2000 ppm in Inkrementen von 500 ppm. Die rechte vertikale Achse zeigt eine Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h von 0 bis 600 km/h in Inkrementen von 120 km/h. Die Profilline 106 repräsentiert eine Ammoniakkonzentration über die gezeigte Testzeit und die Profillinie 107 repräsentiert eine Fahrzeuggeschwindigkeit über die gezeigte Testzeit. Ammoniakkonzentrationen wurden mit einem Fourier-transformierten Infrarotspektrometer während Motorbetriebsabläufen unter Verwendung des beispielhaften Nachbehandlungssystems 70 gemessen. Wie 5 zeigt, können während Motorbeschleunigungen, wenn der beispielhafte Motor 10 bei Stöchiometrie oder geringfügig unterstöchiometrisch (z.B. AFR zwischen 13,8:1 und 14,2:1) arbeitet, von der katalytischen Vorrichtung 48 erzeugte Ammoniakkonzentrationen zunehmen.
  • 6 zeigt graphisch beispielhafte Testdaten, die eine Beziehung zwischen kumulativen NOx-Emissionen aus dem beispielhaften Motor 10 heraus, der katalytischen Vorrichtung 48 und der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 und der Fahrzeuggeschwindigkeit zeigt. Die horizontale Achse zeigt eine Testzeit in Sekunden von 0 bis 1200 Sekunden in Inkrementen von 200 Sekunden. Die linke vertikale Achse zeigt kumulative NOx-Emissionen in g/k von 0 bis 2,0 g/k in Inkrementen von 0,4 g/k. Die rechte vertikale Achse zeigt eine Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h von 0 bis 600 km/h in Inkrementen von 120 km/h. die Profillinie 108 repräsentiert ein kumulatives, den Motor verlassendes NOx. Die Profillinie 109 repräsentiert ein kumulatives NOx, das nach der katalytischen Vorrichtung 48 gemessen ist. Die Profillinie 110 repräsentiert ein kumulatives NOx, das nach der Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 gemessen ist. Die Kurve 111 repräsentiert eine Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h. Wenn der beispielhafte Motor 10 gesteuert wird, um zwischen mageren und fetten Exkursionen zu wechseln, gelangen signifikant weniger NOx-Emissionen aus dem Nachbehandlungssystem 70, als von dem beispielhaften Motor 10 in den Abgaszustrom ausgestoßen wird. 6 zeigt auch eine NOx-Reduktion durch die Ammoniak-SCR-Vorrichtung 50 nach der NOx-Reduktion in der katalytischen Vorrichtung 48.
  • Die 7 und 8 zeigen graphisch beispielhafte Testdaten, die eine Beziehung zwischen AFR, dem Motorbetrieb und der Wasserstoffproduktion gemäß der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Die vertikale Achse in jeder der 7 und 8 zeigt eine Größe von Wasserstoff in ppm von 0 bis 4000 ppm in Inkrementen von 500 ppm. Die horizontale Achse in jeder der 7 und 8 zeigt eine Testzeit in Sekunden von 0 bis 1000. Genauer zeigt 7 eine Steuersequenz 705 einer Kraftstoffimpulsbreite, eines Profils 715 der Wasserstoffproduktion aus dem Motor heraus und ein Wasserstoffanwesenheitsprofil 725 unmittelbar stromabwärts eines ersten diskreten Elements, z.B. eines vorderen Bricks einer TWC-Vorrichtung. Die Steuersequenz 705 der Kraftstoffimpulsbreite, die einem Wert von „0“ entspricht, gibt an, dass die Steuersequenz 705 „ein“ ist und der Motor bei einer stöchiometrischen AFR oder einer unterstöchiometrischen AFR arbeitet. Demgemäß wird während der Impulse, wenn die Steuersequenz 705 „ein“ ist, der den Motor verlassende Wasserstoff erzeugt, wie durch das Wasserstoffproduktionsprofil 715 gezeigt ist. Ein Wert von „1“ gibt an, dass die Steuersequenz 705 „aus“ ist und der Motor bei einem überstöchiometrischen AFR arbeitet. Demgemäß wird während der Impulse, wenn die Steuersequenz 705 „aus“ ist, der den Motor verlassende Wasserstoff nicht so erzeugt, wie durch das Wasserstoffproduktionsprofil 715 gezeigt ist. Das Wasserstoffanwesenheitsprofil 725 gibt eine minimale Anwesenheit von Wasserstoff unmittelbar stromabwärts des ersten diskreten Elements ungeachtet dessen an, ob die Steuersequenz 705 „ein“ oder „aus“ ist. Die minimale Anwesenheit von Wasserstoff kann auf die Ammoniakbildung an dem ersten diskreten Element zurückgeführt werden, wie in Gleichung [9] unterstützt ist.
