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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades der
NOx-Umwandlung eines
mit einem Verbrennungsmotor gekoppelten Katalysators; der Abgase
von demselben empfängt
sowie eine Einrichtung dafür
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 11 und einen computerlesbaren
Speicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 14. Sie bezieht
sich also auf die Verbesserung der Umwandlungseffizienz einer Abgaskomponente
in einem mit einem Verbrennungsmotor verbundenen und von diesem
Abgase empfangenden Katalysator; eine Einrichtung zum Erhöhen der
NOx-Abgasumwandlungsefflzienz in einem Katalysator, wobei die Abgase
mager sind sowie ein computerlesbares Speichermedium mit gespeicherten
Daten, die durch Rechner ausführbare
Befehle beinhalten, um einen Verbrennungsmotor, der ein mageres Luft/Treibstoffgemisch
verbrennt, sowie einen Einspritzeinrichtung, die Reduktionsmittel
zu den Motorabgasen stromaufwärts
eines mit dem Motor verbundenen Katalysators führt, zu steuern. Insbesondere
bezieht sie sich auf Verfahren und eine Einrichtung zum Verbessern
der Umwandlungseffizienz von Mager-NOx-Katalysatoren in einem Diesel-
oder Mager-Benzin-Motor und insbesondere durch Steuern der Bedingungen
im Katalysator, so dass das Reduktionsmittel höhere NOx-Umwandlungsraten liefert.
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Verbrennungsmotoren
verlassen sich üblicherweise
auf Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, um gesteuerte Komponenten
umzuwandeln: Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide
(NOx) in: Kohlenstoffdioxid, Wasser, Stickstoff und Sauerstoff.
Abgaskatalysatoren sind extensiv entwickelt worden, um hohe Umwandlungseffizienz
bei stoichiometrischen Abgasen zu erhalten. Stoichiometrische Bedingungen werden
erreicht, wenn der dem Motor zugeführte Treibstoff und Oxidationsmittel
in einem Verhältnis
vorliegen, welches dann, falls die Reaktion des Treibstoffes vollständig wäre, Kohlenstoffdioxid,
Wasser und Stickstoff produzieren würden. Es ist dem Fachmann bekannt,
dass eine höhere
Treibstoffeffizienz aus Motoren erhalten wird, die bei Luft-Treibstoffverhältnissen
magerer gegenüber
der Stoichiometrie betrieben werden, das heisst mit Luftüberschuss.
Diese Mager-Verbrennungsmotoren können Dieselmotoren, Stratified-Charge-Benzinmotoren,
in denen Treibstoff und Luft nur teilweise gemischt sind, und homogen
beladene, mager verbrennende Benzinmotoren, in denen Treibstoff
und Luft meist vor der Verbrennung vorgemischt werden, sein. Aufgrund des
Wunsches nach hoher Treibstoffeffizienz sind Magerverbrennungsmotoren
in Produktion und werden ständig
weiter entwickelt. Es ist dem Fachmann bekannt, einen NOx-Katalysator
einzusetzen und kontinuierlich Reduktionsmittel zum Katalysator
zu führen,
um NOx im mageren Betrieb umzuwandeln.
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Verfahren
zur Verbesserung der NOx-Umwandlung in Katalysatoren sind aus der
US 6125629 bekannt, die
sich mit mit Katalysatoren, die bei niedrigen Temperaturen während der
Aufwärmphase
des Motors eingesetzt werden, befaßt. Wichtig ist dabei der Temperaturbereich,
in dem der Katalysator aktiv ist, wobei aufgrund dessen Messung
dann das Reduktionsmittel zugegeben wird.
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Dieses
Verfahren ist insofern nachteilig, da das Reduktionsmittel nur aufgrund
gröbster
Schätzwerte zugegeben
wird und noch dazu bei Temperaturen, an denen es im Katalysator
schlecht adsorbiert wird. Dies führt
zu einer unzureichenden Reduktion des NOx im Katalysator aufgrund
suboptimaler Reduktionsbedingungen.
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Die
DE10041891 A1 betrifft
die Messung der Reduktionsmittelmenge in einer NOx-Katalysatoranlage – es ist
dort aber eine möglichst
niedrige Temperatur zur Reduktionsmittelzugabe vorgesehen, ohne
die kompetetive Hemmung durch das NOx zu berücksichtigen.
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Auch
die
US 6216451 beschreibt
ein Verfahren, bei dem die Reduktionsmittelzugabe aufgrund von Messungen
der Abgasstromzusammensetzung erfolgt, unabhängig von der Katalysatortemperatur
oder der im Katalysator gespeicherten Reduktionsmittelmenge.
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US 6240721 beschäftigt sich
demgegenüber
mit der Temperatursteuerung eines Katalysators ohne Berücksichtigung
der Reduktionsmittelmenge im Katalysator.
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US 6119448 gibt Reduktionsmittel
in einen NOx-haltigen Abgasstrom vor Eintritt desselben in den Katalysator – allerdings
unabhängig
von der Katalysatortemperatur, was keine optimale Speicherung ermöglicht.
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EP1069288 A2 verwendet
die Zugabe von Reduktionsmittel zum Abgasstrom selbst, allerdings
im Temperaturbereich, in dem der Katalysator aktiv ist – also nicht
in dem Temperaturbereich, in dem der Katalysator optimal Reduktionsmittel
speichert.
