DE112009000304T5

DE112009000304T5 - Verfahren und Vorrichtung für Abgasnachbehandlung bei einem Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE112009000304T5
Application number: DE112009000304T
Authority: DE
Inventors: Wei Troy Li; Kushal Sterling Heights Narayanaswamy
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2011-01-13
Also published as: CN101939517B; WO2009100086A2; US20090199547A1; CN101939517A; WO2009100086A3

Abstract

Vorrichtung, umfassend:
einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung, der selektiv bei einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betreibbar ist und direkt mit einem Abgasnachbehandlungssystem fluidverbunden ist;
wobei das Abgasnachbehandlungssystem im Wesentlichen aus einem elektrothermischen Heizelement besteht, das an ein Konverterelement anschließt, wobei zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem keine anderen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen angeordnet sind; und
ein Steuersystem mit einem Steuermodul, das mit einer Erfassungsvorrichtung signalverbunden ist, die ausgelegt ist, um eine Temperatur des Konverterelements zu überwachen, und das mit dem Motor funktionell verbunden und betreibbar ist, das elektrothermische Heizelement mit einer Quelle elektrischer Leistung zu verbinden.

Description

Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft Abgasnachbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung und Direkteinspritzung.
Hintergrund
Bekannte Nachbehandlungssysteme für Fremdzündungsverbrennungsmotoren, die überstöchiometrisch arbeiten, umfassen eine oder mehrere Dreiwegekatalysatoren, die in enger Nähe zu dem Motor eingebaut sind, sowie einen NOx-Adsorberkonverter, der auch als Mager-NOx-Filter (hierin nachstehend ,LNT-Vorrichtung') bezeichnet und an einer Stelle im Unterboden eingebaut ist. Bekannte Dreiwegekatalysatoren dienen zum Verringern von Rohemissions-HC-, CO- und NOx-Emissionen während Kaltstartbetrieb und während stöchiometrischen Motorbetriebs. Bekannte LNT-Vorrichtungen dienen zum Verringern von NOx-Emissionen während mageren Motorbetriebs durch Adsorbieren von NOx während Magerbetrieb und Desorbieren und Reduzieren des gespeicherten NOx zu Stickstoff während fetten Betriebs. Bekannte LNT-Vorrichtungen weisen einen Betriebstemperaturbereich von etwa 250°C bis 450°C auf, wobei die Wirksamkeit über und unter diesem Temperaturbereich sinkt. Bekannte LNT-Vorrichtungen erfahren thermische Beschädigung, wenn Abgaszustromtemperaturen von etwa 850°C auf sie einwirken, was die Wirksamkeit der LNT-Vorrichtung mindert. Die Wirksamkeit bekannter LNT-Vorrichtungen kann aufgrund des Einwirkens von im Kraftstoff vorhandenen Elementen, einschließlich Schwefel, verringert werden.
Zusammenfassung
Eine Vorrichtung umfasst einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung, der selektiv bei einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betreibbar und direkt mit einem Abgasnachbehandlungssystem fluidverbunden ist. Das Abgasnachbehandlungssystem besteht im Wesentlichen aus einem elektrothermischen Heizelement, das an ein Konverterelement anschließt, wobei zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem keine anderen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen angeordnet sind. Ein Steuersystem umfasst daher ein Steuermodul, das mit einer Erfassungsvorrichtung signalverbunden ist, die dafür ausgelegt ist, eine Temperatur des Konverterelements zu überwachen, und mit dem Motor funktionell verbunden und betreibbar ist, das elektrothermische Heizelement mit einer Quelle elektrischer Leistung zu verbinden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben, wobei:
1 und 2 schematische Diagramme von Motor- und Abgasnachbehandlungssystemen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind.
Eingehende Beschreibung
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte lediglich dem Zweck des Veranschaulichens bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht dem Zweck des Beschränkens derselben dient, zeigen 1 und 2 schematisch einen Verbrennungsmotor 10, ein Steuermodul 5 und ein Abgasnachbehandlungssystem 45, die gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung konstruiert wurden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Ausführungsformen gleiche Elemente. Hierin werden vier Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungssystems 45 beschrieben, die als 45A, 45B, 45C und 45D bezeichnet sind. Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Mehrzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung, der in einem sich wiederholenden Verbrennungszyklus arbeiten kann, welcher Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Auspufftakt umfasst. Der Motor 10 ist selektiv bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis und einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das vorrangig überstöchiometrisch ist, betreibbar. Die Offenbarung kann auf verschiedene Verbrennungsmotorsysteme und Verbrennungszyklen angewendet werden.
