DE69706184T2

DE69706184T2 - REDUKTION DES NOx AUSSTOSSES EINES MOTORS

Info

Publication number: DE69706184T2
Application number: DE69706184T
Authority: DE
Inventors: Robert Anthony Marshall
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2017-10-14
Also published as: DE69706184D1; EP0932754B1; GB9621639D0; WO1998017906A1; EP0932754A1; GB2318310A

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft die Minderung der NOx Emissionen von einem mit einer NOx Falle ausgerüsteten Magerverbrennungs-Motor.

Beschreibung des bisherigen Standes der Technik

Verbrennungsmotoren, die zur hauptsächlichen Verbrennung einer - verglichen mit der Stöchiometrie - mageren Mischung konstruiert sind, neigen dazu im Auspuff- Speisegas NOX Gase zu erzeugen; und um die Emissionsvorschriften zu erfüllen ist es notwendig, diese Gase im Abgassystem abzufangen und zu neutralisieren, bevor sie in die umgebende Atmosphäre abgegeben werden.
Es ist bekannt eine NOXFalle zu verwenden, um die Gase zu speichern, und die Falle durch Erzeugen einer fetten (d. h. reduzierenden) Atmosphäre in das Abgassystem hinein zu spülen. Genauer gesagt findet in der NOX Falle eine reversible, chemische Reaktion statt. In Gegenwart einer oxidierenden Atmosphäre im Abgassystem reagieren NOV-Gase mit dem Material in der Falle, und werden in der Falle in Form eines Nitrates gespeichert. Zu einem späteren Zeitpunkt - wenn geschätzt wird daß die Falle ihre maximale Speicherkapazität erreicht - wird ein Spülzyklus eingeleitet, in welchem für einen kurzen Zeitraum überschüssiger Kraftstoff zum Motor geliefert wird. Die gespeicherten NOx Gase werden freigegeben und reagieren mit dem überschüssigen Kraftstoff in den Abgasen, um - bevor sie an die umgebende Atmosphäre abgegeben werden - zu Stickstoff reduziert zu werden.
Aus verschiedenen Gründen ist es nicht praktisch, zu jeder Zeit im Magerverbrennungs-Modus zu arbeiten. Speziell wenn der Motor sich im Leerlauf befindet, und während Betrieb bei geringer Drehzahl und geringer Last, kann die Verbrennung im Magerverbrennungs-Modus nicht leicht gesteuert werden, was zu Instabilitäten des Motors führt. Auch bei höheren Motordrehzahlen und -lasten wird es bevorzugt den Motor unter stöchiometrischen Bedingungen zu betreiben. Ein Grund hierfür ist daß sich die Effizienz der NOX Falle mit der Temperatur verringert, und sie sich bei höheren Drehzahlen und Lasten zu schnell auffüllt, und eine zu häufige Spülung erfordert.
Für ein Motormanagement-System eines Magenrerbrennungs-Motor ist es daher üblich, daß es zur Umschaltung zwischen Modi in der Lage ist; um unter manchen Betriebsbedingungen eine stöchiometrische Mischung, und zu anderer Zeit eine magere Mischung zu liefern.
Während der Magerverbrennungs-Modus auf eine Kalibrierung mit offenem Regelkreis angewiesen ist, arbeitet das Management-System zum Erhalt der Stöchiometrie normalerweise in einer Betriebsart mit geschlossenem Regelkreis, der sich auf eine Rückführungs-Fehlersignal eines beheizten Abgas-Sauerstoffsensors (HEGO, Heated Exhaust Gas Oxygen, beheizter Abgas-Sauerstoffsensor) verläßt, dessen Ausgabesignal in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen zwischen zwei Zuständen hin und her schaltet. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis wirkt in der Gegenwart von überschüssigem Sauerstoff um die Mischungsstärke zu erhöhen, und um die Mischungsstärke zu vermindern wenn es der Mischung an Sauerstoff mangelt; mit dem Ergebnis daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis um die Stöchiometrie schwankt.
Einem Problem, dem mit einem Motor begegnet wurde der in Magerverbrennungs- und Stöchiometrie-Modus betrieben werden kann, ist daß - bei Rückkehr zum Stöchiometrie-Modus nach einer Dauer der mageren Verbrennung - NOX Gase dazu tendieren aus der Falle zu entweichen. Diese Gase entweichen und werden an die umgebende Atmosphäre abgegeben, weil in den Abgasen nicht ausreichend reduzierende Agenzien (Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid) zur Reaktion mit den freigegebenen NOX Gasen vorhanden sind.