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Die
Probleme der Verfahren nach dem Stand der Technik bestehen darin,
dass ein Teil des dem Katalysator zugeführten Reduktionsmittels unreagiert
durch den Katalysator läuft
und die NOx-Umwandlung bei Temperaturen unterhalb etwa 250°C zu gering
ist.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik
zu vermeiden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäss
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ferner
bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 11 sowie auf einen computerlesbaren Speicher nach
Patentanspruch 14. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Die
Erfinder haben ein Verfahren gefunden, wodurch dem Katalysator zugeführtes Reduktionsmittel so
gespeichert werden kann, dass die NOx-Umwandlungseffizienz im niedrigen
Temperaturbereich verbessert wird. Durch Erzielung einer höheren Umwandlungseffizienz
muss weniger Reduktionsmittel dem Katalysator zugeführt werden
und weniger Reduktionsmittel kann durch den Katalysator schlüpfen.
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Ein
erfindungsgemässes
Verfahren umfasst die Erhöhung
der Umwandlungseffizienz einer Abgaskomponente in einem Katalysator,
der Abgase von einem Verbrennungsmotor, der bei einem mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis arbeitet,
erhält,
wobei bestimmt wird, dass mindestens eine vorbestimmte Menge Reduktionsmittel
im Katalysator gespeichert ist. Demzufolge wird ein Satz Betriebsbedingungen,
welche die Katalysatortemperatur dazu veranlassen, eine Temperatur
oberhalb einer vorbestimmten Temperatur zu erreichen, kreiert. Bevorzugt
umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung, dass die Umwandlungseffizienz
der Abgaskomponente im Katalysator geringer als eine vorbestimmte
Umwandlungseffizienz ist. Die Betriebs bedingungen, die dazu führen, dass
die Katalysatortemperatur eine Temperatur annimmt, die grösser als
die vorbestimmte Temperatur ist, werden entsprechend der Bestimmung
des im Katalysator gespeicherten Reduktionsmittels, ob diese die
vorbestimmte Menge überschreitet
und aufgrund der Bestimmung, ob die Umwandlungseffizienz der Abgaskomponente
im Katalysator niedriger als die vorbestimmte Umwandlungseffizienz
ist, kreiert.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das dem Katalysator zugeführte Reduktionsmittel
dazu veranlasst werden kann, eine höhere NOx-Umwandlungsrate als
nach Stand der Technik bekannt, zu bewirken. Insbesondere theoretisieren
die Erfinder, dass das Reduktionsmittel im Katalysator sowohl an
aktiven als auch an inaktiven Zentren gespeichert ist. Durch Schaffen
spezifischer Bedingungen im Katalysator diffundiert das Reduktionsmittel
an die aktiven Zentren und wird dort absorbiert. Die folgende Umwandlungseffizienz
des Mager-NOx-Katalysators ist wesentlich höher als vorher in einem niedrigeren
Temperaturbereich möglich,
es wird theoretisiert, dass die höhere Rate aufgrund von an aktiven
Zentren gespeichertem Reduktionsmittel erzielt wird.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass bei der Durchführung der
Erfindung das zugeführte
Reduktionsmittel zu einer höheren
Umwandlungseffizienz von NOx führt,
wodurch weniger Reduktionsmittel verwendet werden kann – also einem
effizienteren Gebrauch des Reduktionsmittels.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass, da weniger Reduktionsmittel
dem Katalysator zugeführt
wird, weniger Reduktionsmittel durch den Katalysator in den Auspuff
schlüpft.
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Obige
und weitere Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
anhand der begleitenden Zeichnungen. Darin zeigt:
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1 ein
schematisches Diagramm eines erfindungsgemässen Verbrennungsmotors;
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2 einen
Graph der Absorptionscharakteristika eines ammoniakhaltigen Reduktionsmittels
in einem Mager-NOx-Katalysator;
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3 einen
Graph der NOx-Umwandlungseffizienz eines Mager-NOx-Katalysators
als Funktion der Temperatur;
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4 Betriebszeitlinien
des Luft-Treibstoff-Verhältnisses,
Reduktionsmittelabgabe und NOx-Umwandlungsrate für eine Mager-NOx-Falle und
einen erfindungsgemäßen Mager-NOx-Katalysator,
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5 Betriebszeitkurven
der Reduktionsmittelabgabe an einen Mager-NOx-Katalysator gemäss dem Stand
der Technik und gemäss
einer Ausführungsform
der Erfindung;
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6 ein
Flussdiagramm des Betriebs des Motors gemäss einem Aspekt der Erfindung;
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7 eine
Explosions-Ansicht eines Teils der 6 gemäss einem
Aspekt der Erfindung; und
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8 ein
Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Betriebs eines Motors.
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In 1 wird
ein Verbrennungsmotor 10 mit Luft durch eine Ansaugleitung,
in der ein Drosselventil 14 angeordnet sein kann, versorgt.
Die Position des Drosselventils 14 kann durch eine elektronische
Steuereinheit (ECU) 40 gesteuert sein. Ein Massenluftstromsensor 18 kann
in der Ansaugleitung angeordnet sein, der ein Signal zur ECU 40 liefert,
welches den Ansaugluftfluss in den Motor anzeigt. Alternativ kann
ein Geschwindigkeit/Dichtesystem eingesetzt werden, um den Ansaugluftfluss
hervorzurufen. Geschwindigkeit/Dichte hängt von einem Sensor im Ansaugsystem
ab, der eine Anzeige des Druckes im Ansaugverteiler liefert und
einen Motorgeschwindigkeitssensor, der als andere Sensoren 42 gezeigt
ist. Der Motor 10 wird mit Treibstoff durch Einspritzeinrichtung 12 versorgt
(die Treibstoffzuführung
zu den Einspritzeinrichtungen 12 ist nicht gezeigt). Die
zeitliche Abstimmung und Dauer der Treibstoffeinspritzung kann durch
mechanische Mittel gesteuert sein. Meist ist das Treibstoffeinspritzsystem
von einem Typ, beispielsweise vom Common-rail-Typ, welcher die zeitliche
Abstimmung und Dauer durch die ECU 40 steuern lässt. Der
Motor 10 kann mit einem Abgasrückführungssystem (EGR) ausgerüstet sein,
welches den Abgasverteiler 28 mit dem Ansaugverteiler 26 verbindet, wobei
das Ventil 16 den Flussbereich in der EGR-Leitung 24 steuert.