Der Motor 10 umfasst mehrere Zylinder mit Hubkolben 14, die darin gleitend bewegbar sind, sowie einen Zylinderkopf 15. Der Zylinder, der Kolben 14 und der Zylinderkopf 15 bilden einen Brennraum 16 veränderlichen Volumens aus. Jeder Kolben 14 ist mit einer sich drehenden Kurbelwelle 12 verbunden, durch die eine lineare Hubbewegung des Kolbens 14 an der Kurbelwelle 12 in Drehbewegung umgewandelt wird. Ein Kurbelwellenwinkelgeber 13 überwacht Drehstellung und Drehzahl der Kurbelwelle 12. Ein oder mehrere Einlassventile 20 steuern Luftstrom von einem Einlasskanal 29 in jeden der Brennräume 16. Ein oder mehrere Auslassventile 18steuern den Strom von Abgasen von jedem der Brennräume 16 durch einen Auslasskanal 39 zu einem Abgaskrümmer 40. Das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 wird bevorzugt mit einer doppelten Nockenwelle (wie abgebildet) gesteuert, deren Umdrehungen mit der Umdrehung der Kurbelwelle 12 verbunden und indiziert sind.
Ein Lufteinlasssystem liefert einem Ansaugkrümmer 30, der Luft in den zu dem Brennraum 16 führenden Einlasskanal 29 leitet und verteilt, an dem Einlassventil/den Einlassventilen 20 vorbei, wenn dieses/diese geöffnet ist/sind. Das Lufteinlasssystem umfasst ein Luftstrom-Rohrsystem und Vorrichtungen zum Überwachen und Steuern des Luftstroms zu dem Einlasskanal 29. Die Vorrichtungen umfassen vorzugsweise einen Luftmassensensor 32 zum Überwachen von Luftmassenstrom und Ansauglufttemperatur. Ein Drosselventil 34 umfasst vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Vorrichtung, die als Reaktion auf ein Steuersignal (,ETC') von dem Steuermodul 5 Luftstrom zu dem Motor 10 steuert. Ein Drucksensor 36 in dem Ansaugkrümmer 30 ist derart ausgelegt, dass er Krümmerunterdruck und Luftdruck überwacht. Ein externer Strömungskanal (nicht gezeigt) führt Abgas von dem Auslasskanal 39 zu dem Ansaugkrümmer 30 zurück, wobei er ein Strömungssteuerventil aufweist, das ein Abgasrückführungsventil 38 (hierin nachstehend ,AGR-Ventil') umfasst. Das AGR-Ventil 38 umfasst vorzugsweise ein steuerbares Ventil veränderlichen Stroms, das von einem Steuersignal (,AGR'), das von dem Steuermodul 5 ausgegeben wird, gesteuert wird.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem umfasst mehrere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 28, die jeweils derart ausgelegt sind, um eine Kraftstoffmasse direkt in einen der Brennräume 16 als Reaktion auf ein Steuersignal (,INJ_PW') von dem Steuermodul 5 einzuspritzen. Den Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 28 wird druckbeaufschlagter Kraftstoff von einem (nicht gezeigten) Kraftstoffverteilersystem zugeführt. Jede der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 28 ist fähig, die Kraftstoffmasse in einem einzelnen Puls pro Verbrennungszyklus oder in mehreren Pulsen pro Verbrennungszyklus in den Brennraum 16 einzuspritzen. Während jedes aktivierten Zylindervorgangs wird eine Zylinderfüllung in jedem Brennraum 16 durch Vereinen des eingespritzten Kraftstoffs, der Ansaugluft und von Restabgasen sowie rückgeführten Abgasen gebildet.
Ein Verbrennungssensor 24 überwacht vorzugsweise einen Verbrennungszustand in dem Brennraum 16.
Ein Fremdzündungssystem, das ein (nicht gezeigtes) Zündmodul und eine Zündkerze 26 umfasst, erzeugt zum Zünden oder Unterstützen des Zündens einer Zylinderfüllung als Reaktion auf ein Zündsignal (,IGN') von dem Steuermodul 5 Zündenergie in dem Brennraum 16. Unter spezifischen Betriebsbedingungen kann das Fremdzündungssystem deaktiviert werden, was einen gesteuerten Selbstzündungsbetrieb des Motors 10 erlaubt.
Der Abgaskrümmer 40 schließt fluidisch an ein Abgasflammrohr 48 an, das direkt an das Abgasnachbehandlungssystem 45 fluidisch anschließt. D. h. zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem 45 liegt keine andere Abgasnachbehandlungsvorrichtung (z. B. motornaher Dreiwegekatalysator). Der Abgaszustrom strömt von dem Auslassventil 18 des Motors 10 durch den Abgaskrümmer 40 zu dem Abgasflammrohr 48 direkt zu dem Abgasnachbehandlungssystem 45 und vorzugsweise durch ein Schalldämpfungssystem (nicht gezeigt) zur Atmosphäre. Ein erster Sensor 42 überwacht den Rohemissionsabgaszustrom, wobei er vorzugsweise einen Zustand eines Parameters, der mit einem Rohemissions-Luft/Kraftstoff-Verhältnis korrelierbar ist, und einen Bestandteil des Rohemissionsabgases überwacht.
