DE102017100290B4

DE102017100290B4 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der anspringleistung von nachbehandlungskatalysatoren

Info

Publication number: DE102017100290B4
Application number: DE102017100290.1A
Authority: DE
Inventors: Gongshin Qi; Eric D. Thomas; Charles E. Solbrig
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2037-01-10
Also published as: US20170198653A1; US9777654B2; DE102017100290A1

Abstract

Ein Abgasnachbehandlungssystem (10, 510, 520, 530) zur Reinigung von Abgasen aus einem Motor (12) mit Kompressionszündung eines Fahrzeugs, umfassend:eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532);eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung (40, 516, 526, 536), die einen ammoniakselektiven katalytischen Reduktionskatalysator umfasst, der mit einem der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) nachgelagerten Auslass strömungstechnisch verbunden ist, undein Steuersystem (5) mit einem Steuermodul, das dafür konfiguriert ist:die Fahrzeugbetriebsparameter zu überwachen (402);und basierend auf den Fahrzeugbetriebsparametern:festzustellen (404), ob das Fahrzeug angehalten ist,festzustellen (406), ob dem Motor (12) signalisiert wird, sich abzuschalten;festzustellen (408), ob die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur liegt, undden Motor (12) für einen vorgegebenen Zeitraum in einem Nachlaufzustand zu steuern (410), wenn das Fahrzeug angehalten ist, dem Motor (12) signalisiert wurde, sich abzuschalten und die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) bei der vorgegebenen Betriebstemperatur liegt, wobei der besagte Nachlaufzustand einen Motorbetrieb in einem gedrosselten und betankten Zustand umfasst, der ausreicht, um die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) zu regenerieren,dadurch gekennzeichnet, dassdas Steuersystem (5) mit dem Steuermodul ferner dafür konfiguriert ist, die Temperatur der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) zu steuern (600), um die vorgegebene Betriebstemperatur der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) mittels eines elektrisch beheizten Katalysators zu erreichen,die vorgegebene Betriebstemperatur der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) 300 °C beträgt, undder vorgegebene Zeitraum, in welchem der Motor (12) in dem Nachlaufzustand gesteuert wird, 5 bis 10 Sekunden lang ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Abgasreinigungssysteme für Kompressionszündungs-Verbrennungsmotoren.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Aus diesem Grund sollen die besagten Angaben keine Berechtigung als Stand der Technik darstellen.
Kompressionszündungs-Verbrennungsmotoren arbeiten mit einem mageren Luft- / Kraftstoffverhältnis, um die gewünschte Kraftstoffeffizienz zu erreichen. Ein magerer Motorbetrieb kann Stickstoffoxide erzeugen (NO_x), wenn sich die in der Motoreinlassluft vorhandenen Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle bei den hohen Verbrennungstemperaturen absondern. Die NO_x-Erzeugungsgeschwindigkeiten folgen bekannten Beziehungen in dem Verbrennungsvorgang, zum Beispiel sind die Luftmoleküle bei höheren NO_x-Erzeugungsgeschwindigkeiten, die mit höheren Verbrennungstemperaturen verbunden sind, höheren Temperaturen ausgesetzt. NO_x-Moleküle können in Nachbehandlungsvorrichtungen zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Die Wirksamkeit bekannter Nachbehandlungsvorrichtungen ist von den Betriebsbedingungen, einschließlich der mit den Abgasströmungstemperaturen und dem Luft-/Kraftstoff-Verhältnis des Motors verbundenen Betriebstemperatur, abhängig. Nachbehandlungsvorrichtungen beinhalten Materialien, die, wenn sie erhöhten Temperaturen und/oder Verunreinigungen in dem Abgaszustrom ausgesetzt werden, für Beschädigung oder Verschleiß anfällig sind.
Abgasnachbehandlungssysteme reinigen Abgase durch Filterung, Oxidation und/oder Reduzierung von Bestandteilen in einem Abgaszustrom. Drei-Wege-Katalysatoren (TWC) oxidieren und reduzieren Abgasbestandteile. NO_x Adsorber speichern NO_x, die anschließend unter spezifischen Motorbetriebsbedingungen desorbiert und reduziert werden können. Dieselpartikelfilter (DPF) sind in der Lage, Feinstaub im Abgaszustrom durch mechanische Filterung zu entfernen.
Das Abgasbehandlungssystem eines Magerverbrennungsmotors enthält in der Regel einen Dieseloxidationskatalysator (DOC). Wenn der Abgasstrom durch den DOC geleitet wird, berührt er ein Katalysatormaterial, wie z. B. Platin, welches CO zu CO₂, HC zu CO₂ und Wasser, und NO zu NO₂ oxidieren kann. Die Abgase können dann durch ein selektives katalytisches Reduktionssystem (SCR-) geleitet werden, das dem Oxidationskatalysator innerhalb des Behandlungssystems nachgelagert angeordnet ist. Ein SCR funktioniert durch Einspritzen eines Reduktionsmittels, wie z. B. Ammoniak oder unverbrannten Kraftstoffbestandteilen in den Abgaszustrom, bevor die Abgase über ein Reduktionskatalysatormaterial geleitet werden, das zur Reduzierung einer Menge an NO₂ zu N₂ in den Abgasen in Gegenwart des Reduktionsmittelzusatzes dient.
In einem anderen Ansatz kann ein Motor, der hauptsächlich in einem kraftstoffarmen Modus betrieben wird, so gesteuert werden, dass er kurzzeitig in einem kraftstoffreichhaltigen Modus arbeitet, um die Menge an unverbrannten Kraftstoffbestandteilen in den Abgasen zu erhöhen. Wenn der Motor im kraftstoffreichhaltigen Modus betrieben wird, fördern die Kraftstoffbestandteile in den Abgasen die Reduktion von NO₂ zu N₂ in Gegenwart eines Reduktionskatalysators. In diesem Behandlungsverfahren werden die Abgase in Kontakt mit einer Kombination von Materialien geleitet, die, wenn sie in einem Behandlungssystem kombiniert werden, in der Lage sind, NO_x effizient zu N₂zu reduzieren. Die besagte Kombination ist als NO_x-Speicherkatalysator (LNT) bekannt. Ein herkömmlicher LNT beinhaltet einen NO_x-Oxidationskatalysator, einen NO_x-Reduktionskatalysator und ein NO_x-Speichermaterial, um NO_x zwischenzuspeichern. LNTs funktionieren unter zyklischen oxidierenden und reduzierenden Abgasbedingungen. Die zyklische Abgasumgebung wird für einen Großteil eines Motorsteuerzyklus durch Betreiben des zugehörigen Motors in einem kraftstoffarmen Modus und für einen kleineren Teil des Zyklus durch Betreiben in einem kraftstoffreichhaltigen Modus gesteuert. Der Motorsteuerzyklus wird wiederholt und die kontrollierten zyklischen oxidierenden und reduzierenden Abgasbedingungen werden erzeugt.
Fahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor (ICE) beinhalten ein Abgasbehandlungssystem zur Behandlung der Abgase des Motors. Das Behandlungssystem beinhaltet in der Regel einen motornahen Katalysator und einen Bodenkatalysator, von denen jeder einen Katalysator beinhaltet, der Stickoxide in den Abgasen zu Stickstoff und Wasser reduziert, und Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HCs) zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Der Katalysator kann unter anderem auch Platingruppenmetalle (PGM) beinhalten. Der Katalysator ist erst betriebsfähig, wenn dieser auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, die oft als Zündtemperatur bezeichnet wird. Die Abgase können verwendet werden, um das Katalysatormaterial zur Behandlung der Abgase auf die Zündtemperatur zu erhitzen.
Niedrigtemperatur-Emissionssteuertechnologien können eine Abgasheizung, wie z. B. ein elektrisches Heizmodul, beinhalten, um die Abgase weiter zu erwärmen und die Zeit zu verkürzen, die nötig ist, um den Katalysator auf die Zündtemperatur zu erhitzen. Die Einbeziehung einer solchen Vorrichtung kann jedoch die Komplexität und die Kosten des Emissionssteuersystems beträchtlich erhöhen.
DE 10 2013 007 713 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1. US 2012/ 0 110 981 A1 offenbart das Bereitstellen einer reduktiven Umgebung in einer Abgasleitung stromaufwärts eines Stickstoff-Speicher-Katalysators, um diesen während des Abschalten eines Motors zumindest teilweise zu reaktivieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Abgasnachbehandlungssystem zum Reinigen von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 1 bereit.
Figurenliste
Es werden nun exemplarisch eine oder mehrere Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung, einer zweiten Abgasnachbehandlungsvorrichtung und einem Reduktionsmitteleinspritzsystem gemäß der Offenbarung veranschaulicht;
2 eine FTP-75-Zykluskurve sowie die entsprechenden NO_x Emissionen während des Kaltstarts und im nachfolgenden Motorbetrieb, gemäß der Offenbarung veranschaulicht;
3-1 die CO-Oxidationsleistung einer LNT-basierten Nachbehandlungsvorrichtung basierend auf der Abgaseinlasstemperatur gemäß der Offenbarung veranschaulicht;
3-2 die C₃H₆ Oxidationsleistung einer LNT-basierten Nachbehandlungsvorrichtung basierend auf der Abgaseinlasstemperatur gemäß der Offenbarung veranschaulicht;
3-3 die HC-Oxidationsleistung einer LNT-basierten Nachbehandlungsvorrichtung in Relation zur Abgaseinlasstemperatur gemäß der Offenbarung veranschaulicht;
4 ein Verfahren zum Steuern des Motors zur Verbesserung der Umwandlung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung während der Kaltstartvorgänge des Motors gemäß der Offenbarung veranschaulicht;
5-1 eine alternative Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems, das dafür konstruiert wurde, Abgase zu reinigen, die von einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung gemäß der Offenbarung ausgestoßen werden veranschaulicht;
5-2 eine alternative Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems, das dafür konstruiert wurde, Abgase zu reinigen, die von einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung gemäß der Offenbarung ausgestoßen werden veranschaulicht;
5-3 eine alternative Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems, das dafür konstruiert wurde, Abgase zu reinigen, die von einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung gemäß der Offenbarung ausgestoßen werden veranschaulicht;
6 ein Verfahren zum Steuern des Motors zur Verbesserung der Umwandlung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung während der Kaltstartvorgänge in einem Abgasnachbehandlungssystem einschließlich einem elektrisch beheizten Katalysator (EHC) gemäß der Offenbarung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin die Darstellungen nur zur Veranschaulichung, nicht jedoch zur Einschränkung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen dienen, veranschaulicht 1 schematisch einen exemplarischen Verbrennungsmotor, ein Abgasnachbehandlungssystem 10, das gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung konstruiert wurde, um Abgase zu reinigen, die von einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung 12 ausgestoßen werden.
In einer Ausführungsform entspricht der Verbrennungsmotor einem mehrzylindrigen Kompressionszündungs-, Direkteinspritz-, Viertakt-Verbrennungsmotor, der in einem sich wiederholenden Verbrennungszyklus arbeitet und Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Ausstoßtakte einschließt. Der Motor 12 arbeitet bei einem Luft-/Kraftstoffverhältnis, das hinsichtlich der Stöchiometrie hauptsächlich mager ist und Abgase, darunter auch Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x) und Feinstaub (PM), erzeugt. Der Motor 12 weist einen Abgasauslass auf, der vorzugsweise einen Auspuffkrümmer 14 beinhaltet, der die daraus strömenden Abgase mitführt und an das Abgasnachbehandlungssystem 10 ableitet. Der Betrieb des Motors 12 und des Nachbehandlungssystems 10 wird durch eine Motorsteuereinheit 5 überwacht und gesteuert. Ein Steuersystem umfasst den Motor 12, das Nachbehandlungssystem 10, die Motorsteuereinheit und andere zugeordnete Komponenten, Sensoren, Eingänge und Steuerroutinen.
Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuergerät, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen einer oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC), zentrale Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und dazugehörige Arbeits- und Datenspeicher (Lesespeicher, programmierbare Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenlaufwerke, usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder Routinen, kombinatorische Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und -geräte, entsprechende Signal-Konditionierungs- und Pufferschaltungen ausführen, sowie weitere Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Maschinencode, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen Befehlssätze, einschließlich Kalibrierungen und Wertetabellen. Die Steuereinheit führt eine Reihe von Steuerroutinen aus, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Routinen werden, zum Beispiel durch eine zentrale Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, die Eingänge der Sensorgeräte und anderer vernetzter Steuermodule zu überwachen und um Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Stellantrieben zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Abständen, z. B. nach jeweils 100 Mikrosekunden, 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden im laufenden Motor- und Fahrzeugbetrieb ausgeführt werden. Alternativ dazu können die Routinen in Reaktion auf ein auftretendes Ereignis ausgeführt werden.
