DE102007044191A1

DE102007044191A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom

Info

Publication number: DE102007044191A1
Application number: DE102007044191A
Authority: DE
Inventors: Michael B. Macomb Viola
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2007-09-17
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2027-09-18
Also published as: CN101149011B; US7591132B2; DE102007044191B4; US20080066454A1; CN101149011A; KR100919649B1; KR20080026504A

Abstract

Ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor ist vorgesehen, das eine Vorrichtung und Verfahren zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom umfasst. Umfasst ist eine Kraftstoffdosiervorrichtung, die geeignet ist, um ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen, und eine steuerbare Druckregelvorrichtung. Ein Steuermodul ist funktionell mit der Kraftstoffdosiervorrichtung und der steuerbaren Druckregelvorrichtung verbunden und ist geeignet, um eine Reduktionsmittelströmung in den Abgasstrom über einen steuerbaren Strömungsbereich zu bewirken.

Description

Regierungsauftragsrechte
Die Regierung der USA verfügt über eine Lizenz an dieser Erfindung durch einmalige Bezahlung und besitzt das Recht, unter eingeschränkten Bedingungen an den Patentinhaber die Forderung zu stellen, Dritten unter angemessenen Bedingungen, wie gemäß den Bedingungen der durch das US-Department of Energy zuerkannten DE-FC26-02NT41218 vorgesehen, eine Lizenz zu erteilen.
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein Abgasnachbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einspritzen eines Reduktionsmittels oberstromig dazu.
Hintergrund der Erfindung
Die Hersteller von Verbrennungsmotoren entwickeln Motorsteuerungsstrategien, um Kundennachfragen zu entsprechen und verschiedene Vorschriften in Bezug auf Emissionen und Kraftstoffverbrauch zu erfüllen. Eine solche Motorsteuerungsstrategie umfasst das Betreiben eines Motors bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das überstöchiometrisch ist, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren. Solch ein Betrieb ist durch Verwendung von Kompressions zündungs- (Diesel) und Magermotoren mit Fremdzündung möglich. Wenn ein Motor bei einem mageren (Sauerstoffüberschuss) Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeitet, ist die sich daraus ergebende Verbrennungstemperatur niedriger, was zu verringerten NO_x-Emissionen aus dem Motor führt. Allerdings ist die kommerzielle Anwendung von Motoren mit Magerbetrieb beschränkt, da keine wirksamen Verfahren zum Entfernen von NO_x unter Bedingungen eines mageren Abgases zur Verfügung stehen. Eine wirksame Reduktion von Stickoxiden (NO_x = NO + NO₂) aus Diesel- und Benzinabgasen aus magerer Verbrennung ist daher wichtig, um zukünftige Emissionsgrenzwerte einzuhalten und den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen zu verbessern.
Die Reduktion von NO_x-Emissionen aus einem Abgasstrom, der einen Sauerstoffüberschuss enthält, stellt eine Herausforderung für Automobilhersteller dar. Man schätzt zum Beispiel, dass das Einhalten der Bin 5-Bestimmungen in den Vereinigten Staaten ein Nachbehandlungssystem erfordert, das zu einem NO_x-Umwandlungswirkungsgrad von 70–90% bei dem FTP (Federal Test Procedure)-Zyklus auf der Basis derzeit erwarteter NOx-Konzentrationen aus Motoren in der Lage ist. Für die praktische Anwendung muss der Umwandlungswirkungsgrad in einem niedrigen Betriebstemperaturbereich (z. B. 200–350 °C), der während des zuvor erwähnten FTP-Zyklus vorliegt, und in einem höheren Betriebstemperaturbereich (z. B. 450–550 °C), der während eines Hochdrehzahl-Testzyklus (z.B. des Bundestestverfahrens US06) vorliegt, erreicht werden.