  • 8 zeigt eine Steuersequenz 805 einer Kraftstoffimpulsbreite, eines Profils 815 der Wasserstoffproduktion aus dem Motor und eines Wasserstoffanwesenheitsprofils 825 unmittelbar stromabwärts eines zweiten diskreten Elements, z.B. rückwärtiger Brick einer TWC-Vorrichtung. Die Steuersequenz 805 ist analog zu der Steuersequenz 705, wie in 7 gezeigt ist. Das Wasserstoffanwesenheitsprofil 825 gibt eine erhöhte Anwesenheit von Wasserstoff unmittelbar stromabwärts des zweiten diskreten Elements an, wenn das AFR während der Steuersequenz 805 verringert ist, was in einem erhöhten fetten Motorbetrieb resultiert. Die Anwesenheit von Wasserstoff unmittelbar stromabwärts des zweiten diskreten Elements kann auf eine Wasser-Gas-Shift-Reaktion, die in Gleichung [11] ermöglicht ist, in der Anwesenheit einer Sauerstoffspeicherkapazität an einem zweiten diskreten Element zurückgeführt werden. Somit erzeugt die Wasser-Gas-Shift-Reaktion Wasserstoff als ein Nebenprodukt an dem zweiten diskreten Element.
  • Die 9 und 10 zeigen graphisch beispielhafte Testdaten, die eine Beziehung zwischen dem AFR eines den Motor verlassenden Abgaszustroms und eines Motordrehzahlprofils während eines Ammoniakerzeugungszyklus gemäß der vorliegenden Erfindung repräsentieren. Die horizontale Achse in jeder der 9 und 10 zeigt eine Zeit in Sekunden, und die vertikale Achse an der rechten Seite in jeder der 9 und 10 zeigt eine Motordrehzahl in U/min. Die vertikale Achse an der linken Seite in 9 zeigt ein AFR in einem Abgaszustrom stromaufwärts einer TWC-Vorrichtung, wie durch einen Breitbereichs-AFR-Sensor gemessen ist, und die vertikale Achse an der linken Seite in 10 zeigt ein AFR in dem Abgaszustrom stromabwärts der TWC-Vorrichtung, wie durch einen Weitbereichs-AFR-Sensor gemessen ist.
  • Bezug nehmend auf jede der 9 und 10 ist ein Motordrehzahlprofil 1 gezeigt, und die Profillinie 14,0 repräsentiert ein Motorausgangs-AFR von 14,0, die Profillinie 14,1 repräsentiert ein Motorausgangs-AFR von 14,1, die Profillinie 14,2 repräsentiert ein Motorausgangs-AFR von 14,2, und die Profillinie 14,3 repräsentiert ein Motorausgangs-AFR von 14,3. Ein Ammoniakerzeugungszyklus wird bei etwa 140 Sekunden ausgelöst. Bei etwa 150 Sekunden besitzt die Profillinie 14,0 ein gemessenes AFR von etwa 14,0 stromaufwärts der TWC-Vorrichtung (siehe 9), während ein AFR von etwa 13,5 stromabwärts der TWC-Vorrichtung gemessen wird (siehe 10). Gleichermaßen besitzt die Profillinie 14,1 ein gemessenes AFR von etwa 14,1 stromaufwärts der TWC-Vorrichtung (siehe 9), während ein AFR von etwa 13,7 stromabwärts der TWC-Vorrichtung gemessen wird (siehe 10). Gleichermaßen besitzt die Profillinie 14,2 ein gemessenes AFR von etwa 14,2 stromaufwärts der TWC-Vorrichtung (siehe 9), während ein AFR von etwa 14,0 stromabwärts der TWC-Vorrichtung gemessen wird (siehe 10). Gleichermaßen besitzt die Profilline 14,3 ein gemessenes AFR von etwa 14,3 stromaufwärts der TWC-Vorrichtung (siehe 9), während ein AFR von etwa 14,2 stromabwärts der TWC-Vorrichtung gemessen wird (siehe 10). Auf Grundlage der in den 9 und 10 gezeigten Daten wird offensichtlich, dass eine erhöhte Abweichung zwischen dem stromabwärts der TWC-Vorrichtung gemessenen AFR und dem stromaufwärts des TWC gemessenen AFR vorhanden ist, je geringer das Motorausgangs-AFR ist. Mit anderen Worten steigt, sobald eine maximale Menge an Ammoniak, die von der TWC-Vorrichtung umgewandelt werden kann, erreicht ist, die Anwesenheit von Wasserstoff stromabwärts der TWC-Vorrichtung, wenn das Motorausgangs-AFR fetter wird. Demgemäß kann der Motor so eingestellt werden, dass ein magereres Motorausgangs-Abgas erzeugt wird, bis das AFR stromabwärts der TWC-Vorrichtung gleich dem AFR stromaufwärts der TWC-Vorrichtung ist, wodurch der Kraftstoffverbrauch reduziert wird, während dennoch die maximale Menge an Ammoniak erzeugt wird, die an der TWC-Vorrichtung während eines opportunistischen Fahrzustandes erzeugt werden kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Steuern einer Ammoniakerzeugung in einem Abgaszustrom, der von einem Verbrennungsmotor (10) ausgegeben wird, das mit einem