Die Position des EGR-Ventils wird durch ECU 40 gesteuert.
Die EGR-Leitung 24, in der sich das EGR-Ventil 16 befindet,
ist mit dem Ansaugverteiler 26 stromabwärts einer Drossel 14 verbunden.
Abgase fliessen in den Ansaugverteiler 26, falls in dem
Ansaugverteiler 26 aufgrund eines teilweisen Schliessens
der Drossel 14 ein niedrigerer Druck vorliegt und das EGR-Ventil 16 teilweise
oder vollständig
offen ist.
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Abgase
des Motors 10 werden in einen Mager-NOx-Katalysator (LNC) 30,
geleitet, wie weiter unten detaillierter beschrieben. Stromaufwärts des
Mager-NOx-Katalysators 30 befindet sich der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 20,
welche Reduktionsmittel vom Reduktionsmitteltank 34 erhält. Reduktionsmittel
wird in die Abgase stromaufwärts
des Mager-NOx-Katalysators 30 eingespritzt. ECU 40 steuert
die Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 20. Falls das
Reduktionsmittel Treibstoff ist, kann das Reduktionsmittel durch
Einspritzeinrichtung 12 direkt in die Brennkammer eingespritzt
werden. Der durch die Einspritzeinrichtung 12 eingespritzte
Treibstoff, der als Reduktionsmittel verwendet werden soll, wird
dann im Zyklus eingespritzt, so daß vermieden wird, dass dieser
durch den Verbrennungsvorgang verzehrt wird. Der Mager-NOx-Katalysator 30 kann
ein Widerstandsheizelement enthalten, so dass er elektrisch durch
Verbinden mit der Batterie 32 mittels elektrischer Leitungen 38,
die einen Schalter 28 umfassen, elektrisch geheizt werden
kann. Eine elektrische Spannung kann durch Schliessen oder Öffnen des
Schalters 28 angelegt oder abgeschaltet werden.
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Der
Abgassensor 22 kann ein NOx-Sensor sein, der in der Abgasleitung
stromaufwärts
des Mager-NOx-Katalysators 30 angeordnet ist, um die den
Magerkatalysator 30 betretende Konzentration an NOx zu
detektieren. Der Abgassensor 44 kann ein NOx-Sensor sein,
der dazu eingesetzt wird, die Effizienz des Mager-NOx-Katalysators 30 zu
detektieren. Der Abgassensor 46 kann ein Ammoniaksensor
sein, um Durchschlüpfen
ammoniakhaltigem Reduktionsmittels durch den Mager-NOx-Kata lysator 30 zu
detektieren. Alternativ kann ein Abgassensor 46 ein Kohlenwasserstoffsensor
sein, falls das Reduktionsmittel ein Kohlenwasserstoff ist.
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Der
Ausdruck mager, wie er hier unter Bezugnahme auf die an die Brennkammer
des Motors 10 gelieferte Mischung oder auf die zum Mager-NOx-Katalysator 30 gelieferten
Abgase angewendet wird, bezieht sich auf die chemische Stoichiometrie
der Gase. Mischungen, die Luft im Überschuss gegenüber dem
zur vollständigen
Verbrennung des Treibstoffs notwendigen enthalten, werden als mager
bezeichnet. Fette Mischungen enthalten überschüssigen Treibstoff. Die Produkte
der mageren Verbrennung liefern magere Abgase und umgekehrt.
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ECU 40 besitzen
einen Mikroprozessor 50, der als Zentralverarbeitungseinheit
(CPU) bezeichnet, und mit einer Speichermanagementeinheit (MMU) 60 verbunden
ist. MMU 60 steuert die Bewegung von Daten unter den verschiedenen
Computer lesbaren Speichermedien und übermittelt Daten von und zur
CPU 50. Die Computer lesbaren Speichermedien umfassen bevorzugt
flüchtige
und nichtflüchtige
Speicher, bspw. in Read-Only-Speicher (ROM) 58, Random-Access-Speicher
(RAM) 56, und Keep-Alive-Speicher (KAM) 54. KAM 54 kann
dazu verwendet werden, verschiedene Betriebsbedingungen zu speichern,
während
die CPU 50 heruntergefahren wird. Computer lesbare Speichermedien
können
eingesetzt werden, wobei jegliche Anzahl bekannter Speichervorrichtungen,
wie PROMs (programmable read-only memory), EPROMs (elektrische PROM),
EEPROMs (elektrisch löschbare
PROM), Schnellspeicher oder andere elektrische, magnetische, optische
oder Kombinationsspeichervorrichtungen, die Daten speichern können, von
denen einige durch die CPU 50 bei der Steuerung des Motors
oder Fahrzeugs, in dem der Motor eingebaut ist, ausführbare Befehle
repräsentieren,
verwendet werden. Die Computer lesbaren Speichermedien können auch
Floppy Disks, CD-ROMs, Hartplatten und dergleichen umfassen. Die
CPU 50 ist mit verschiedenen Sensoren und Betätigungseinrichtungen über eine
Input/Output (I/O) Schnittstelle 52 verbunden. Beispiele
von Einheiten, die unter der Steuerung der CPU 50 über die
I/O-Schnittstelle 52 betätigt werden, sind die Treibstoff-Einspritz-Zeitabstimmung, Treibstoff-Einspritz-Geschwindigkeit,
Treibstoff-Einspritz-Dauer, EGR-Ventilposition, Drosselventilposition
und zeitliche Abstimmung der Reduktionsmitteleinspritzung und -dauer.