Das Abgasnachbehandlungssystem 45 befindet sich vorzugsweise an einer Stelle im Unterboden des Fahrzeugs außerhalb des Motorraums des Fahrzeugs, so dass sich ein Konverterelement 46 des Abgasnachbehandlungssystems 45 bei einem vorbestimmten Abstand von dem Auslassventil 18 befindet, ohne dass eine andere Abgasnachbehandlungsvorrichtung zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem 45 tritt. Der vorbestimmte Abstand von dem Auslassventil 18 für eine jeweilige Anwendung wird so ermittelt, dass die in das Konverterelement 46 eindringende Abgaszustromtemperatur während normalen Motorbetriebs unter etwa 750°C liegt. Normaler Motorbetrieb soll somit erreichbare Drehzahl/Last-Betriebspunkte und steuerbare Luft/Kraftstoff-Verhältnisse des Motors 10 einschließen. Die Motordrehzahl kann von einer Motorleerlaufdrehzahl zu einem roten Bereich des Motors reichen, typischerweise von etwa 600 U/min. bis 7.000+ U/min., die Motorlasten können von einem geschlossenen Drosselklappenzustand zu einem weit geöffneten Drosselklappenzustand reichen, wobei z. B. effektiver Mitteldruck von 0 bar bis über 13 bar reicht, und Luft/Kraftstoff-Verhältnisse können von einem Betrieb bei fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis bis zu einem Betrieb bei magerem Luft/Kraftstoff-Verhältnis reichen. Zum Beispiel ist das Konverterelement 46 in einer Anwendung unter einem Abstand von etwa 0,7 Meter von dem Auslassventil 18 des Motors 10 angeordnet, um sicherzustellen, dass die Temperatur des in das Konverterelement 46 eindringenden Abgaszustroms während des normalen Motorbetriebs und während des kontinuierlichen Betriebs bei weit offener Drosselklappe unter etwa 750°C liegt. Der normale Motorbetrieb schließt Motorbetrieb bei Vorliegen einer Motorstörung, die zu Fehlzündungen oder bei falscher Kraftstoffzufuhr in einem oder mehreren der Brennräume 16 führt, aus.
Ein zweiter Sensor 50 überwacht den Abgaszustrom stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 45. Das Überwachen des Abgaszustroms umfasst z. B. Überwachen eines Zustands eines Parameters, der mit dem Rohemissions-Luft/Kraftstoff-Verhältnis korrelierbar ist, Überwachen eines Bestandteils des Abgaszustroms oder Überwachen einer Betriebseigenschaft des Abgasnachbehandlungssystems 45, z. B. Temperatur. Der zweite Sensor 50 erzeugt vorzugsweise ein Ausgangssignal, das von dem Steuermodul 5 überwacht wird. Der Signalausgang von dem zweiten Sensor 50 kann für Steuerung und Diagnose des Motors 10 und des Abgasnachbehandlungssystems 45 verwendet werden.
Ein dritter Sensor 52, der vorzugsweise einen Temperatursensor umfasst, ist in dem Konverterelement 46 zum Überwachen einer Betriebstemperatur desselben angeordnet. Der dritte Sensor 52 erzeugt vorzugsweise ein von dem Steuermodul 5 überwachtes Ausgangssignal.
Ein Heizelement 44 umfasst vorzugsweise eine elektrothermische Vorrichtung, die ein Substrat aus einer Elektrowiderstandsmetallfolie mit einer Zellstruktur mit mehreren Durchströmzellen umfasst. Die Dichte der Durchströmzellen beträgt vorzugsweise etwa 16–186 Zellen pro Quadratzentimeter (100–1200 Zellen pro Quadratzoll). Durch Elektroden 47 wird elektrischer Strom durch das Heizelement 44 geleitet. Der elektrische Strom durch die Elektroden 47 wird mittels einer Stromsteuerungsvorrichtung 49 gesteuert. Die Stromsteuerungsvorrichtung 49 umfasst vorzugsweise eine Hochleistungsschaltvorrichtung, z. B. einen Leistungstransistor, der als Reaktion auf ein von dem Steuermodul 5 ausgegebenes Steuersignal (,EHC_PWM') elektrische Leistung von einer Fahrzeugelektrik (,V+') mit den Elektroden 47 verbindet. Das Heizelement 44 überträgt Wärme auf den Abgaszustrom mittels Übertragen von Strahlungswärme und Leitungswärme auf den damit in Kontakt stehenden Abgaszustrom. Ein Washcoat, der katalytisch aktive Materialien umfasst, z. B. Platingruppenmetalle (hierin nachstehend ,PGM'), z. B. Pt, Pd und Rh, ist vorzugsweise auf die Oberfläche des Metallfoliensubstrats des Heizelements 44 chemisch aufgebracht.