Das Abgasnachbehandlungssystem 10 reinigt die Abgase des Verbrennungsmotors mit Kompressionszündung 12 und beinhaltet eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 40 und ein Reduktionsmitteleinspritzsystem mit Urea-Einspritzdüse 50. Die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 beinhaltet einen Oxidationskatalysator und ein Feinstaubfilterelement und ist strömungstechnisch mit einem Abgasauslass, wie z. B. dem Auspuffkrümmer 14 des Motors 12, verbunden. Die zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 40 beinhaltet einen ammoniakselektiven katalytischen Reduktionskatalysator, der über ein Abgasrohr 30 mit einem nachgelagerten Auslass der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 40 strömungstechnisch verbunden ist. Das Reduktionsmittel-Einspritzsystem injiziert Urea-Reduktionsmittel in den Abgaszustrom zwischen der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 und der zweiten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 40.
Das Abgasnachbehandlungssystem 10 beinhaltet vorzugsweise Abgassensoren, darunter auch einen ersten Sensor 51, der den Motorabgaszustrom überwacht, einschließlich den Zustand eines Parameters, der mit dem Luft-/Kraftstoffausstoßverhältnis des Motors und/oder einem Bestandteil der Motorabgase korrelierbar ist. Das Abgasnachbehandlungssystem 10 beinhaltet weitere Sensoren, darunter auch einen Sensor, der den dem Abgasnachbehandlungssystems 10 nachgelagerten Abgaszustrom überwacht. Die Überwachung des Abgaszustroms beinhaltet z. B. die Überwachung des Zustandes eines Parameters, der mit dem Luft-/Kraftstoffausstoßverhältnis des Motors korrelierbar ist, die Überwachung eines Bestandteils des Abgaszustroms oder die Überwachung einer Betriebskenngröße des Abgasnachbehandlungssystems 10 oder einer seiner Vorrichtungen, wie z. B. der Temperatur. Die Signalausgänge des ersten Sensors 51 und anderer Sensoren werden von der Steuereinheit 5 zu Zwecken überwacht, die die Steuerung und Diagnose des Motors 12 und des Abgasnachbehandlungssystems 10 betreffen.
Die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 beinhaltet einen Oxidationskatalysator in Kombination mit einem Feinstaubfilterelement, das mit dem Auspuffkrümmer 14 des Motors 12 strömungstechnisch verbunden ist, um mitgeführte Rohabgase, die von dem Motor 12 ausgestoßen werden, zu behandeln. Die Behandlung von mitgeführten Rohabgasen beinhaltet vorzugsweise das Oxidieren unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HCs) sowie das mechanische Entfernen von Feinstaub per Filterung. In einer Ausführungsform beinhaltet das Feinstaubfilterelement ein Keramiksubstrat in Form eines monolithischen Cordieritsubstrats mit einer Zelldichte von etwa 31 bis 62 Zellen pro Quadratzentimeter (200 - 400 Zellen pro Quadratzoll) und einer Wandstärke von drei bis sieben Mils. Alternierende Zellen des Substrats sind an einem Ende verstopft. Die Wände des Substrats weisen eine hohe Porosität, z. B. eine Porosität von etwa 55 % oder höher mit einer mittleren Porengröße von etwa 25 Mikrometern auf, um ein Strömen von Abgasen zu ermöglichen und Feinstaub in dem Abgaszustrom einzuschließen. Andere geeignete Substrate können verwendet werden, um Feinstaub, der während der Verbrennung erzeugt wird, einzuschließen, zu oxidieren und anderweitig zu behandeln. Die Wände des Substrats werden mit einer katalytisch aktiven Beschichtung imprägniert, um die in dem Abgaszustrom enthaltenen unverbrannten HCs zu oxidieren. Die Beschichtung beinhaltet geeignete katalytisch aktive Materialien, wie z. B. Platingruppenmetalle, darunter auch Pt, Pd und Additive, einschließlich z. B. Ce, Zr, La, Ba bei Dichten und Verhältnissen, die ausreichen, um die Oxidation der unverbrannten HCs zu bewirken und andere Operationen, wie z. B. die Sauerstoffspeicherung für diagnostische Untersuchungen, durchzuführen. In einer Ausführungsform wird ein Pulver mit 50 g/ft ³ in einem Verhältnis von 2:1 Pt:Pd unter Verwendung einer Aufschlämmung mit Chlorplatinsäure (H₂PtCl₆. 6H₂O) und Palladiumnitrat (Pd(NO₃)₂) das mit einer Lösung, die Platin beinhaltet und einer Lösung, die Palladium beinhaltet und gerührt, getrocknet und kalziniert wurde. Eine Beschichtungsaufschlämmung, die das kalzinierte Pulver, Wasser und Essigsäure beinhaltet wird hergestellt und mithilfe eines Längsaufschlämmungsströmungsverfahrens auf einen Cordierit-Substratkern aufgebracht. Das beschichtete Substrat wird getrocknet und kalziniert und anschließend zu einem fertigen Gerät zusammengebaut, das auf einem Fahrzeug montiert wird. Konstruktionsmerkmale, einschließlich Gesamtvolumen, Raumgeschwindigkeit, Zelldichte, Beschichtungsmaterialien und Beladung(en) katalytischer Materialien sind anwendungsspezifisch.