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung strebt daher danach eine Leckage von NOX Gasen aus dem Abgassystem zu vermeiden, wenn der Motor nach einer Dauer des Magerverbrennungs-Betriebs zum stöchiometrischen Betrieb im geschlossenen Regelkreis zurückkehrt.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungsmotor bereitgestellt, der ein Abgassystem besitzt welches eine NOx-FaIIe und einen Abgas- Sauerstoffsensor einschließt; und ein Managementsystem, um den Motor abwechselnd in einem Magerverbrennungs-Modus, in welchem vom Motor erzeugte NOx-Gase in der Falle gespeichert werden, und in einem Modus mit geschlossenem Regelkreis zu betreiben, in welchem die Mischungsstärke abhängig vom Ausgabesignal des im Motor-Abgassystem angeordneten Abgas-Sauerstoffsensors um die Stöchiometrie schwingt; dadurch gekennzeichnet daß - wenn im Modus mit geschlossenem Regelkreis gearbeitet wird - die Erwiderung des Management-Systems auf das Ausgabesignal des Abgas-Sauerstoffsensors vorbelastet ist, um - wenn über die Zeit gemittelt wird - im Abgassystem einen geringfügig mageren Zustand zu schaffen, um die Freigabe der in der Falle gespeicherten NOx--Gase zu vermeiden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben werden, welche ein Blockdiagramm des Motors ist.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In der Zeichnung weist ein Verbrennungsmotor 10 einen Ansaugkrümmer 12 auf, der einen Ansaugluft-Massenstrommesser 14 und Kraftstoffeinspritzungen 16 einschließt; und einen Auspuff 26, der einen Katalysator 20 und eine NOX Falle 24 einschließt. Die Stärke der Kraftstoffmischung des Motors und die Zündungseinstellung werden mittels eines computerisierten Motormanagement-Systems 18 eingestellt, das vom Motor Eingabesignale empfängt, die Motor-Betriebsparameter wie etwa Kurbelwellenstellung und Motortemperatur darstellen. Das Management-System empfängt außerdem ein Signal von mindestens einem HEGO-Sensor 22, welcher stromabwärts, bevorzugter aber strömaufwärts des Katalysators 20 angeordnet sein kann; ebenso wie das Ausgabesignal des im Ansaugkrümmer angeordneten Luft-Massenstrommessers 14. Das Management-System 18 kann in einem von drei Modi arbeiten. Im ersten Modus wird eine Kalibrierung mit offenem Regelkreis verwendet, um eine magere Kraftstoffmischung einzustellen. Mit anderen Worten wird auf Grundlage der abgetasteten Motordrehzahl und -last die optimale Kraftstoff-Einspritzmenge für die derzeit herrschenden Betriebsbedingungen errechnet oder aus einer Tabelle ausgelesen, und die von den Kraftstoffeinspritzungen während jedes Motorzyklus eingespritzte Kraftstoffmenge wird durch Einstellung der Pulsweite gesteuert, die auf die Einspritzungen 16 angewandt wird.
Der zweite Modus ist ein Spülmodus, welcher wieder auf eine Kalibrierung mit offenem Regelkreis angewiesen ist, um zur Spülung der NO~Falle für eine kurze Zeitdauer eine fette Mischung zum Motor zu liefern. Das Motormanagement-System 18 schätzt unter Verwendung eines mathematischen Modells zu jeder Zeit die Menge des in der Falle gespeicherten NOX und leitet wenn erforderlich einen Zyklus des Spülmodus ein, damit vermieden wird daß die Speicherkapazität der NOX Falle überschritten wird.