Die erste Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 45A umfasst das Heizelement 44 und das Konverterelement 46. Zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem 45 liegt keine andere Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Das Konverterelement 46 umfasst einen katalysierten NOx-Adsorber, wobei ein (nicht gezeigtes) Substrat mit katalytisch aktivem Material beschichtet ist, was als Mager-NOx-Reduktionskatalysator bezeichnet wird. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein monolithisches Element, das aus Cordierit mit einer Zelldichte von etwa 62 bis 93 Zellen pro Quadratzentimeter (400–600 Zellen pro Quadratzoll) und mit einer Wanddicke von drei Mil (0,0762 mm) bis sieben Mil (0,1779 mm) ausgebildet ist. Die Zellen des Substrats umfassen Stromdurchlässe, durch die Abgas strömt, um die katalytisch aktiven Materialien zu kontaktieren, um Adsorption und Desorption von Nitraten, Sauerstoffspeicherung und Oxidation sowie Reduktion von Bestandteilen des Abgaszustroms zu bewirken. Das Substrat ist vorzugsweise mit einem Washcoat beschichtet, der Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindungen, z. B. Ba und K, enthält, die dazu dienen, NOx als Nitrate zu adsorbieren, die während mageren Motorbetriebs erzeugt werden. Der Washcoat enthält auch katalytisch aktive Materialien, z. B. PGM, die Pt, Pd und Rh umfassen, und Zusätze (z. B. Ce, Zr, La). Unter fettem Motorbetrieb ist ein Reduktionsmittelüberschuss (CO, H2, HC) in dem Abgaszustrom vorhanden, und die adsorbierten Nitrate werden desorbiert. Die desorbierten Nitrate werden durch die überschüssigen Reduktionsmittel an katalytisch aktiven Stellen reduziert. Beispielhafte Beladungen für Ba und K liegen bei etwa 5–25 Gew.-%, und beispielhafte PGM-Beladungen sind Pt: 30–120 g/ft3; Pd: 5–50 g/ft3 und Rh: 3–20 g/ft3. Für die Oxidation von NO zu NO2 ist Platin erforderlich, ein notwendiger Schritt für Nitratbildung, da Rohemissions-NOx typischerweise aus > 90% NO besteht. Ein beispielhaftes Arbeitstemperaturfenster für das Konverterelement 46, das den katalysierten NOx-Adsorber umfasst, liegt bei etwa 250° bis 500°C. Bei Temperaturen des Konverterelements 46, die unter etwa 250°C liegen, ist die Kinetik der Oxidation von NO zu NO2 zu langsam, um die Nitrate in dem Abgaszustrom effektiv zu oxidieren, und die NOx-Reduktionskinetik unter einem Motorbetrieb, der unterstöchiometrisch ist, ist zu langsam, um NOx-Speicherstellen während laufenden Motorbetriebs rechtzeitig effektiv zu regenerieren. Bei Temperaturen über etwa 500°C wird das Nitrat auch unter Motorbetrieb, der überstöchiometrisch ist, instabil, was es dem Konverterelement 46 unmöglich macht, Nitrate effizient zu speichern. Das Halten des Konverterelements 46 in dem Arbeitstemperaturfenster ist daher für NOx-Reduktion bei einem Wert, der zum Erreichen von Emissionszielen erforderlich ist, wünschenswert. Der Washcoat adsorbiert NOx-Moleküle während mageren Motorbetriebs und desorbiert und reduziert NOx-Moleküle während eines Motorbetriebs, der einen fetten Abgaszustrom erzeugt. Das Steuermodul 5 steuert den Motor 10 einen Zeitraum lang selektiv bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Der Zeitraum für fetten Betrieb wird beruhend auf einer verstrichenen Zeit, die zum Desorbieren des adsorbierten NOx von dem Konverterelement 46 erforderlich ist, auf Größe des Konverterelements 46 und auf anderen Faktoren ermittelt. Das Konverterelement 46 dient bei stöchiometrischen Motorbetriebsbedingungen bei Vorhandensein der PGM und der Ce- und Zr-Washcoatkomponenten als Dreiwegekatalysator.