In einer exemplarischen alternativen Ausführungsform kann die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 mit Materialien behandelt werden, die sich in NO_x Speicherkatalysator (LNT) Systemen finden. In einer weiteren exemplarischen alternativen Ausführungsform kann die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung LNT-Materialien beinhalten, die der Beschichtung eines Oxidationskatalysators hinzugefügt werden, sodass die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 ein beschleunigtes Kaltstartanspringen und reduzierte Emissionen während des Kaltstarts des Motors ermöglichen kann. Bekannte LNT-Systeme schließen eine Ansammlung von Feinstaub ein, der in der Lage ist, in den sauerstoffreichhaltigen Abgasen eines Magerverbrennungsmotors NO_x zu N₂ umzuwandeln. Das LNT-System kombiniert (1) ein Oxidationskatalysatormaterial, das in der Lage ist, NO zu NO₂ zu oxidieren (2), ein Speichermaterial, das in der Lage ist, NO_x vorübergehend zu speichern oder „einzuschließen“ und aus den Abgasen zu entfernen (3) und ein Reduktionskatalysatormaterial, das in der Lage ist, NO₂ zu N₂ zu reduzieren. Die drei LNT-Materialien (Oxidation, Speicherung und Reduktion) wandeln zusammenwirkend NO_x zu N₂ um, wenn diese zyklisch einer oxidierenden Abgasumgebung und einer reduzierenden Abgasumgebung ausgesetzt sind. Die gesteuerte zyklische Abgasumgebung wird durch Betreiben des zugehörigen Motors in einem kraftstoffarmen Modus für einen Großteil eines Motorsteuerzyklus und in einem kraftstoffreichhaltigen Modus für einen kleineren Teil des Motorzyklus erzeugt.
In der Regel arbeitet ein Motor mit Kompressionszündung, indem er ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff mit einem Luft-Kraftstoffmengenverhältnis (L/K) verbrennt, das größer ist als das stöchiometrische L/K-Verhältnis, das ansonsten als „mageres“ Gemisch bezeichnet wird. Das stöchiometrische L/K-Verhältnis von Dieselkraftstoff entspricht etwa 14,7, aber das in einem typischen Dieselmotor mit Kompressionszündung verbrannte L/K-Verhältnis entspricht 17 oder mehr. Ein mageres Gemisch aus Luft und Kraftstoff enthält mehr Sauerstoff als für eine vollständige Kraftstoffverbrennung notwendig ist, und wenn es in einem Motor verbrannt wird, entstehen Abgase, die höhere Sauerstoffkonzentrationen (z. B. etwa ein bis zehn Volumenprozent) enthalten. Motoren, die magere Gemische aus Luft und Kraftstoff verbrennen, sind kraftstoffsparend und die dadurch entstehenden Abgase enthalten geringe Mengen an unverbrannten Kraftstoffbestandteilen (z. B. etwa 250 bis 750 ppmv HC) und nominale Mengen an CO. Das heißt, dass ein Magerverbrennungsmotor in der Regel eine oxidierende Abgasumgebung erzeugt.
Alternativ dazu wird ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff mit einem L/K-Verhältnis, das dem stöchiometrischen L/K-Verhältnis gleich oder kleiner als dasselbe ist, als „reichhaltiges“ Gemisch bezeichnet. Ein Gemisch mit einem L/K -Verhältnis, das gleich dem stöchiometrischen Verhältnis ist, enthält gerade genug Sauerstoff, um den Kraftstoff vollständig zu verbrennen, während ein Gemisch mit einem L/K-Verhältnis, das kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist, überschüssigen Kraftstoff enthält. Wenn eines der beiden Gemische in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird, enthalten die ausströmenden Abgase niedrige Sauerstoffkonzentrationen (z. B. weniger als ein Volumenprozent) und relativ hohe Mengen an CO und HCs (z. B. etwa 0,5 bis 1,0 Volumenprozent und etwa 500 bis 1.000 Ppmv). Daher erzeugen reichhaltige Verbrennungsmotoren in der Regel eine reduzierende Abgasumgebung.
Daher wird der hierin offenbarte Verbrennungsmotor durch Verbrennen eines steuerbaren Gemisches aus Luft und Kraftstoff betrieben, das in Bezug auf das stöchiometrische L/K-Verhältnis entweder mager oder reichhaltig und Abgase entweder mit einer oxidierenden oder reduzierenden Umgebung erzeugt. Wenn der Motor im kraftstoffarmen Modus betrieben wird, fördert der überschüssige Sauerstoff in den Abgasen im Vergleich zum Oxidationskatalysatormaterial die Oxidation von NO zu NO₂ und die Entfernung von NO_x aus den Abgasen durch Adsorption auf das Speichermaterial. Wenn der Motor in einem kraftstoffreichhaltigen Modus betrieben wird, lösen die Kraftstoffbestandteile in den Abgasen die Freisetzung von NO_x aus dem Speichermaterial (und die Regeneration von NO_x-Speicherstellen) aus und fördern im Vergleich zum Katalysatormaterial die Reduktion des freigesetzten NO_x zu N₂.
Während des Betriebs wird der Motor zyklisch zwischen kraftstoffarmen und kraftstoffreichhaltigen Modi betrieben, sodass die drei LNT-Materialien (Oxidation, Reduktion und Speicherung) zusammenwirkend NO_x aus den von dem Motor erzeugten Abgasen entfernen können. Zusätzlich wird die Dauer der jeweiligen Zyklen und Modi so optimiert, dass die NO_x Speicherstellen auf dem Speichermaterial häufig regeneriert werden und das LNT-System kontinuierlich einen behandelten Abgasstrom mit akzeptablen niedrigen NO_x Werten erzeugt.
In der exemplarischen Ausführungsform wird dem Motor 12 ein kontinuierlicher Luftstrom mit einem veränderlichen Mengendurchsatz in Abhängigkeit von den Motorleistungsanforderungen (d. h. dem Drücken und Niederdrücken eines in dem fahrerseitigen Fach befindlichen Fußpedals zur Beeinflussung der Fahrzeuggeschwindigkeit und Beschleunigung) zugeführt. Eine berechnete Menge von unter Druck stehendem Kraftstoff wird, wie es beispielsweise durch eine Motorsteuerungsstrategie vorgeschrieben ist, schnell und stoßweise in einen einströmenden, dem Motor 12 direkt vorgelagerten Luftstrom eingespritzt, um ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff zu erzeugen, das ein vorgegebenes Luft-Kraftstoffmengenverhältnis aufweist. Die in den einströmenden Luftstrom eingespritzte Kraftstoffmenge wird gesteuert, um ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein reichhaltiges Luft-Kraftstoffmengenverhältnis aufrechtzuerhalten oder zwischen den beiden Zuständen umzuschalten.