Verschiedene mögliche Nachbehandlungssysteme wurden für eine Anwendung in Fahrzeugen vorgeschlagen. Ein Ansatz umfasst die Verwendung eines Nachbehandlungssystems, das das Einspritzen eines NO_x-Reduktionsmittels wie z. B. Harnstoff oberstromig eines Harnstoff-SCR-Katalysators umfasst, um NO_x zu N₂ zu reduzieren. Die Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel erfordert eine Infrastruktur zur Verteilung des Harnstoffes und ein eingebautes Überwachungssystem für dieses Sekundärfluid und kann wegen des relativ hohen Gefrierpunkts (–12 °C) der Harnstofflösung in kalten Klimagebieten möglicherweise Probleme mit sich bringen. NO_x-Speicher-Katalysatoren benötigen typischerweise große Katalysatorvolumen, große Mengen an Metallen aus der Platingruppe und einen schwefelarmen Kraftstoff für einen wirksamen Speicherbetrieb. Solche Systeme erfordern eine periodische Katalysatorregenerierung, was beinhaltet, dass eine Kraftstoffeinspritzung hohe Abgastemperaturen erzeugt und das Reduktionsmittel eingespritzt werden, um das Speichermaterial des Katalysators zu regenerieren.
Es besteht Bedarf an einer/m wirksamen Vorrichtung und Verfahren zum Einleiten eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom über einen weiten Bereich von Betriebszuständen für die Verwendung bei Fahrzeugen und weiteren Anwendungen von Verbrennungsmotoren.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Vorrichtung zum Steuern der Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom bzw. Abgasspeisestrom vorgesehen. Umfasst sind eine Fluiddosiervorrichtung, die geeignet ist, um ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen, und eine steuerbare Druckregelvorrichtung. Ein Steuermodul ist mit der Reduktionsmittel-Dosiervorrichtung und der steuerbaren Druckregelvorrichtung funktionell verbunden und geeignet, um eine Reduktionsmittelströmung in den Abgasstrom über einen steuerbaren Bereich zu bewirken.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden für den Fachmann beim Lesen und Verstehen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und Anordnungen von Teilen eine physikalische Form besitzen, deren Ausführungsformen in den beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil davon bilden, im Detail beschrieben und veranschaulicht sind.
1 und 2 sind schematische Darstellungen eines Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen die Darstellungen nur die Erfindung veranschaulichen und diese nicht einschränken sollen, zeigen die 1 und 2 schematische Darstellungen eines Verbrennungsmotors 10, eines Abgasnachbehandlungssystems und eines Steuersystems, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
Das beispielhafte Motor- und Steuersystem umfasst einen herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotor 10 und ein elektronisches Motorsteuermodul („ECM") 5. Der Motor 10 umfasst einen bekannten Motor mit Selbstzündung, der ein Betriebsregime aufweist, das hauptsächlich überstöchiometrisch ist. Alternativ kann der Motor 10 einen Motor umfassen, der eine beliebige Anzahl von Motorsteuerungsstrategien umfasst, die überstöchiometrisch arbeiten, wie z. B. Motoren mit homogener Kompressionszün dung und Magermotoren mit Fremdzündung. Der Motor 10 umfasst eine Vielzahl von sich hin- und herbewegenden Kolben, die an einer Kurbelwelle angebracht sind, welche funktionell mit einem Fahrzeugantriebsstrang verbunden ist, um ein Antriebsdrehmoment auf diese zu übertragen. Der Motor 10 erzeugt einen Abgasstrom, der geregelte Bestandteile umfasst, die unter anderem typischerweise Kohlenwasserstoffe („HC"), Kohlenmonoxid („CO"), Stickoxide („NO_x") und Partikel („PM") umfassen. Die geregelten Bestandteile werden in dem Abgasnachbehandlungssystem durch Prozesse wie Oxidation und Reduktion teilweise oder vollständig in unschädliche Gase umgewandelt.
Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ein integriertes System, das wirksam ist, um Bestandteile des Abgasstromes in unschädliche Gase umzuwandeln. Ein Abgaskrümmer nimmt Motorabgase mit und leitet sie zu dem Abgasnachbehandlungssystem. Das beispielhafte Nachbehandlungssystem umfasst katalytische Reaktorvorrichtungen, die einen Oxidationskatalysator („DOC") 14, einen kohlenwasserstoffselektiven katalytischen Reduktions („SCR")-Katalysator 20 und einen Katalysator 24 mit einem zweiten Oxidationskatalysator („DOC") kombiniert mit einem katalytische beschichteten Dieselpartikelfilter („CDFP”) umfassen. Jede der katalytischen Reaktorvorrichtungen umfasst eine Vorrichtung, die Technologien mit verschiedenen Fähigkeiten zum Verarbeiten der Bestandteile des Abgasstromes verwendet, umfassend Oxidation, Reduktion, eine Reduktionsmitteldosierung und ein Filtern von Partikeln. Die Vorrichtungen sind vorzugsweise unter Verwendung von bekannten Rohren und Verbindern in Serie verbunden. Die Anordnung und Verwendung der mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen spezifischen katalytischen Reaktorvorrichtungen sollen der Veranschaulichung dienen und die Erfindung nicht auf eine spezifische Konstruktion und Bauform beschränken.
Die SCR-Vorrichtung 20 umfasst eine katalytische Vorrichtung, die dazu dient, einen wesentlichen Anteil an NO_x-Gasen im Abgas in Anwesenheit eines Kohlenstoff-Reduktionsmittels selektiv zu inertem Stickstoffgas zu reduzieren. Die beispielhafte SCR-Vorrichtung 20 verwendet Silber-Aluminiumoxid („AgAl") als katalytisches Material und umfasst einen vorgewählten Gew.-%-Anteil an Ag₂O, das auf einem Aluminiumoxid-Washcoat getragen ist. Ein beispielhafter Bereich eines katalytischen Materials liegt zwischen 2 und 4 Gew.-% AgAl, mit einer Washcoat-Beladung zwischen 2 bis 3 g/Zoll³, die auf einem Cordierit-Monolithsubstrat mit 400 Zellen pro Quadratzoll getragen ist. Die HC-SCR-Vorrichtung kann alternativ eines von verschiedenen bekannten katalytische Materialien und Washcoats mit einem Bereich von Beladungen, die auf einer Substratvorrichtung getragen sind, verwenden. Es ist einzusehen, dass die Angaben zum Katalysator nur beispielhaft ein sollen, um das System und die Steuerstrategie, die hierin beschrieben sind, zu demonstrieren.
Das Nachbehandlungssystem umfasst Erfassungsvorrichtungen und – systeme, die mit dem ECM 5 vorzugsweise signalmäßig verbunden sind. Die Erfassungsvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen NO_x-Sensor 12, einen Temperatursensor 26 und eine zweite Abgaserfassungsvorrichtung 22. Der NO_x-Sensor 12 dient dazu, die aus dem Motor 10 austretenden Abgase zu überwachen. Der Temperatursensor 26 dient dazu, die Temperatur der aus dem DOC 14 austretenden Abgase oberstromig des SCR-Katalysators zu überwachen, oder alternativ kann der Sensor im Bett der SCR-Vorrichtung 20 angeordnet sein, in jedem Fall, um eine Betriebstemperatur der SCR-Vorrichtung 20 zu ermitteln. Die Abgaserfassungsvorrichtung 22 ist ein zweiter Sensor, der dazu dient, um Bestandteile von Abgasen nach dem SCR-Katalysator 20 zu überwachen. Der NO_x-Sensor 12 umfasst vorzugsweise einen Sensor, der dazu dient, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für eine NO_x- Konzentration im Abgasstrom korrelierbar ist und der ferner dazu