Sensoren, die Eingaben über
die I/O-Schnittstelle 52 liefern, können Motorgeschwindigkeit,
Fahr zeuggeschwindigkeit, Kühlmitteltemperatur, Verteilerdruck,
Pedalposition, Drosselventilposition, EGR-Ventilposition, Lufttemperatur
und Abgastemperatur sein. Einige ECU-40-Architekturen enthalten
kein MMU 60. Wenn kein MMU 60 eingesetzt wird,
managt die CPU 50 die Daten und spricht direkt ROM 58,
RAM 56 und KAM 54 an. Selbstverständlich kann
die Erfindung mehr als eine CPU 50 verwenden, um eine Motor/Fahrzeug-Steuerung
zu schaffen und die ECU 40 kann mehrere ROM 58,
RAM 56 und KAM 54 enthalten, die mit der MMU 60 oder
CPU 50 verbunden sind, abhängig von der speziellen Anwendung.
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Der
Mager-NOx-Katalysator 30 ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung,
welche die Produkte magerer Verbrennung verarbeitet. Obwohl Gase
innerhalb des LNC 30 allgemein mager sind, eine Bedingung, welche üblicherweise
Oxidation begünstigt,
kann NOx-Reduktion auf den Katalysatoroberflächen in Gegenwart eines Reduktionsmittels
stattfinden. Ein Reduktionsmittel, wie Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak,
wird auf den Katalysatoroberflächen
absorbiert, um die NOx-Reaktion zu gutartigen Produkten, N2 und H2O, zu fördern. Ein
Beispiel der Formulierung für
LNC 30 ist eine solche mit Cu-β-Zeolith ohne Edelmetalle.
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Bevor
erläutert
werden wird, wie die Erfindung die Einspritzung einer geringen Menge
Reduktionsmittel als bei Verfahren nach dem Stand der Technik ermöglicht,
während
sogar höhere
NOx-Umwandlungseffizienz erzielt wird, werden Phänomene, die für die Erfindung
relevant sind und von den Erfindern entdeckt wurden, diskutiert.
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In 2 sind
die Absorptionscharakteristika von Ammoniak mit einem Gehalt von
Harnstoff auf den Oberflächen
eines Mager-NOx-Katalysators (LNC) gezeigt. Die durchgezogene Linie 70 ist
eine typische Absorptionskurve. Dies bedeutet, dass sich an den
aktiven Zentren des Katalysators absorbierte Menge Material reduziert,
wenn die Temperatur erhöht
wird. Die Erfinder haben theoretisiert, dass ein Unterschied zwischen aktiven
Zentren und inaktiven Zentren auf der Katalysatoroberfläche besteht.
Ammoniak absorbiert sowohl an aktive als auch inaktive Zentren auf
der Katalysatoroberfläche
entsprechend typischen Absorptionsphänomenen, Kurve 70, 3,
in Abwesenheit von NOx in Abgasen im Katalysator. Die Erfinder nehmen
an, dass NOx auch an Oberflächen
im Katalysator absorbiert. Falls die NOx-Kon zentration der Gase
im Katalysator 25 ppm überschreitet,
absorbiert NOx an den meisten aktiven Zentren und hindert Reduktionsmittel
daran, an diese aktiven Zentren zu binden. Die gepunktete Kurve 72 der 2 illustriert
Absorptionsphänomene
von Ammoniak an aktiven Zentren innerhalb von LNC 30 in
Gegenwart von NOx bei einer Konzentration von etwa 25 ppm oder mehr.
Bei Temperaturen unterhalb einer Schwellentemperatur (von der angenommen
wird, dass sie etwa 300°C
ist, entsprechend experimentellen Ergebnissen), ist die Reduktionsmittelabsorption
an aktiven Zentren aufgrund von NOx-Inhibierung vernachlässigbar.
Falls die Temperatur des LNC sich der Schwellentemperatur nähert, desorbiert
NOx von den aktiven Zentren, wodurch das Reduktionsmittel diese
besetzen kann. Die Kurve 72 der 2 zeigt
eine sprungartige Änderung
der Reduktionsmittelabsorption bei einer Schwellentemperatur. In
Realität
verschwindet der NOx-Inhibierungseffekt über einen kleinen Temperaturbereich,
nicht sprungartig, wie in 2 gezeigt.
Bei Temperaturen, die höher
als die Schwellentemperatur sind, inhibiert NOx die Absorption durch
Ammoniak an aktiven Zentren nicht mehr. Demzufolge sind die Kurven 70 und 72 bei
Temperaturen oberhalb der Schwellentemperatur im wesentlichen identisch,
dies bedeutet, dass das Reduktionsmittel typisches Absorptionsverhalten
an aktiven Zentren zeigt, wenn die NOx-Inhibierungseffekte entfernt
werden.
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2 zeigt
zwei Möglichkeiten,
wie das Reduktionsmittel an aktiven Zentren im LNC 30 absorbiert werden
kann. Die durchgezogene Kurve 70 zeigt an, dass es auftritt,
wenn das Gas kein NOx enthält.
In der Praxis ist gefunden worden, dass das Abgas bis zu 25 ppm
NOx enthalten kann, ohne dass NOx die Absorption des Reduktionsmittels
an aktiven Zentren im LNC 30 inhibiert, als Kurve 70 gezeigt.
Kurve 72 der 2 zeigt, das die Absorption
vom Reduktionsmittel an aktiven Zentren auch auftreten kann, wenn
LNC 30 sich oberhalb einer Temperaturschwelle befindet.
Insgesamt muss das Abgas NOx unter 25 ppm liegen oder die Temperatur
des LNC 30 grösser
als etwa 300°C
sein, damit Reduktionsmittel an aktiven Zentren absorbiert werden
kann.