Das Gemisch aus Luft und Kraftstoff tritt in einen Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors 12 ein und tritt als Abgas durch den Auspuffkrümmer aus. Der Luftanteil des mageren oder reichhaltigen L/K-Gemisches wird durch ein Lufteinlasssystem (nicht dargestellt) zugeführt, das ein Drosselklappenventil beinhaltet. Der Kraftstoffanteil des mageren oder reichhaltigen L/K-Gemisches wird durch Kraftstoffeinspritzdüsen (nicht dargestellt) zugeführt, die unter Druck stehenden Kraftstoff in den einströmenden Luftstrom abgeben. Ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem (nicht dargestellt) kann das dem Motor 12 zugeführte Gemisch aus Luft und Kraftstoff gemäß einer Motorsteuerungsstrategie kontinuierlich steuern. Das elektronische Kraftstoffeinspritzsystem kann ein elektronisches Steuermodul (ECM) verwenden, das entsprechende Ausgangssignale an die Kraftstoffeinspritzdüsen sendet, die an dem Motor 12 angeordnet sind, um die angemessene Menge an Kraftstoff in den einströmenden Luftstrom abzugeben.
Wenn der Abgasstrom die LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung 20 passiert, berührt dieser den LNT-Feinstaub (Oxidation, Reduktion und Speicherung), der auf den Wandoberflächen der Nachbehandlungsvorrichtung 20 verteilt ist. Ein hoher Oberflächenbereich der Wände der Nachbehandlungsvorrichtung 20 erzeugt für die gewünschten NO_x Umwandlungsreaktionen einen ausreichenden Kontakt zwischen den Abgasen und den drei LNT-Materialien.
Die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 wird vorzugsweise an dem Auspuffkrümmer 14 im Motorraum montiert und ist eng mit dem Motorauspuff verbunden, um so die Wärmeübertragung von den Motorabgasen zur ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 zu maximieren. Die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 kann durch direkte Montage an den Auspuffkrümmer 14 ohne dazwischenliegende Abgasleitung direkt mit dem Motorauspuff verbunden werden. Alternativ dazu kann eine flexible Kupplungseinheit zwischen dem Auspuffkrümmer 14 und der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 montiert werden. Die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 kann eng mit dem Motorauspuff verbunden sein, indem sie als eine Vielzahl von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 20 konfiguriert wird, die parallel angeordnet und in Angusskanälen des Auspuffkrümmers 14 montiert ist.
Die zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 40 beinhaltet eine ammoniakselektive katalytische Reaktorvorrichtung (NH3-SCR-Vorrichtung), die strömungstechnisch mit einem nachgelagerten Auslass der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 verbunden ist. Die zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 40 wird vorzugsweise je nach Raumverfügbarkeit und anderen Faktoren der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 nachgelagert in einem Motorraum oder an einem Unterboden montiert. Die NH3-SCR-Vorrichtung 40 beinhaltet ein oder mehrere keramikbeschichtete Substrate, die vorzugsweise aus Cordierit-Material hergestellt werden und eine Vielzahl von Durchflusskanälen aufweisen, die mit einer Beschichtung und katalytischen Materialien beschichtet sind, um Ammoniak für die Reaktion mit den in dem Abgaszustrom vorhandenen NO_x Molekülen zu speichern. Die NH3-SCR-Vorrichtung 40 reduziert NO_x in andere Moleküle, darunter auch zu Stickstoff und Wasser. Das Substrat ist vorzugsweise mit einer Zeolith-Beschichtung und einem katalytischen Material, einschließlich einem katalytisch aktiven Basismetall, beschichtet. Das Substrat beinhaltet einen Cordierit- oder Metallmonolith mit einer Zelldichte von etwa 62 bis 93 Zellen pro Quadratzentimeter (400-600 Zellen pro Quadratzoll) und einer Wandstärke von drei bis sieben mils. Die Zellen des Substrats beinhalten Strömungskanäle, durch die Abgase strömen, um den Katalysator zu berühren und die Speicherung von Ammoniak zu bewirken. Das Substrat wird mit der Zeolith-Beschichtung imprägniert. Die Zeolith-Beschichtung enthält katalytisch aktive Grundmetalle, wie z. B. Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Cobalt (Co) und/oder Nickel (Ni). Alternativ dazu können Vanadium-basierte und/oder Wolfram-(W)-Titan-(Ti)-Zusammensetzungen als Katalysatoren verwendet werden.
Eine Urea-Einspritzdüse 50 kann in Reaktion auf einen Befehl einer Steuereinheit, z. B. der Motorsteuereinheit 5, Urea in die der NH3-SCR-Vorrichtung 40 vorgelagerte Abgasleitung 30 über eine darin eingesetzte Düse einspritzen. Das Abgasnachbehandlungssystem 10 befindet sich vorzugsweise in einem Motorraum eines Fahrzeugs, wobei der Oxidationskatalysator in Kombination mit dem Feinstaubfilterelement 20 eng mit dem Motorabgasauslass verbunden ist, um eine schnelle Zündung während eines Motorkaltstart- und Laufvorgangs zu bewirken.
Die Konfiguration der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 und der zweiten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 40 bietet Flexibilität für Motor- und Abgassystemkonstrukteure, indem die Gesamtgröße, die Masse und die Kosten des Abgasnachbehandlungssystems reduziert werden und zudem die thermische Masse des Abgasnachbehandlungssystems reduziert wird, wodurch die Warmlaufzeiten und Kohlenwasserstoffentzündungszeiten während eines Motorkaltstart- und -Laufvorgangs reduziert werden. Es ermöglicht zudem Flexibilität bei der Lokalisierung der SCR-Vorrichtung, darunter auch bei der Lokalisierung der SCR-Vorrichtung an einem Fahrzeugunterboden.
2 ist eine grafische Darstellung einer FTP 75-Zykluskurve sowie der entsprechenden NO_x Emissionen, während des Kaltstarts und des nachfolgenden Motorbetriebes. Mehr als 50% des gesamten von dem Abgassystem abgegebenen NO_x wird während der ersten zwei Zyklen des Motorbetriebes aufgrund eines Kaltstarts abgegeben. Die Kurve 200 veranschaulicht einen exemplarischen FTP 75-Zyklus eines Motors mit Kompressionszündung. Die horizontale Achse 202 zeigt die Zeit (Sekunden) und die vertikale Achse 204 die Geschwindigkeit (mph). Die ersten beiden im Bereich 206 abgebildeten Zyklen geben eine durchschnittliche NO_x Abgasmenge von 80 mg/Meile ab. Die verbleibenden im Bereich 208 abgebildeten Zyklen geben eine durchschnittliche NO_x Abgasmenge von 40 mg/Meile ab. Die erhöhte Abgasemission von NO_x während der ersten beiden Zyklen resultiert aus den Kaltstartbedingungen.