dient, ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgasstromes korrelierbar ist, aus dem ein Abgas-Sauerstoffgehalt ermittelt werden kann. Alternativ kann der NO_x-Sensor 12 eine eigentliche NO_x-Erfassungsvorrichtung sein, die einen in dem Steuermodul residenten Algorithmus umfasst, der dazu dient, einen Parameterwert für NO_x auf der Basis von Motorbetriebszuständen zu ermitteln. Die Abgaserfassungsvorrichtung 22 kann einen NO_x-Sensor umfassen, der dazu dient, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für eine NO_x-Konzentration im Abgasstrom nach der SCR-Vorrichtung 20 korrelierbar ist. Alternativ kann die Abgaserfassungsvorrichtung 22 einen Kohlenwasserstoffsensor umfassen, der dazu dient, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für eine HC-Konzentration im Abgasstrom nach der SCR-Vorrichtung 20 korrelierbar ist, zur Verwendung in einem Regelungsschema. Alternativ kann die Abgaserfassungsvorrichtung 22 einen Sauerstoffsensor umfassen, der dazu dient, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für eine O₂-Konzentration im Abgasstrom nach der SCR-Vorrichtung 20 korrelierbar ist, zur Verwendung in einem Regelungsschema. Je nach Bedarf können weitere Sensoren 18, z. B. ein Sauerstoffsensor, in dem Nachbehandlungssystem oberstromig der SCR-Vorrichtung 20 zur Diagnostik und Regelung eingesetzt werden.
Das Steuersystem umfasst vorzugsweise eine verteilte Steuermodularchitektur, die ein ECM 5 umfasst. Die Steuermodule des Steuersystems sind geeignet, um eine koordinierte Steuerung der verschiedenen Fahrzeugsysteme einschließlich des hierin beschriebenen Antriebssystems vorzusehen. Das Steuersystem dient dazu, um die Eingänge von Erfassungsvorrichtungen (z. B. der Sensoren 12, 18, 22, 26) zu überwachen, passende Informationen zu synthetisieren und Algorithmen zum Steuern verschiede ner Aktuatoren (z. B. 16, 32) auszuführen, um Steuerziele zu erreichen, die solche Parameter wie Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Leistung, Fahrverhalten und den Schutz der Hardware umfassen. Die verteilte Steuermodularchitektur umfasst das ECM 5 und eine Benutzerschnittstelle („UI") 13, die funktionell mit einer Vielzahl von weiteren Vorrichtungen verbunden ist, über die ein Fahrer eines Fahrzeugs typischerweise den Betrieb des Fahrzeugs und des Antriebssystems steuert und lenkt. Beispielhafte Vorrichtungen, über die ein Fahrer eines Fahrzeugs einen Eingang an die UI 13 bereitstellt, umfassen ein Gaspedal, ein Bremspedal, einen Gangschalthebel und einen Fahrzeugtempomat. Jede/r der zuvor erwähnten Controller und Vorrichtungen kommuniziert mit weiteren Controllern, Vorrichtungen, Sensoren und Aktuatoren über einen lokalen Hochgeschwindigkeitsnetzwerk(„HLAN")-Bus, der allgemein als Element 6 bezeichnet ist. Der LAN-Bus 6 erlaubt eine strukturierte Übermittlung von Steuerparametern und -befehlen zwischen den verschiedenen Prozessoren, Steuermodulen und Vorrichtungen. Das spezifische verwendete Kommunikationsprotokoll ist anwendungsspezifisch. Der LAN-Bus und entsprechende Protokolle sorgen für eine robuste Mitteilungsübermittlung und einen Mehrfachcontrolleranschluss zwischen den zuvor erwähnten Controllern und weiteren Controller, die eine Funktionalität wie z.B. ABS-Bremsen, Traktionskontrolle und Fahrzeugstabilität bereitstellen.