Die zweite Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 45B umfasst das Heizelement 44 und das Konverterelement 46'. Wie bei den anderen Ausführungsformen liegt hier zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem 45B keine andere Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Das Konverterelement 46' umfasst einen Partikelfilter kombiniert mit einem Mager-NOx-Reduktionskatalysator, was auch als Partikelfilter-NOx-Reduktionsvorrichtung (,PNR') bezeichnet wird. Das (nicht gezeigte) Keramiksubstrat umfasst vorzugsweise ein monolithisches Cordieritsubstrat mit einer Zelldichte von etwa 31 bis 47 Zellen pro Quadratzentimeter (200–300 Zellen pro Quadratzoll) und mit einer Wanddicke von drei Mil (0,0762 mm) bis sieben Mil (0,1779 mm). Abwechselnde Zellen des Substrats sind an einem Ende verschlossen. Die Wände des Substrats weisen hohe Porosität auf (z. B. etwa 55% Porosität oder mehr bei einer mittleren Porengröße von etwa 25 Mikrometer), um ein Strömen von Abgasen und eine Imprägnation von NOx-Adsorberkatalysatoren zu ermöglichen. Das Keramiksubstrat ist vorzugsweise mit einem Washcoat beschichtet, der Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindungen, z. B. Ba und K, enthält, die dazu dienen, NOx als Nitrate zu speichern, die während eines Motorbetriebs erzeugt werden, der überstöchiometrisch ist. Der Washcoat enthält auch katalytisch aktive Materialien, d. h. PGM, die Pt, Pd und Rh umfassen, und Zusätze (z. B. Ce, Zr, La).
Die dritte Ausführungsform und die vierte Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems sind in 2 dargestellt. Die dritte und vierte Ausführungsform weisen ebenfalls keine andere zwischen dem Motor und den jeweiligen Abgasnachbehandlungssystemen 45C oder 45D liegende Abgasnachbehandlungsvorrichtung auf. Die dritte Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 45C umfasst das Heizelement 44, das Konverterelement 46, das einen Mager-NOx-Reduktionskatalysator umfasst, und eine Vorrichtung 60 für selektive katalytische Reduktion. Die vierte Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 45D umfasst das Heizelement 44, das Konverterelement 46', das die Partikelfilter-NOx-Reduktionsvorrichtung umfasst, und die Vorrichtung 60 für selektive katalytische Reduktion. Die Vorrichtung 60 für selektive katalytische Reduktion umfasst einen Zeolithkatalysator, der ein mit Washcoat beschichtetes Keramiksubstrat enthält, wobei CU oder Fe in eine Zeolithgitterstruktur ionenausgetauscht ist. Das Substrat umfasst eine monolithische Struktur mit einer Zelldichte von etwa 62 bis 93 Zellen pro Quadratzentimeter (400–600 Zellen pro Quadratzoll) und mit einer Wanddicke von drei Mil (0,0762 mm) bis sieben Mil (0,1779 mm). Die Vorrichtung 60 für selektive katalytische Reduktion dient zum Adsorbieren von gasförmigem Ammoniak, das während Regeneration des Mager-NOx-Reduktionskatalysators freigesetzt wird. Die dritte und vierte Ausführungsform kann jeweils einen vierten Sensor 50' umfassen, der dazu dient, den Abgaszustrom stromabwärts der Vorrichtung 60 für selektive katalytische Reduktion zu überwachen. Das Überwachen des Abgaszustroms umfasst z. B. Überwachen eines Zustands eines Parameters, der mit dem Rohemissions-Luft/Kraftstoff-Verhältnis korrelierbar ist, Überwachen eines Bestandteils des Abgaszustroms oder Überwachen einer Betriebseigenschaft des Abgasnachbehandlungssystems 45, z. B. Temperatur. Der vierte Sensor 50' erzeugt vorzugsweise ein Ausgangssignal, das von dem Steuermodul 5 überwacht wird und das für Steuerung und Diagnose des Motors 10, des Abgasnachbehandlungssystems 45 und der Vorrichtung 60 für selektive katalytische Reduktion verwendet wird. Der vierte Sensor 50' kann zusammen mit dem zweiten Sensor 50 oder an Stelle des zweiten Sensors 50 verwendet werden.