3-1 zeigt die CO-Oxidationsleistung einer LNT-basierten Nachbehandlungsvorrichtung basierend auf der Abgaseinlasstemperatur. Kurve 310 zeigt die Einlasstemperatur (°C) auf der horizontalen Achse 312 und das Umwandlungsverhältnis entlang der vertikalen Achse 314. Kurve 316 zeigt das Umwandlungsverhältnis 314 in Bezug auf die Einlasstemperatur 312 für eine LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung, die in einem kraftstoffreichhaltigen Modus keine Regenerationszyklen aufweist. Kurve 318 zeigt das Umwandlungsverhältnis 314 in Bezug auf die Einlasstemperatur 312 für eine LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung, die in einem kraftstoffreichhaltigen Modus Regenerationszyklen ausgesetzt worden ist. Die LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung zeigt eine verbesserte Leistung nach der Regenerierung unter kraftstoffreichhaltigen Bedingungen. In einer exemplarischen Ausführungsform, bei der die Nachbehandlungsvorrichtung einen Oxidationskatalysator beinhaltet, der nicht mit LNT-Materialien behandelt worden ist, kann eine ähnliche Verbesserung auftreten, wenn der Oxidationskatalysator während der Regenerationszyklen des kraftstoffreichhaltigen Modus regeneriert wird.
3-2 zeigt die C₃H₆-Oxidationsleistung einer LNT-basierten Nachbehandlungsvorrichtung basierend auf der Abgaseinlasstemperatur. Kurve 320 zeigt die Einlasstemperatur (°C) auf der horizontalen Achse 322 und das Umwandlungsverhältnis entlang der vertikalen Achse 324. Kurve 326 zeigt das Umwandlungsverhältnis 324 in Bezug auf die Einlasstemperatur 322 für eine LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung, die in einem kraftstoffreichhaltigen Modus keine Regenerationszyklen aufweist. Kurve 328 zeigt das Umwandlungsverhältnis 324 in Bezug auf die Einlasstemperatur 322 für eine LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung, die in einem kraftstoffreichhaltigen Modus Regenerationszyklen ausgesetzt worden ist. Die LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung zeigt eine verbesserte Leistung nach der Regenerierung unter kraftstoffreichhaltigen Bedingungen. In einer exemplarischen Ausführungsform, bei der die Nachbehandlungsvorrichtung einen Oxidationskatalysator beinhaltet, der nicht mit LNT-Materialien behandelt worden ist, kann eine ähnliche Verbesserung auftreten, wenn der Oxidationskatalysator während der Regenerationszyklen des kraftstoffreichhaltigen Modus regeneriert wird.
3-3 zeigt die HC-Oxidationsleistung einer LNT-basierten Nachbehandlungsvorrichtung basierend auf der Abgaseinlasstemperatur. Kurve 330 zeigt die Einlasstemperatur (°C) auf der horizontalen Achse 332 und das Umwandlungsverhältnis entlang der vertikalen Achse 334. Kurve 336 zeigt das Umwandlungsverhältnis 334 in Bezug auf die Einlasstemperatur 332 für eine LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung, die in einem kraftstoffreichhaltigen Modus keine Regenerationszyklen aufweist. Kurve 338 zeigt das Umwandlungsverhältnis 334 in Bezug auf die Einlasstemperatur 332 für eine LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung, die in einem kraftstoffreichhaltigen Modus Regenerationszyklen ausgesetzt worden ist. Die LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung zeigt eine verbesserte Leistung nach der Regenerierung unter kraftstoffreichhaltigen Bedingungen. Die LNT-basierte Nachbehandlungsvorrichtung zeigt eine verbesserte Umwandlung von jeweils CO, HC und C₃H₆ nach der Regeneration. Die Regeneration besteht darin, den Motor für 5-10 Sekunden unter kraftstoffreichhaltigen Bedingungen zu betreiben. In einer exemplarischen Ausführungsform, bei der die Nachbehandlungsvorrichtung einen Oxidationskatalysator beinhaltet, der nicht mit LNT-Materialien behandelt worden ist, kann eine ähnliche Verbesserung auftreten, wenn der Oxidationskatalysator während der Regenerationszyklen des kraftstoffreichhaltigen Modus regeneriert wird.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Steuerung des Motors, um die Umwandlung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung während Motorkaltstartvorgängen zu verbessern. Tabelle 1 wird als Schlüssel bereitgestellt, in der numerisch beschriftete Blöcke und entsprechende Funktionen wie folgt dargelegt sind. Tabelle 1

BLOCK	BLOCKINHALTE
402	Überwachung der Fahrzeugbetriebsparameter
404	Feststellung, ob das Fahrzeug angehalten ist
406	Feststellung, ob dem Motor signalisiert wird, sich abzuschalten
408	Feststellung, ob die Abgasnachbehandlungsvorrichtung bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur liegt
410	Steuerung des Motors in einem Nachlaufzustand für einen vorgegebenen Zeitraum
412	Abstellen des Motors

Verfahren 400 beinhaltet das Überwachen von Fahrzeugbetriebsparametern 402, beispielsweise die Motortemperatur, die Abgasströmungstemperatur, die Raddrehzahl und die Bedienereingaben, wie z. B. durch einen Gangwählhebel und einen Zündschalter. Basierend auf den überwachten Fahrzeugbetriebsparametern beinhaltet das Verfahren das feststellen, ob das Fahrzeug 404 angehalten ist, ob dem Motor 406 signalisiert wurde, sich abzuschalten (z. B. durch Zündschalter in der Aus-Position), und ob die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, die einen Oxidationskatalysator, einen Speicherkatalysator (LNT) oder einen in der Beschichtung mit LNT-Materialien behandelten Oxidationskatalysator enthalten kann, bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur 408 von 300 °C liegt. Sind alle drei dieser Bedingungen erfüllt, läuft der Motor für einen vorgegebenen Zeitraum 410 von 5 bis 10 Sekunden in einem „Nachlauf‟-Zustand weiter, bevor der Motor abgestellt wird und aufhört, sich zu drehen 412. Während dieses „Nachlauf‟-Zustands kann der Motor gedrosselt und so betankt werden, dass Luft und unvollständig verbrannter Kraftstoff der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 weiterhin zugeführt werden, welche ausreichen, um die aktiven Materialien, zum Beispiel in einem Verhältnis von etwa 14 zu 1, vorzubehandeln. Dies führt zu einer schnelleren Erwärmung und reduzierten Emissionen während darauffolgenden Kaltstarts des Motors. In einer LNT-basierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung lösen die Kraftstoffbestandteile in den Abgasen, die Freisetzung von NO_x aus dem Speichermaterial (und die Regeneration von NO_x-Speicherstellen) aus, indem der Motor für einen Zeitraum vor dem Abschalten des Motors in kraftstoffreichhaltigen Zuständen betrieben wird, und fördern im Vergleich zu dem Reduktionskatalysatormaterial der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 die Reduktion des freigesetzten NO_x zu N₂. Die LNT-basierte Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann einen LNT oder einen Oxidationskatalysator umfassen, der mit LNT-Materialien in der Beschichtung des Oxidationskatalysators behandelt wird. Der Betrieb des Motors kann unter Verwendung bekannter Verfahren erreicht werden. In einer Ausführungsform kann Kraftstoff unter Verwendung einer externen Einspritzdüse in das Abgassystem eingespritzt werden, um einen unvollständig verbrannten Kraftstoff bereitzustellen, der ausreicht, die LNT-Materialien vorzubehandeln.