Das ECM 5 umfasst eine Zentralprozessoreinheit, die über Datenbusse signalmäßig elektrisch mit flüchtigen und nicht flüchtigen Speichervorrichtungen verbunden ist. Das ECM 5 ist funktionell an Erfassungsvorrichtungen und weiteren Ausgabevorrichtungen angeschlossen, um den Betrieb des Motors 10 und des Abgassystems wie gezeigt fortgesetzt zu überwachen und zu steuern. Die Ausgabevorrichtungen umfassen vorzugsweise Subsysteme, die für eine/n entsprechende/n Steuerung und Betrieb des Motors erforderlich sind und z. B. ein Luftansaugsystem, ein Kraftstoffeinspritzsystem, ein Funkenzündsystem (wenn ein Motor mit Fremdzündung verwendet wird), ein Abgasrückführsystem und ein Kraftstoffverdunstungssystem umfassen. Die Motorerfassungsvorrichtungen umfassen Vorrichtungen, die Dazu dienen, um einen Motorbetrieb und äußere Bedingungen zu überwachen, und sind typischerweise über Kabelstränge an dem ECM 5 angeschlossen.
Algorithmen, die in den nicht flüchtigen Speichervorrichtungen gespeichert sind, werden von der Zentralprozessoreinheit ausgeführt und dienen dazu, um Eingänge von den Erfassungsvorrichtungen zu überwachen, und führen Motorsteuerungs- und -diagnoseroutinen aus, um den Betrieb des Motors und der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen unter Verwendung voreingestellter Kalibrierung zu steuern. Die Algorithmen werden typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, wobei jeder Steueralgorithmus mindestens einmal pro Schleifenzyklus ausgeführt wird. Schleifenzyklen werden typischerweise alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines Motorbetriebes ausgeführt. Alternativ können Steueralgorithmen in Ansprechen auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden. Ein zyklisches Ereignis, z. B. eine Berechnung einer Motorkraftstoffzufuhr, kann bei jedem Motorzyklus ausgeführt werden. Ein Diagnosealgorithmus kann einmal pro Zündung-ein-Zyklus ausgeführt werden. Ein Diagnosealgorithmus kann weitere Einschränkungen aufweisen, die Anforderungen umfassen, vor einer Ausführung festgelegte Freigabekriterien zu erfüllen. Ein Fachmann ist in der Lage die Verwendung des ECM 5 für einen Steuer- und Diagnosebetrieb von verschiedenen Aspekten des Verbrennungsmotors 10 allgemein zu verstehen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum Einspritzen eines Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittels in den Abgasstrom des beispielhaften Verbrennungsmotors 10 oberstromig einer der katalytischen Vorrichtungen (hier als SCR-Vorrichtung 20 gezeigt), vorzugsweise während eines Magerbetriebes des Verbrennungsmotors 5. Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 mit einer Fluid- oder Kraftstoffdosiervorrichtung, z. B. einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die geeignet ist, um ein Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen, und fluidmäßig mit einer steuerbaren Druckregelvorrichtung 32 verbunden ist. Das ECM 5 ist funktionell mit der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 und der steuerbaren Druckregelvorrichtung 32 verbunden und steuert die Reduktionsmittelströmung in den Abgasstrom über einen steuerbaren Strömungsbereich. Das Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel umfasst vorzugsweise einen Kohlenwasserstoff-Kraftstoff. Das Abgassystem umfasst Erfassungsvorrichtungen, z. B. Sensoren 12, 18, 22 und 26, die dazu dienen, um Parameter des Abgasstromes zu überwachen, aus denen das ECM 5 in der Lage ist, Parameter einer Abgastemperatur, einer Durchflussrate und von Emissionen zu ermitteln. Das ECM 5 umfasst Algorithmen, die ein Optimalwertsteuerungsschema und ein Regelungsschema zum Steuern der Kraftstoffdosiervorrichtung und der Druckregelvorrichtung auf der Basis eines bevorzugten Verhältnisses für HC₁/NO_x und der Abgasstromparameter, im Speziellen der NO_x-Konzentration, zu steuern. Der Verbrennungsmotor kann eine beliebige Anzahl von Verbrennungsmotoren umfassen, die in einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisbereich arbeiten, umfassend z. B. einen Motor mit Kompressionszündung und einen Motor mit homogener Kompressionszündung. Dies ist nun im Detail beschrieben.
Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 dieser Ausführungsform umfasst eine Common-Rail-Dieseleinspritzeinrichtung, die geeignet ist, um Dieselkraftstoff in den Abgasstrom einzuspritzen. Ein Anpassen der Dieseleinspritzeinrichtung umfasst vorzugsweise das Hinzufügen von Ver bindungsstücken, die geeignet sind, um die Vorrichtung in das Abgassystem einzusetzen, und Materialänderungen, um die Abgasstromumgebung unterzubringen. Eine Kraftstoffleitung 30 von dem Motor liefert unter Druck stehenden Kraftstoff zu der steuerbaren Druckregelvorrichtung 32, deren Ausgang fluidmäßig mit der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 verbunden ist. Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 und die steuerbare Druckregelvorrichtung 32 sind jeweils funktionell mit dem ECM 5 verbunden, das den Massenstrom des Reduktionsmittels in den Abgasstrom steuert, indem es die steuerbare Druckregelvorrichtung 32 derart steuert, dass sie den Kraftstoffdruck steuert, und die Impulsdauer der Einspritzeinrichtungsöffnung und die Wiederholungsrate derart steuert, dass die Masse der Kraftstoffströmung aus der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 hinaus gesteuert ist.
Die Verwendung der Common-Rail-Dieseleinspritzeinrichtung zum Einspritzen eines Kraftstoff-Reduktionsmittels erfordert ein/en sehr hohen/s dynamischen/s Bereich oder Turndown-Verhältnis („TDR"), das definiert ist als ein Verhältnis einer maximalen Strömung zu einer minimalen Strömung aus der Einspritzeinrichtung. Auf der Basis von Messdaten über verschiedene Testzyklen in Verbindung mit erwarteten NO_x-Nivaus ist eine maximale Strömungsrate der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16 in einem Bereich von 1,0 g/s erforderlich, um NO_x unter bestimmten Betriebsbedingungen wirksam zu reduzieren, und eine minimale Strömungsrate in einem Bereich von nur 0,001 g/s ist erforderlich, um NO_x unter bestimmten Betriebsbedingungen ohne einen entsprechenden unvollständigen HC-Umsatz oder einen Durchbruch von HC-Emissionen wirksam zu reduzieren. Somit ist ein Reduktionsmittel-Einspritzsystem mit einem TDR von 1.000:1 zu erwarten, das den dynamischen Bereich von bekannten, bestehenden Kohlenwasserstoff-Kraftstoffeinspritzvorrichtungen überschreitet. Die Verwendung eines steuerbaren Druckreglers 32 ermöglicht eine weiten Bereich von Strömungsraten aus der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16, um die vorgeschrieben maximalen und minimalen Strömungen zu erzielen.
Die steuerbare Druckregelvorrichtung 32 kann eine beliebige einer Anzahl von bekannten Vorrichtungen sein, die dazu dienen, eine Menge an unter Druck stehendem Kraftstoff in der Kraftstoffleitung bei einem gesteuerten Druck bereitzustellen. Ein beispielhafter Regler umfasst einen Differenzdruckregler, der derart ausgestaltet ist, dass er für einen gesteuerten Druck sorgt, der eine Summe eines Signal- oder Referenzdruckes und eines Vorbelastungsdruckes ist. Die Vorbelastung kann entweder positiv oder negativ sein. Durch Steuern des Vorbelastungsdruckes kann der gesteuerte Druck variiert werden.