Das Steuermodul 5 umfasst einen digitaler Mehrzweckcomputer, der einen Mikroprozessor oder eine zentrale Recheneinheit, Speichermedien mit einem nicht flüchtigem Speicher, der einen Festspeicher (ROM) und einen elektrisch programmierbaren Festspeicher (EPROM) einschließt, einen Arbeitsspeicher (RAM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog-Digita(A/D)l- und Digital-Analog(D/A)-Schaltungsanordnung sowie eine Schaltungsanordnung und Einrichtungen für Eingabe/Ausgabe (I/O) und eine geeignete Schaltungsanordnung zur Signalaufbereitung und Pufferung umfasst. Das Steuermodul 5 weist einen Satz von Steueralgorithmen mit residenten Programmbefehlen und Kalibrierungen auf, die im nicht flüchtigen Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen zum Steuern des Motors 10 vorzusehen. Die Algorithmen werden typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal pro Schleifenzyklus ausgeführt wird. Algorithmen werden von der zentralen Recheneinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den vorstehend erwähnten Erfassungseinrichtungen zu überwachen und Steuerungs- und Diagnoseroutinen auszuführen, um einen Betrieb der Aktuatoren unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Schleifenzyklen werden typischerweise in regelmäßigen Intervallen, z. B. alle 3,125, 6,25, 12,5, 25,25 und 100 Millisekunden während eines laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Bei Betrieb überwacht das Steuermodul 5 Eingänge von den vorstehend erwähnten Sensoren, um Zustände von Motorparametern zu ermitteln. Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die vorstehend erwähnten Aktuatoren zu steuern, um die Zylinderfüllung zu bilden, einschließlich Steuern von Drosselklappenstellung, Fremdzündungszeitpunkt, Masse und Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, Stellung des AGR-Ventils, um ein Strömen von rückgeführten Abgasen zu steuern, und Zeitsteuerung und Phaseneinstellung von Einlass- und/oder Auslassventilen bei derart ausgestatteten Motoren. Das Steuermodul 5 kann so arbeiten, dass es den Motor 10 während laufenden Fahrzeugbetriebs ein- und ausschaltet, und kann so arbeiten, dass es einen oder mehrere der Brennräume 16 durch Steuerung von Kraftstoff und Zündung selektiv deaktiviert.
Der Motor 10 wird unter Fahrbedingungen mit niedriger Last und bei Leerlauf vorzugsweise überstöchiometrisch und unter Bedingungen hoher Drehzahl und hoher Last bei stöchiometrischem Betrieb betrieben. Während Magerbetrieben wird der Motor vorzugsweise auf ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis von etwa 25:1 bis 40:1 für Benzin gesteuert. Erhöhte Abgaszustromtemperaturen können während Motorwarmlaufen, z. B. nach einem Kaltstart, durch Betreiben des Motors 10 mit auf spät verstellter Zündzeit und mehreren Kraftstoffpulsen pro Verbrennungsvorgang, erreicht werden. Das Steuermodul 5 kann den Motor 10 steuern, um die Abgaszustromtemperatur anzuheben, und das Heizelement 44 durch Betätigung der Stromsteuerungsvorrichtung 49 betreiben, um das Konverterelement 46 beruhend auf vorbestimmten Bedingungen, z. B. wenn der dritte Sensor 52 anzeigt, dass die Temperatur des Konverterelements 46 unter einer für optimalen Wirkungsgrad bevorzugten Temperatur liegt, schnell zu aufzuheizen.
Das Steuermodul 5 führt einen algorithmischen Code aus, um einen Zustand/Zustände eines Abgaszustromparameters/von Abgaszustromparametern beruhend auf dem Ausgang des ersten Sensors 42 und vorbestimmten Kalibrierungen, die in einer Speichervorrichtung in dem Steuermodul 5 gespeichert sind, zum Steuern des Motors 10 und Überwachen von Betrieb des Motors 10 zu ermitteln.
Das Steuermodul 5 führt einen algorithmischen Code aus, um einen Zustand/Zustände eines Abgaszustromparameters/von Abgaszustromparametern und des Abgasnachbehandlungssystems 45 beruhend auf den Signalausgängen des ersten Sensors 42 des zweiten Sensors 50, des dritten Sensors 52, des vierten Sensors 50' (falls verwendet) und vorbestimmten Kalibrierungen, die in der Speichervorrichtung in dem Steuermodul 5 gespeichert sind, zum Überwachen des Betriebs des Motors 10 und des Abgasnachbehandlungssystems 45, einschließlich Motorsteuerung und -diagnose, zu ermitteln.
Bei Betrieb steuert das Steuermodul 5 nach Anlassen und Starten des Motors 10 den Betrieb des Motors 10 und den Betrieb der Stromsteuerungsvorrichtung 49, um das Abgasnachbehandlungssystem 45 zu beheizen. Dies umfasst vorzugsweise das Betreiben des Motors 10 unter Verwenden mehrerer Kraftstoffeinspritzpulse für jeden Brennraum 16 für jeden Verbrennungsvorgang und auf spät verstellte Fremdzündungszeiten, um die Temperatur des Abgaszustroms anzuheben. Gleichzeitig steuert das Steuermodul 5 die Stromsteuerungsvorrichtung 49, um elektrische Leistung auf das Heizelement 44 zu übertragen. Dies wird als Katalysatoraufwärmmodus bezeichnet. Das Steuermodul 5 überwacht Signaleingang von dem dritten Sensor 52, und wenn der dritte Sensor 52 anzeigt, dass die Temperatur des Konverterelements 46 einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, z. B. etwa 300°C, setzt das Steuermodul 5 das Steuern der Stromsteuerungsvorrichtung 49 aus und steuert den Betrieb des Motors 10 in einem normalen Motorbetriebsmodus, um Leistung und Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu optimieren, und wobei es den Katalysatoraufwärmmodus aussetzt. Das Steuermodul 5 kann den Motor 10 mehrere Male während einer einzigen Fahrt anlassen und starten, wenn es bei einem Fahrzeug genutzt wird, das in einem Stopp/Start-Modus des Motors arbeiten kann, z. B. bei einem Fahrzeug, das ein Hybridantriebsstrangsystem nutzt.