5-1 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems 510, das konstruiert wurde, um Abgase zu reinigen, die von einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung abgegeben werden. Das Abgasnachbehandlungssystem 510 beinhaltet eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 512, die einen Oxidationskatalysator in Kombination mit einem Feinstaubfilterelement beinhaltet, das strömungstechnisch mit dem Auspuffkrümmer des Motors verbunden ist, um mitgeführte Rohabgase, die von dem Motor ausgegeben werden, zu behandeln. Die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 512 kann zusätzlich mit Materialien behandelt werden, die sich in NO_x Speicherkatalysator-(LNT)-Systemen finden. Das Hinzufügen von LNT-Materialien zu der Beschichtung eines Oxidationskatalysators, wie beispielsweise der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 512, kann eine beschleunigte Kaltstartzündung sowie reduzierte Emissionen während des Kaltstarts des Motors ermöglichen.
Das Abgasnachbehandlungssystem 510 kann zudem eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 516 mit einer ammoniakselektiven katalytischen Reaktorvorrichtung (NH3-SCR-Vorrichtung) beinhalten, die mit einem nachgelagerten Auslass der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 512 strömungstechnisch verbunden ist. Eine Urea-Einspritzdüse 514 kann in Reaktion auf einen Befehl von einer Steuereinheit, z. B. einer Motorsteuerung, Urea in die der NH3-SCR-Vorrichtung 516 vorgelagerten Abgasleitung über eine darin eingesetzte Düse einspritzen.
5-2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems 520, das konstruiert wurde, um Abgase zu reinigen, die von einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung abgegeben werden. Das Abgasnachbehandlungssystem 520 beinhaltet eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 522, die einen Oxidationskatalysator beinhaltet, der strömungstechnisch mit dem Auspuffkrümmer des Motors verbunden ist, um mitgeführte Rohabgase, die von dem Motor abgegeben werden, zu behandeln. Die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 522 kann zudem mit Materialien behandelt werden, die sich in NO_x-Speicherkatalysator-(LNT)-Systemen finden. Das Hinzufügen von LNT-Materialien zu der Beschichtung eines Oxidationskatalysators, wie zum Beispiel die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 522, kann eine beschleunigte Kaltstartzündung sowie reduzierte Emissionen während des Kaltstarts des Motors ermöglichen.
Das Abgasnachbehandlungssystem 520 kann zudem eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 526 mit einer ammoniakselektiven katalytischen Reaktorvorrichtung (NH3-SCR-Vorrichtung) beinhalten, die strömungstechnisch mit einem der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 522 nachgelagerten Auslass verbunden ist. Eine Urea-Einspritzdüse 524 kann in Reaktion auf einen Befehl von einer Steuereinrichtung, z. B. einer Motorsteuerung, Urea in die der NH3-SCR-Vorrichtung 526 vorgelagerte Abgasleitung über eine darin eingesetzte Düse einspritzen. Eine dritte Abgasnachbehandlungsvorrichtung 528 kann der zweiten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 526 nachgelagert verbunden sein und einen Oxidationskatalysator in Kombination mit einem Feinstaubfilterelement beinhalten, um die von dem Motor abgegebenen Abgase weiter zu behandeln. Eine HC-Einspritzdüse 527 kann der dritten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 528 vorgelagert in das Abgasnachbehandlungssystem 520 integriert sein.
5-3 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems 530, das konstruiert wurde, um Abgase zu reinigen, die von einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung abgegeben werden. Das Abgasnachbehandlungssystem 530 beinhaltet eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 532, die einen Oxidationskatalysator beinhaltet, der strömungstechnisch mit dem Auspuffkrümmer des Motors verbunden ist, um mitgeführte Rohabgase, die von dem Motor abgegeben werden, zu behandeln. Die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 532 kann zudem mit Materialien behandelt werden, die sich in NO_x Speicherkatalysator-(LNT)-Systemen finden. Das Hinzufügen von LNT-Materialien zu der Beschichtung eines Oxidationskatalysators, wie zum Beispiel der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 532, kann eine beschleunigte Kaltstartzündung, sowie reduzierte Emissionen während des Kaltstarts des Motors ermöglichen.
Das Abgasnachbehandlungssystem 530 kann zudem eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 536 mit einer ammoniakselektiven katalytischen Reaktorvorrichtung (NH3-SCR-Vorrichtung) beinhalten, die mit einem der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 532 nachgelagerten Auslass strömungstechnisch verbunden ist. Eine Urea-Einspritzdüse 534 kann in Reaktion auf einen Befehl von einer Steuereinheit, z. B. einer Motorsteuerung, Urea in die der NH3-SCR-Vorrichtung 536 vorgelagerten Abgasleitung über eine darin eingesetzte Düse einspritzen.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Steuerung des Motors, um die Umwandlung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung während der Kaltstartvorgänge des Motors in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem elektrisch beheizten Katalysator (EHC) zu verbessern. Die Tabelle 2 wird als Schlüssel bereitgestellt, in der numerisch beschriftete Blöcke und entsprechende Funktionen wie folgt dargelegt sind. Tabelle 2

BLOCK	BLOCKINHALTE
602	Ist der Motor abgestellt?
604	den EHC einschalten
606	den EHC ausschalten
608	Überschreitet die EHC-Temperatur einen vorgegebenen Schwellenwert?