Abgasnachbehandlungssystem (70) ausgestattet ist, das eine erste Nachbehandlungsvorrichtung (48) aufweist, umfassend: Ausführen eines Ammoniakerzeugungszyklus zur Erzeugung von Ammoniak an der ersten Nachbehandlungsvorrichtung (48), wobei der Ammoniakerzeugungszyklus umfasst: Überwachen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in dem Abgaszustrom an einem ersten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem (70); Überwachen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in dem Abgaszustrom an einem zweiten Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem (70); Vergleichen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses an dem ersten Ort mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem zweiten Ort; und wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem zweiten Ort fetter als das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem ersten Ort ist, Einstellen eines Betriebs des Verbrennungsmotors (10), bis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem zweiten Ort gleich dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem ersten Ort ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ammoniakerzeugungszyklus zur Erzeugung von Ammoniak an der ersten Nachbehandlungsvorrichtung (48) umfasst: Betreiben des Verbrennungsmotors (10) zur Erzeugung eines den Verbrennungsmotor (10) verlassenden Abgaszustroms, der Stickstoffmonoxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe aufweist, was zu Ammoniak an der ersten Nachbehandlungsvorrichtung (48) umgewandelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Verbrennungsmotor (10) bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem (70) einen Ort in dem Abgaszustrom stromaufwärts der ersten Nachbehandlungsvorrichtung (48) umfasst und wobei der zweite Ort in dem Abgasnachbehandlungssystem (70) einen Ort in dem Abgaszustrom stromabwärts der ersten Nachbehandlungsvorrichtung (48) umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Nachbehandlungsvorrichtung (48) eine katalytische Dreiwege-Vorrichtung (48) umfasst, die fluidtechnisch stromaufwärts einer ammoniakselektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung (50) seriell verbunden ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen des Betriebs des Verbrennungsmotors (10), bis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem zweiten Ort gleich dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem ersten Ort ist, ein Einstellen eines Betriebs des Verbrennungsmotors (10) umfasst, um ein erhöhtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines den Verbrennungsmotor (10) verlassenden Abgaszustroms zu erzeugen, bis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem zweiten Ort gleich dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem ersten Ort ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Nachbehandlungsvorrichtung (48) zwei diskrete Elemente (85, 95) umfasst, die in Reihe entlang einer Strömungsachse des Abgaszustromes positioniert sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die beiden diskreten Elemente (85, 95) ein erstes diskretes Element (85), das katalytisches Material aufweist, das Palladium umfasst, und ein zweites diskretes Element (95) umfassen, das katalytisches Material aufweist, das Palladium und Rhodium und ein Sauerstoffspeicherkapazitätsmaterial umfasst, das zumindest eines aus Cer- und Zirkonium umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausführen des Ammoniakerzeugungszyklus zur Erzeugung von Ammoniak an der ersten Nachbehandlungsvorrichtung (48) bewirkt wird, wenn eine ammoniakselektive katalytische Reduktionsvorrichtung (50), die fluidtechnisch stromabwärts der ersten Nachbehandlungsvorrichtung (48) seriell verbunden ist, von Ammoniak abgereichert ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit einem Unterbrechen des Ammoniakerzeugungszyklus zur Erzeugung von Ammoniak an der ersten Nachbehandlungsvorrichtung (48), wenn die ammoniakselektive katalytische Reduktionsvorrichtung (50) eine vorbestimmte Ammoniakmenge gespeichert hat.
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