Die Umwandlungswirkungsgrade des Konverterelements 46 können aufgrund der Ablagerung von Schwefel auf der Oberfläche des Katalysatorsubstrats verringert werden. Verbindungen, die stabile Nitrate bilden, z. B. Alkali- und Erdalkalimetallverbindungen, bilden stabiles Sulfat. Somit bilden die NOx-Speicherkomponenten in dem Konverterelement 46 Sulfate bei Exposition gegenüber Schwefelverbindungen in dem Abgasstrom, was die NOx-Speicherfähigkeit derselben verringert. Schwefel wird durch einen als Desulfatierung bezeichneten Prozess, der beruhend auf Motorbetriebsbedingungen und Schwefelgehalt in dem Kraftstoff regelmäßig angeordnet wird, aus dem Konverterelement 46 entfernt. Der Desulfatierungsprozess umfasst das Steuern des Betriebs des Motors 10 und des Heizelements 44, um das Konverterelement 46 auf eine erhöhte Temperatur zu erhitzen, typischerweise über 700°C, und das Konverterelement 46 einem fetten Abgaszustrom auszusetzen. Das Heizelement 44 und der Motor werden gesteuert, um die erhöhte Temperatur und den Abgaszustrom fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einen Zeitraum lang zu erreichen, um das Konverterelement 46 zu desulfatieren, vorzugsweise ohne Beeinflussen des Abtriebsmoments des Motors.
Die Offenbarung beschreibt bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen derselben. Weitere Abwandlungen und Änderungen können Dritten beim Lesen und Verstehen der Beschreibung in den Sinn kommen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die besondere(n) Ausführungsform(en) beschränkt sein, die als die zum Ausführen dieser Offenbarung in Betracht gezogene beste Methode offenbart wurde(n), sondern die Offenbarung beinhaltet alle Ausführungsformen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Die Offenbarung legt einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung dar, der selektiv bei einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betreibbar und mit einem Abgasnachbehandlungssystem fluidverbunden ist. Das Abgasnachbehandlungssystem besteht im Wesentlichen aus einem elektrothermischen Heizelement, das an ein Konverterelement anschließt. Ein Steuersystem, das ein Steuermodul umfasst, ist mit einer Erfassungsvorrichtung signalverbunden und dafür ausgelegt, eine Temperatur des Konverterelements zu überwachen, und ist mit dem Motor funktionell verbunden und fähig, das elektrothermische Heizelement mit einer Quelle elektrischer Leistung zu verbinden.

Claims

Vorrichtung, umfassend: einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung, der selektiv bei einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betreibbar ist und direkt mit einem Abgasnachbehandlungssystem fluidverbunden ist; wobei das Abgasnachbehandlungssystem im Wesentlichen aus einem elektrothermischen Heizelement besteht, das an ein Konverterelement anschließt, wobei zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem keine anderen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen angeordnet sind; und ein Steuersystem mit einem Steuermodul, das mit einer Erfassungsvorrichtung signalverbunden ist, die ausgelegt ist, um eine Temperatur des Konverterelements zu überwachen, und das mit dem Motor funktionell verbunden und betreibbar ist, das elektrothermische Heizelement mit einer Quelle elektrischer Leistung zu verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche umfasst, dass das Abgasnachbehandlungssystem unter einem Abstand von dem Motor positioniert ist, so dass eine Temperatur des in das Konverterelement eindringenden Abgaszustroms während normalen Motorbetriebs unter 750°C liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, welche weiterhin umfasst, dass das Konverterelement unter einem Abstand von mindestens 0,7 m von einem Auslassventil des Verbrennungsmotors positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Konverterelement ein Keramiksubstrat mit einem Washcoat umfasst, der mindestens eines von: einem Metall, das aus Platin, Palladium und Rhodium besteht, und einer Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindung, die aus Barium oder Kalium besteht, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche umfasst, dass das Steuermodul fähig ist, eine Stromsteuerungsvorrichtung zu steuern, um das elektrothermische Heizelement mit der Quelle elektrischer Leistung zu verbinden, wenn der Signalausgang von der Erfassungsvorrichtung anzeigt, dass die Temperatur des Konverterelements unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, welche weiterhin umfasst, dass das Steuermodul fähig ist, den Verbrennungsmotor selektiv bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das gegenüber einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist, zu steuern, und betreibbar ist, das elektrothermische Heizelement mit der Quelle elektrischer Leistung zu verbinden, um die Temperatur des in das Konverterelement eindringenden Abgaszustroms einen vorbestimmten Zeitraum lang auf etwa 700°C zu steuern, um das Konverterelement zu desulfatieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, welche weiterhin umfasst, dass das Steuermodul fähig ist, das elektrothermische Heizelement selektiv mit der Quelle elektrischer Leistung zu verbinden, wenn der Motor während laufenden Fahrzeugbetriebs abgeschaltet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin umfasst, dass das Steuermodul fähig ist, den Verbrennungsmotor selektiv bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Zeitraum lang zu steuern, der so bestimmt ist, dass er im Wesentlichen das adsorbierte NOx von dem Konverterelement desorbiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das elektrothermische Heizelement ein Metallfoliensubstrat mit einem Washcoat umfasst, der chemisch auf die Oberfläche desselben aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Washcoat katalytisch aktives Material umfasst.