610	Kraftstoff und Luft in den Abgasstrom einspritzen
61	Überschreitet das Luft-/Kraftstoffverhältnis einen vorgegebenen Schwellenwert?
614	Erhöhen der in den Abgasstrom eingespritzten Kraftstoffmenge
616	Reduzieren der in den Abgasstrom eingespritzten Kraftstoffmenge
618	Überschreitet die Menge an NO_x in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen vorgegebenen Schwellenwert?
620	Beenden

Wenn der Motor, wie bei 602 festgestellt, abgeschaltet ist, wird die Heizung des elektrisch beheizten Katalysators in einen eingeschalteten Zustand 604 versetzt. Wenn der Motor bei 602 eingeschaltet ist, ist die Heizung des elektrisch beheizten Katalysators in einem abgeschalteten Zustand 606 und das Steuerverfahren wird beendet. Wird der EHC in einen eingeschalteten Zustand 604 versetzt, wird festgestellt, ob die EHC-Temperatur eine vorgegebene Schwellentemperatur 608 überschreitet. Sollte die EHC-Temperatur die Schwellentemperatur überschreiten, werden Kraftstoff und Luft in den Auspuff 610, einschließlich sämtlicher Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, eingespritzt. Sollte die EHC-Temperatur die Schwellentemperatur nicht überschreiten, wird das Steuerverfahren beendet. Das Luft-/Kraftstoffverhältnis wird überwacht 612 und sollte das Luft-/Kraftstoffverhältnis einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, wird die in den Abgasstrom eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht 614. Sollte das Luft-/Kraftstoffverhältnis den vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreiten, wird die in das Abgas eingespritzte Kraftstoffmenge 616 reduziert. Die Menge an NO_x in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung wird überwacht, und sollte die Menge an NOx einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, kehrt das Verfahren zu Schritt 604 zurück. Sollte die Menge an NOx den vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreiten, wird das Steuerverfahren beendet.
Eine alternative Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems, das konstruiert wurde, um Abgase zu reinigen, die von einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung abgegeben werden, kann ein gesteuertes Bypassventil beinhalten, um es dem Abgasstrom zu ermöglichen, die Nachbehandlungskatalysatorvorrichtungen unter Umgehung einer dem Motor nachgelagerten Turboladervorrichtung zu erreichen. Das Bypassventil kann es dem Abgasstrom ermöglichen, die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen schneller zu erreichen und den Oxidationskatalysator und die LNT-Materialien schneller in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu erhitzen, wodurch es den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen ermöglicht wird, Betriebstemperaturen während eines Kaltstartvorgangs des Motors schneller zu erreichen.
In der Offenbarung wurden dazu bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Änderungen werden anderen ggf. beim Lesen und Verstehen der Spezifikation einfallen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die spezifische(n) als beste Umsetzungen für diese Erfindung beschriebe(n) Ausführungsform(en) beschränkt sein, sondern sämtliche Ausführungsformen beinhalten, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Ein Abgasnachbehandlungssystem (10, 510, 520, 530) zur Reinigung von Abgasen aus einem Motor (12) mit Kompressionszündung eines Fahrzeugs, umfassend: eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532); eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung (40, 516, 526, 536), die einen ammoniakselektiven katalytischen Reduktionskatalysator umfasst, der mit einem der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) nachgelagerten Auslass strömungstechnisch verbunden ist, und ein Steuersystem (5) mit einem Steuermodul, das dafür konfiguriert ist: die Fahrzeugbetriebsparameter zu überwachen (402); und basierend auf den Fahrzeugbetriebsparametern: festzustellen (404), ob das Fahrzeug angehalten ist, festzustellen (406), ob dem Motor (12) signalisiert wird, sich abzuschalten; festzustellen (408), ob die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur liegt, und den Motor (12) für einen vorgegebenen Zeitraum in einem Nachlaufzustand zu steuern (410), wenn das Fahrzeug angehalten ist, dem Motor (12) signalisiert wurde, sich abzuschalten und die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) bei der vorgegebenen Betriebstemperatur liegt, wobei der besagte Nachlaufzustand einen Motorbetrieb in einem gedrosselten und betankten Zustand umfasst, der ausreicht, um die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) zu regenerieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem (5) mit dem Steuermodul ferner dafür konfiguriert ist, die Temperatur der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) zu steuern (600), um die vorgegebene Betriebstemperatur der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) mittels eines elektrisch beheizten Katalysators zu erreichen, die vorgegebene Betriebstemperatur der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) 300 °C beträgt, und der vorgegebene Zeitraum, in welchem der Motor (12) in dem Nachlaufzustand gesteuert wird, 5 bis 10 Sekunden lang ist.
Abgasnachbehandlungssystem (10, 510, 520, 530) nach Anspruch 1, wobei der Betrieb des Motors (12) in einem gedrosselten und betankten Zustand zur Regenerierung der ersten Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) das Einströmen von Luft und unvollständig verbranntem Kraftstoff in die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem (10, 510, 520, 530) nach Anspruch 2, wobei der gedrosselte und betankte Zustand ein reichhaltiges Luft-/Kraftstoffverhältnis umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem (10, 510, 520, 530) nach Anspruch 1, wobei die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) einen Oxidationskatalysator beinhaltet.
Abgasnachbehandlungssystem (10, 510, 520, 530) nach Anspruch 1 oder 4, wobei die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) einen NO_x Speicherkatalysator aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem (10, 510, 520, 530) nach Anspruch 5, wobei der NO_x Speicherkatalysator eine auf die erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 512, 522, 532) aufgebrachte Beschichtung umfasst, wobei die Beschichtung des NO_x-Speicherkatalysators einen NO_x Oxidationskatalysator, einen NO_x Reduktionskatalysator sowie ein NO_x Speichermaterial umfasst.