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Die
Signifikanz der Absorption von Reduktionsmittel an aktiven Zentren
ist in 3 gezeigt. Wie oben gezeigt, betreibt LNC 30 eine
sehr hohe NOx-Umwandlungseffizienz bei Temperaturen oberhalb von
etwa 250°C,
unabhängig
davon, wie das Reduktionsmittel zugeführt wird. Dies ist in 3 gezeigt,
wobei die NOx-Umwand lungseffizienz dramatisch steigt, beginnend
bei etwa 220°C
(Rechtecke in 3) und etwa 70% Effizienz bei
250°C erreuicht.
Wie oben erwähnt,
sind die von einem Dieselmotor abgegebenen Abgase über den
meisten Teil des Betriebszyklus zu kalt, um den LNC 30 auf über 250°C zu bringen.
Eine typische NOx-Umwandlungseffizienz des LNC 30, ohne
dass Reduktionsmittel an aktiven Zentren absorbiert ist (Rechtecke
in 3) beträgt
etwa 30% bei Temperaturen unter 250°C. Dieses bewirkt eine geringere
als erwünschte NOx-Umwandlungseffizienz
des LNC 30, bei Dieselmotorabgasen, falls das Reduktionsmittel
durch Verfahren nach dem Stand der Technik zugeführt wird. Falls das Reduktionsmittel
an aktiven Zentren des LNC 30 absorbiert wird, beträgt die Umwandlungseffizienz
zwischen etwa 50% und 95% im 140–250°C – Temperaturbereich (Rauten
in 3). Durch Verbesserung der NOx-Umwandlungseffizienz
im 140–250°C – Temperaturbereich – ein kritischer
Bereich für
Dieselanwendungen, kann die Gesamt-NOx-Umwandlungseffizienz des
LNC 30 über einen
typischen Betriebszyklus beträchtlich
erhöht
werden.
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In
obiger Diskussion wurde die Bezeichnung NOx-Umwandlungseffizienz
im Zusammenhang mit LNC 30 verwendet, eine andere Bezeichnung,
die die Phänomene
beschreiben kann, ist Reaktionsrate. Reduktionsmittel, das unter
vorher bestimmbaren Bedingungen zugeführt wird, hat eine schnellere
Reaktionsgeschwindigkeit mit NOx, was zu einer höheren NOx-Umwandlungseffizienz
führt.
Die Erfinder theoretisieren, dass eine höhere Reaktionsrate mit Reduktionsmittel
und NOx erzielt wird, indem Reduktionsmittel an aktiven Zentren
im Katalysator gespeichert wird. Umgekehrt reagiert Reduktionsmittel,
das an inaktiven Zentren gespeichert ist, mit NOx mit einer niedrigeren
Geschwindigkeit, wodurch eine niedrigere NOx-Umwandlungseffizienz
erzielt wird.
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Die 2 und 3 sind
relevant für
die Absorption von Ammoniak im LNC 30. Harnstoff ist eine wässrige Lösung mit
einem Gehalt an Ammoniak, welche als Reduktionsmittel im LNC 30 eingesetzt
werden kann. Die oben beschriebenen Phänomene können auf andere Reduktionsmittel,
die in Zukunft identifiziert werden, anwendbar sein.
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Obige
Diskussion der NOx-Absorption im LNC 30 kann irrtümlich den
Leser dieser Beschreibung dazu veranlassen, anzunehmen, dass LNC 30 eine
beträchtliche Menge
NOx absorbiert. Die von LNC 30 absorbierte Menge NOx ist
gegenüber
dem Abgasniveau von NOx vernachlässigbar,
nichts desto weniger ist die kleine Menge NOx, die im LNC 30 absorbiert
ist, ausreichend, um das Reduktionsmittel an der Absorption an aktiven Zentren
im LNC 30 zu hindern.
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Eine
Diskussion der Speicherung des NOx kann den Leser der Beschreibung
auch dazu veranlassen, einen LNC mit einer NOx-Falle (LNT) zu verwechseln.
Unterschiede zwischen einer LNT und LNC sind in 4 gezeigt.
In Kurve 78 für
eine LNT ist Lambda gezeigt. Während
des Betriebs, wenn Lambda > 1
ist, d. h. ein mageres Luft-Treibstoff-Verhältnis, wird NOx im LNT absorbiert,
d. h. dass wenig, falls überhaupt,
Reduktion des NOx auftritt. Ein solcher Betriebszyklus wird über einen
Zeitintervall t1, das etwa 60 sec. sein
kann, angegeben. Während
des Zeitintervalls der NOx Absorption (t1)
wird NOx nicht verarbeitet; statt dessen wird es für spätere Verarbeitung
abgespeichert. Nach Absorption des NOx wird das Luft-Treibstoff-Verhältnis dazu veranlasst, über ein
Zeitintervall t2, welches mehrere Sekunden
lang ist, fett zu sein, was als Lambda von etwa 0,9 in Kurve 78 angegeben
ist. Wenn das Luft-Treibstoff-Verhältnis fett ist, wird mehr Treibstoff
geliefert, als mit der zugeführten
Luft oxidiert werden kann. Demzufolge enthalten die Abgasprodukte überschüssigen Treibstoff
oder teilweise oxidierten Treibstoff, welcher als Reduktionsmittel
für die
LNT dient, wie in Kurve 80 gezeigt. Demzufolge wird Reduktionsmittel,
nämlich überschüssiger Treibstoff,
nur während
des t2 Intervalls geliefert. Die Reaktionsgeschwindigkeit
des NOx ist in Kurve 82 für einen LNT gezeigt, während dessen
absorbiertes NOx freigesetzt und während des t2 Intervalls
reduziert wird. Die Form der Kurve 82 ist nur beispielhaft; das
wichtige Merkmal der Kurve 82 besteht darin, dass signifikant
NOx-Reduktion nur während
des t2 Zeitintervalls auftritt und die Rate
der NOx-Reduktion während
des t1 Zeitintervalls vernachlässigbar
ist.