In einem dritten Modus arbeitet das Management-System 18 in einer Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis, um die Stöchiometrie unter Verwendung eines Rückkopplungssignals vom HEGO-Sensor 22 aufrechtzuerhalten. Das Ausgabesignal des HEGO-Sensors nimmt einen Zustand an wenn in den Abgasen Sauerstoff vorliegt, und einen anderen wenn keine Anwesenheit von Sauerstoff detektiert wird. Wird ein Überschuß an Sauerstoff detektiert, so wird die Mischung aufgefettet, bis zu gegebener Zeit vom HEGO-Sensor 22 kein Sauerstoff detektiert wird. An diesem Punkt verringert das Management-System die Mischungsstärke wieder. Auf diese Weise wird die durchschnittliche Mischungsstärke bei Stöchiometrie aufrechterhalten, wobei die Gase im Abgassystem zwischen oxidierenden Gasen und reduzierenden Gasen schwanken. Das Management-System 18 wählt in Abhängigkeit von den augenblicklich herrschenden Betriebsbedingungen zwischen dem Magerverbrennungs-Modus mit offenem Regelkreis und dem Stöchiometrie-Modus mit geschlossenem Regelkreis, um Verbrennungsstabilität, Kraftstoffersparnis, Maximalleistung und Emissionen zu optimieren.
Wenn der Motor aus einem Magerverbrennungs-Modus in einen Stöchiometrie-Modus wechselt, so besteht für die NOX Falle eine Tendenz zur Leckage, da es Zeiten gibt zu denen im Abgassystem eine reduzierende Atmosphäre herrscht. Werden derartig gespeicherte Gase frühzeitig freigegeben, so werden in den Abgasen nicht genügend reduzierende Agenzien vorhanden sein um sie zu neutralisieren, und sie werden unbehandelt aus dem Abgassystem ausgestoßen werden.
Um dieses Problem zu vermeiden sind das Management-System 18 und der HEGO- Sensor 22 vorbelastet, um länger auf der mageren Seite der Stöchiometrie zu verweilen, und schaffen dadurch im Abgassystem einen geringfügig mageren Zustand, um die Freigabe der in der Falle gespeicherten NOx Gase zu vermeiden.
Spezieller wird durch das Management-System die Rate, mit welcher die Kraftstoffmenge zum Motor geliefert wird abhängig davon geändert, ob die Mischung vom HEGO-Sensor 22 als fett oder mager bezüglich der Stöchiometrie abgetastet wird. Wird die Mischung als fett abgetastet, so wird die Kraftstoffmenge relativ schnell verringert, um zu einem mageren Wert zurückzukehren. Wird die Mischung dagegen als mager abgetastet, so wird die Kraftstoffmenge relativ langsam erhöht, so daß die Mischung für eine längere Zeit mager bleibt, bevor sie zu einem fetten Wert zurückkehrt. Folglich haben die mageren Auswanderungen der Mischung insgesamt gesehen eine längere Dauer als die fetten Auswanderungen, und im Mittel bleibt die Mischung im Abgassystem mager und hemmt damit die unerwünschte Freigabe von NOx aus der Filterfalle.
Es sollte erwähnt werden daß eine Vorbelastung des HEGO-Sensors und des Management-Systems in dieser Art und Weise an sich bekannt ist und zur Steuerung eines Drei-Wege-Katalysators angewandt wird, um alle drei Arten der Abgasemissionen (HC, CO und NOx) unter strenger Kontrolle zu halten. Die Erfindung schlägt dieser bekannten Technik vor, um die frühzeitige Freigabe von NOx aus einer NOx-Falle zu verhindern.

Claims

1. Ein Verbrennungsmotor (10), der ein Abgassystem besitzt welches eine NOx Falle (24) und einen Abgas-Sauerstoffsensor (22) einschließt; und ein Managementsystem (18), um den Motor selektiv in einem Magerverbrennungs-Modus, in welchem vom Motor (10) erzeugte NOx Gase in der Falle (24) gespeichert werden, und in einem Modus mit geschlossenem Regelkreis zu betreiben, in welchem die Mischungsstärke abhängig vom Ausgabesignal des im Motor-Abgassystem angeordneten Abgas- Sauerstoffsensors (22) um die Stöchiometrie schwingt; dadurch gekennzeichnet daß - wenn im Modus mit geschlossenem Regelkreis gearbeitet wird - die Erwiderung des Management-Systems auf das Ausgabesignal des Abgas-Sauerstoffsensors (22) vorbelastet ist, um - wenn über die Zeit gemittelt wird - im Abgassystem einen geringfügig mageren Zustand zu schaffen, um die Freigabe der in der Falle gespeicherten NOx Gase zu vermeiden.