Vorrichtung, umfassend: einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung, der selektiv bei einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betreibbar ist und direkt mit einem Abgasnachbehandlungssystem fluidverbunden ist; wobei das Abgasnachbehandlungssystem im Wesentlichen aus einem elektrothermischen Heizelement besteht, das an eine katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung anschließt, wobei zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem keine anderen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen angeordnet sind; und ein Steuersystem mit einem Steuermodul, das mit einer Erfassungsvorrichtung signalverbunden ist, die ausgelegt ist, um eine Temperatur des Konverterelements zu überwachen, und das mit dem Motor funktionell verbunden und betreibbar ist, das elektrothermische Heizelement mit einer Quelle elektrischer Leistung zu verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung ein monolithisches Substrat mit einem Washcoat umfasst, der mindestens eines von einem Metall bestehend aus Platin, Palladium und Rhodium enthält und eine Alkalimetallverbindung, die aus Barium oder Kalium besteht, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 11, welche weiterhin umfasst, dass das Steuermodul fähig ist, den Verbrennungsmotor selektiv bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Zeitraum lang zu steuern, der beruhend auf Desorption von adsorbiertem NOx von dem Konverterelement bestimmt wird.
Vorrichtung, umfassend: einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung, der selektiv bei einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betreibbar ist und direkt mit einem Abgasnachbehandlungssystem fluidverbunden ist; wobei das Abgasnachbehandlungssystem im Wesentlichen aus einem elektrothermischen Heizelement besteht, das an einen Partikelfilter-NOx-Reduktionskatalysator anschließt, wobei zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem keine anderen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen angeordnet sind; und ein Steuersystem mit einem Steuermodul, das mit einer Erfassungsvorrichtung signalverbunden ist, die ausgelegt ist, um eine Temperatur des Konverterelements zu überwachen, und das mit dem Motor funktionell verbunden und betreibbar ist, das elektrothermische Heizelement mit einer Quelle elektrischer Leistung zu verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 14, welche weiterhin umfasst, dass das Steuermodul fähig ist, den Verbrennungsmotor selektiv bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das gegenüber einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist, zu steuern, und betreibbar ist, das elektrothermische Heizelement mit der Quelle elektrischer Leistung zu verbinden, um die Temperatur des in das Konverterelement eindringenden Abgaszustroms einen vorbestimmten Zeitraum lang, der zum Spülen von Kohlenstoff aus dem Konverterelement ermittelt ist, auf etwa 700°C zu steuern.
Vorrichtung, umfassend: einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung, der selektiv bei einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betreibbar ist und direkt mit einem Abgasnachbehandlungssystem fluidverbunden ist; wobei das Abgasnachbehandlungssystem im Wesentlichen aus einem elektrothermischen Heizelement, das an ein Konverterelement anschließt, und einem Element für selektive katalytische Reduktion besteht, wobei zwischen dem Motor und dem Abgasnachbehandlungssystem keine anderen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen angeordnet sind; und ein Steuersystem mit einem Steuermodul, das mit einer Erfassungsvorrichtung signalverbunden ist, die ausgelegt ist, um eine Temperatur des Konverterelements zu überwachen, und das mit dem Motor funktionell verbunden und betreibbar ist, das elektrothermische Heizelement mit einer Quelle elektrischer Leistung zu verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 16, welche umfasst, dass das Abgasnachbehandlungssystem unter einem Abstand von dem Motor positioniert ist, so dass eine Temperatur des in das Konverterelement eindringenden Abgaszustroms während normalen Motorbetriebs unter 750°C liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Konverterelement einen Partikelfilter-NOx-Reduktionskatalysator oder eine katalysierte NOx-Adsorbervorrichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Element für selektive katalytische Reduktion ein Substrat umfasst, das einen Zeolith und Kupfer oder Eisen darauf beschichtet aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Steuersystem weiterhin eine Erfassungsvorrichtung umfasst, die fähig ist, den Abgaszustrom stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems zu überwachen.