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In
den Kurven 84, 86 und 88 der 4 ist
ein LNC 30, der gemäss
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung betrieben wird, gezeigt.
In Kurve 84 ist das Luft-Treibstoff-Verhältnis mager,
d. h. Lambda ist > 1.0. Gemäss der Erfindung
wird das Reduktionsmittel während
des t4 Intervalls der Kurve 86 zugeführt, und,
während
des t3 Intervalls. Die Erfinder haben gefunden,
dass das t4 Intervall bei typischem Betrieb
mit einem LNC typischen Vollumens etwa 3 min und das t3 Intervall
etwa 10 sec. ist. Dies bedeutet, dass Reduktionsmittel 10 sec.
oder weniger zugeführt
und das Re duktionsmittel 3 min abgegeben wird. Die Reduktionsrate
von NOx, Kurve 88, zeigt an, das NOx kontinuierlich reduziert
wird, wobei die Reduktionsrate während
des Zyklus etwas ansteigt und abfällt. Die wichtigen Merkmale
bestehen aber darin, dass NOx kontinuierlich reduziert wird und Reduktion
während
des Betriebs mit magerem Luft-Treibstoff-Verhältnis mit einem Mager-NOx-Katalysator stattfindet.
Die kontrastiert mit einem LNT, in dem die Reduktion des NOx während kurzer
NOx Reinigungsintervalle stattfindet, die als Intervall t2 in Kurve 82 gezeigt sind, welches
fettem Betrieb, gezeigt als t2-Intervall
in Kurve 78, entspricht.
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In 5 ist
ein Beispiel eines Verfahrens der Reduktionsmittelabgabe an einen
LNC 30 nach dem Stand der Technik dargestellt. Das abgegebene
Reduktionsmittel, Kurve 92, befindet sich im Verhältnis zur Massen-Fluss-Geschwindigkeit
von NOx in den Abgasen, Kurve 90. Andere Schemata sind
verwendet worden, um die Reduktionsmittel-Abgabe-Geschwindigkeit
zu steuern. Die Gemeinsamkeit von Verfahren nach dem Stand der Technik,
besteht darin, dass Reduktionsmittel im wesentlichen kontinuierlich
zugeführt
wird. Erfindungsgemäss
wird, wie in Kurve 86 gezeigt, Reduktionsmittel nur über ein
kurzes Intervall, das als t4 bezeichnet
ist, zugeführt.
Die Erfinder haben gefunden, dass der Reduktionsmittelverbrauch
bei Durchführung der
Erfindung während
eines typischen Betriebszyklus etwa 1/3 weniger als bei bekannten
Verfahren ist. Ferner führt,
wie oben diskutiert, die Erfindung zu höherer NOx-Umwandlungseffizienz
verglichen mit Verfahren nach dem Stand der Technik. Beide Faktoren
führen
zu weniger Reduktionsmittelaustritt in den Auspuff.
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Kurve 86 der 4 und 5 ist
ein Beispiel der Reduktionsmittelabgabe an einen LNC. Es kann günstig sein,
eine geringe Menge Reduktionsmittel während des Intervalls t3 zuzuführen.
t3 und t4 können von Zyklus
zu Zyklus nicht identisch sein. Die Kurve 86 ist ein Beispiel
und soll keinesfalls begrenzend sein.
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Mittel,
durch die die Temperatur im Katalysator angehoben werden kann, sind
für die
Erfindung wichtig. Demzufolge sind Verfahren, wie sie dem Fachmann
bekannt sind, um Abgastemperatur anzuheben, in Tabelle 1 aufgeführt.
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Jedes
Verfahren in Tabelle 1 kann dazu eingesetzt werden, um einen Temperaturanstieg
zu bewirken.
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Das
Speichern von Reduktionsmittel an aktiven Zentren im LNC 30 kann
passiv oder aktiv durchgeführt
werden. ECU 40 kann bestimmen, dass der Motor 10 in
einem Zustand arbeitet, der dazu führt, dass Reduktionsmittel
an aktiven Zentren ge speichert wird und dem Reduktionsmitteleinspitzer 20 befehlen,
das Reduktionsmittel während
eines derartigen Zustandes zu liefern, ein Beispiel der passiven
Ausnutzung des Phänomens.
ECU 40 kann aber auch aktiv den Motor 10 dazu
veranlassen, bei einer Bedingung zu arbeiten, welche die notwendigen
Voraussetzungen im LNC 30 schafft, damit Reduktionsmittel
an aktiven Zentren absorbiert wird.
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6 ist
ein Flussdiagramm, welches ein aktives Steuerschema zeigt. Motor 10 arbeitet
normal in Block 100, dies bedeutet, dass ECU 40 den
Motor 10 unabhängig
der Bedürfnisse
des LNC 30 steuert. Periodisch fährt die Steuerung in Block 102 fort,
in dem die an aktiven Zentren absorbierte Reduktionsmittelmenge, Q,
die im LNC 30 verbleibt, bestimmt wird. Dies kann in der
ECU auf Basis der nach der Reduktionsmittelzugabe verstrichenen
Zeit, der Betriebsbedingungs-Historie seit der letzten Reduktionsmittelzugabe,
dem Zustand des LNC 30, Abgassensorsignalen und Eingaben
anderer Motorparameter modellmässig
berechnet werden. Die Steuerung fährt in Block 104 fort,
in dem bestimmt wird, ob das im LNC 30 gespeicherte Reduktionsmittelniveau
zu niedrig ist. Die aktuelle Menge Q wird mit der Kapazität von LNC 30 oder
dem Voll-Zustand, Qf mal einem Faktor emp
verglichen. Faktor emp kann in der Grössenordnung von 0 bis 0,2 sein.
Falls emp einen Wert von 0 hat, bedeutet dies, dass der LNC 30 vollständig vor
Wiederaufladen mit Reduktionsmittel geleert ist. Falls emp einen
Wert von 0,2 hat, veranlasst dieses LNC 30 dazu, eine Wiederbeladung
zu beginnen, wenn dieser immer noch etwa 20% seiner vollen Reduktionsmittel-Kapazität aufweist.
Falls das Resultat des Blocks 104 negativ ist, kehrt die
Steuerung zum Block 100, normalem Motorbetrieb, zurück. Falls
Q geringer als emp mal Qf ist (d. h. ein
positives Ergebnis des Blocks 104) fährt die Steuerung in Block 106 fort,
wo ein Zustand, der zum Speichern von Reduktionsmittel an aktiven
Zentren im LNC 30 führt,
befohlen wird. Die Steuerung fährt
in Block 108 fort, in dem Reduktionsmittel in den Abgasstrom
eingespritzt wird. Die zugegebene oder abgegebene Menge, Qa ist eine Funktion der Differenz zwischen
der vollen Kapazität
des LNC 30, Qf minus dem aktuellen
Niveau des Reduktionsmittels, Q. Die Steuerung kehrt zu Block 100,
dem normalen Betrieb, zurück.
Der Wert Q sollte dann Qf sein. Obwohl 6 angibt,
dass Block 106, nämlich
Erzielen einer geeigneten Betriebsbedingung für Speichern von Reduktionsmittel
an aktiven Zentren im LNC 30, vor dem Block 108 stattfindet,
der Abgabe des Reduktionsmittel. Während der Entwicklung kann
es für
günstig
befunden werden, die Redukti onsmittelabgabe, bei Schritt 108 zu
beginnen, bevor die entsprechende Betriebsbedingung, Schritt 106,
erreicht wird. Es kann auch für
vorteilhaft befunden werden, LNC 30 nicht vollständig auf Qf aufzufüllen.
Anstelle dessen kann es erwünscht
sein, LNC 30 bis zu etwa 90% von Qf aufzufüllen, um
das Austreten von Reduktionsmittel weiter zu verringern.
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Im
Block 106 der 6 wird „eine Betriebsbedingung, die
Reduktionsmittel dazu veranlasst, an aktiven Zentren im LNC gespeichert
zu werden" befohlen.
Wie oben diskutiert, ist entweder eine Temperatur in LNC 30 oberhalb
einer Schwellentemperatur (Zustand B) oder eine Abgaskonzentration
von NOx unter einer Schwellenkonzentration (Zustand A) eine geeignete
Betriebsbedingung, welche die Abfrage in Block 106 erfüllt. Block 106 der 6 ist
detailliert in 8 als Blöcke 1060, 1062, 1064 und 1066 gezeigt.
Im Block 1060 wird bestimmt, ob dort eine „Bedingung
A" besteht, die
sowohl die Bedingung von [NOx]exh > [NOX]thr erfüllt als auch
das durch den Betreiber geforderte Drehmoment. [NOx)thr ist
etwa 25 ppm, was eine sehr niedrige NOx-Konzentration ist und nicht
häufig
in typischen Betriebsbedingungen angetroffen wird. So niedrige NOx-Niveaus
werden bei sehr niedrigen Drehmomentniveaus und unter Bremsbedingungen
angetroffen. NOx-Konzentration kann etwas durch Steigern der Menge
des EGR oder durch verzögerte
Treibstoffeinspritzung reduziert werden. Es gibt aber Drehmomentniveaus,
für die
keine Kombination von Treibstoffeinspitzparametern, EGR-Ventilposition,
Drosselventilposition oder anderen Parametern gefunden werden kann,
die weniger als [NOx]thr produzieren und
immer noch das Drehmomenterfordernis erfüllen. Falls ein „Zustand
A" identifiziert
werden kann wird, resultiert ein positives Resultat im Block 1060 und
Zustand A wird in Block 1062 befohlen. Wenn kein „Zustand
A" identifiziert
werden kann, d. h. ein negatives Ergebnis in Block 1060,
fährt die Steuerung
bei Block 1064 fort. Im Block 1064 wird eine Betriebsbedingung
B bestimmt, welche die Temperatur von LNC 30 dazu veranlasst,
die Schwellentemperatur zu überschreiten.
Es ist fast immer möglich,
unter Verwendung der in Tabelle 1 aufgeführten Heizverfahren, eine Temperatur
zu erreichen, die die Schwellentemperatur überschreitet, während das
Drehmomenterfordernis erfüllt
wird. Die Steuerung fährt
in Block 1066 fort, wo die Motorsteuerung befiehlt, den
Betriebszustand B zu erreichen. Die Steuerung fährt weiter im Block 108, der
oben unter Bezugnahme auf 6 diskutiert
wurde.
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Ein
passives Schema, mittels dessen die Erfindung durchgeführt werden
kann, ist in 8 gezeigt, welche mit einem
normalen Motorbetrieb in Block 100 beginnt. Periodisch
wird der Block 120 angefahren, um zu bestimmen, ob der
derzeitige Zustand zum Speichern von Reduktionsmitteln an aktiven
Zentren führt.
Spezifisch: ist die Temperatur des Mager-NOx-Katalysators TLNC > Schwellentemperatur,
Tthr oder ist die Abgas-NOx-Konzentration,
(NOx]exh < Abgasschwellen-NOx-Konzentration,
[NOx]thr ? Falls keine der Bedingungen erfüllt ist
(negatives Resultat in Block 120) fährt die Steuerung in Block 100 fort,
um wieder normalen Motorbetrieb aufzunehmen. Falls eine der Konditionen
in Block 120 erfüllt
wird (positives Resultat in Block 120) fährt die
Steuerung in Block 122 fort. Im Block 122 wird
bestimmt, ob die aktiven Zentren in LNC 30 voll oder fast
voll sind. Diese bedeutet, dass die momentane Menge Reduktionsmittel,
die sich an aktiven Zentren im LNC 30 befindet, mit Qf verglichen wird, der Kapazität der aktiven
Zentren des LNC 30. Der Faktor, ful, ist wahrscheinlich
im 0,8 bis 1,0 Bereich. Falls der Wert von ful 1,0 ist würde Reduktionsmittel
zugegeben. Falls der Wert von ful 0,8 ist, kann Zugabe von Reduktionsmittel
zu LNC 30, wobei mehr als 80% der aktiven Zentren besetzt
sind, vermieden werden. Es kann gefunden werden, dass, um Reduktionsmittelaustritt
zu vermeiden, Reduktionsmittelabgabe vermieden werden sollte, falls
LNC 30 fast voll ist. Falls ein niedrigeres als das erwünschte Niveau
an Reduktionsmittel zur Zeit gespeichert ist, d. h. ein positives
Resultat aus Block 124 erhalten wird, wird eine Menge Qa Reduktionsmittel zugegeben. Qa hat
einen Bezug zur Differenz zwischen dem vollen LNC 30, Qf und dem momentanen Niveau Q, das in LNC 30 enthalten
ist. Die Steuerung fährt
dann bei Block 100 mit dem normalen Motorbetrieb, fort.
Ein negatives Resultat in Block 122 führt die Steuerung auch zurück zu Block 100.
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Verfahren
nach dem Stand der Technik und der Erfindung sind in Tabelle 2 verglichen.
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Die
Verfahren X und Y nach dem Stand der Technik demonstrieren NOx und
Treibstoffeffizienzkompromisse; das Verfahren Y leidet an der NOx-Umwandlungseffizienz
und das Verfahren X an der Treibstoffeffizienz. Treibstoffeffizienz
ist beim Verfahren X deshalb ungünstig,
da Verfahren, durch die Abgastemperatur erhöht wird, zu einer Treibstoffökonomiestrafe
führen.
Die Erfindung (als Kurve 76 in 3 gezeigt)
liefert eine NOx-Umwandlungseffizienz, ähnlich dem bekannten Verfahren
X (Kurve 74 in 3) bei Temperaturen über 250°C. Die Erfindung
ist dem Verfahren X nach dem Stand der Technik hinsichtlich der
Treibstoffeffizienz überlegen,
da gemäss
einer Ausführungsform
der Erfindung die Temperatur des LNC 30 nur für einen
Bruchteil der Zeit, etwa 5% der Zeit, erhöht ist, verglichen mit dem
Verfahren X mit dem Stand der Technik, welches konstant höhere Temperatur
benötigt.
Das Verfahren Y nach dem Stand der Technik leidet an niedriger NOx-Umwandlungseffizienz;
beispielsweise bei 200°C,
wie aus 3 ersichtlich; der Stand der
Technik liefert eine 30%ige NOx Umwandlungseffizienz und die Erfindung
eine 85%ige Effizienz. Zusammenfassend liefert die Erfindung eine
NOx-Umwandlungseffizienz, die so gut wie das bessere der Verfahren
nach dem Stand der Technik ist, mit einer ge genüber Verfahren Y nach dem Stand
der Technik kleinen Treibstoffeffizienzstrafe und dem bekannten
Verfahren X überlegen.
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Die
Erfinder haben gefunden, dass das dem Katalysator während der
Bedingungen der NOx-Inhibierung dem Katalysator zugeführte Reduktionsmittel
an inaktiven Zentren gespeichert ist. Sie haben auch entdeckt, dass,
falls die NOx Inhibierungseffekte danach aufgehoben werden, an inaktiven
Zentren gespeichertes Reduktionsmittel an aktive Zentren diffundiert.
Dieses Phänomen
kann auch ausgenutzt werden, indem Reduktionsmittel bei jeder Betriebsbedingung
zugeführt
wird und demzufolge ein Zustand im Motor entsteht, bei dem NOx Inhibierung
nicht mehr vorliegt, um den erwünschten
Effekt zu erzielen, nämlich
Reduktionsmittel an aktiven Zentren absorbiert wird.
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Die
oben diskutierten Ausführungsformen
beziehen sich auf das Zuführen
von Reduktionsmittel, falls vorgeschriebene Betriebsbedingungen
im LNC 30 vorliegen. Obwohl LNC 30 eine höhere NOx-Umwandlungseffizienz
liefert, wenn das Reduktionsmittel so zugeführt wird, kann es vorteilhaft
sein, eine Strategie einzusetzen, die die das bekannte Reduktionsmittel-Zuführverfahren
Y und die Erfindung kombiniert, um eine erwünschte NOx-Reduzierung bei
minimaler Treibstoffökonomiestrafe
zu erzielen.
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Die
oben diskutierten Ausführungsformen
beziehen sich am ehesten auf Dieselmotoren. Die Erfindung kann aber
auch auf jedes andere Mager-Verbrennungssystem angewendet werden,
bei dem eine Reduktion von Abgas NOx erwünscht ist.
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Während verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung detailliert beschrieben wurden, sind dem Fachmann,
an den sich diese Erfindung wendet, alternative Ausführungsformen
und Auslegungen zur Durchführung
der Erfindung offensichtlich. Die oben beschriebene Ausführungsformen
sollen nur die Erfindung erläutern,
die innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche modifiziert
werden kann.