Ein erforderlicher Massenstrom an Reduktionsmittel wird wie folgt ermittelt. Im Betrieb werden Daten, die durch den NO_x-Sensor 12 im Abgasstrom erfasst werden, verwendet, um NO_x-Emissionen aus dem Motor, typischerweise in Parts per million („ppm"), zu messen. Die NO_x aus dem Motor und die Abgastemperatur (durch den Sensor 26 gemessen) werden von dem ECM 5 verwendet, um Abgastemperaturen zu ermitteln, die mit einer NO_x-Reduktion in Beziehung stehen. Die Abgasströmungsrate wird auf der Basis von Luftmassenströmen von Luft in den Motor 10 und Kraftstoff- und durchschnittlichen Abgaseigenschaften berechnet. Eine Katalysator-Raumgeschwindigkeit wird auf der Basis des Katalysatorvolumens und der Strömungsrate ermittelt. Die Raumgeschwindigkeit entspricht einer Zufuhrrate von Abgas in Volumen pro Volumeneinheit des Katalysators und besitzt die Einheit des Reziproks einer Stunde (h^–1).
Der Massestrom von eingespritztem Reduktionsmittel wie z. B. Dieselkraftstoff in das Abgas unter Verwendung der Reduktionsmittel- Einspritzvorrichtung 16 wird aus der Ermittlung eines HC₁:NO_x-Verhältnisses, das für eine maximale NO_x-Reduktion und einen minimalen unvollständigen HC-Umsatz an dem HC-SCR-Katalysator 20 vorbei erforderlich ist, berechnet. Eine beispielhafte Strategie zum Ermitteln eines HC₁:NO_x-Verhältnisses, das für eine maximale NO_x-Reduktion und einen minimalen unvollständigen HC-Umsatz an dem HC-SCR-Katalysator vorbei erforderlich ist, ist in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung ... (Anwaltskennzeichen Nr. GP-308 485) mit dem Titel METHOD AND APPARATUS TO SELECTIVELY REDUCE NO_x IN AN EXHAUST GAS FEEDSTREAM, die durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschrieben. Durch Verwenden der Dieseleigenschaften kann man das Verhältnis von Kohlenstoff, auf der Basis von C₁ zu NO_x berechnen, wobei HC₁:NO_x für einen ganzen Betriebsbereich des beispielhaften Motors 10 benötigt wird. Eine Kalibrierung, die in Tabellenform in einer Speichervorrichtung des ECM 5 gespeichert ist, umfasst eine Vielzahl von optimierten HC₁/NO_x-Verhältnisse, die über einen Bereich von Abgastemperaturen und einen Bereich von Katalysator-Raumgeschwindigkeitsparametern ermittelt wurden. Das optimierte HC₁/NO_x-Verhältnis für eine gegebene Temperatur und eine gegeben SV wird von einem Algorithmus in dem ECM 5 in einem Optimalwertsteuerschema verwendet, um eine NO_x-Reduktion durch die HC-SCR-Vorrichtung 20 zu bewirken. Des Weiteren kann eine Rückmeldung von einem Sauerstoffsensor (nicht gezeigt) im Abgasstrom nach der Einspritzvorrichtung 16 und oberstromig des SCR-Katalysators 20 verwendet werden, um das Ausmaß der HC-Dosierung einzustellen. Beispielsweise besteht die Tendenz, dass niedrige Sauerstoffniveaus im Abgas zu einem verbesserten NO_x-Wirkungsgrad führen. Daher kann, wenn das Sauerstoffniveau im Abgasstrom abfällt, das Ausmaß der HC-Einspritzung reduziert werden.
Die Masse des eingespritzten Reduktionsmittels wird wie folgt bestimmt. Das Ausmaß von NO_x-Emissionen im Abgasstrom wird durch das ECM 5 unter Verwendung von Informationen von den Sensoren ermittelt. Der spezifische Wert des optimierten HC₁/NO_x-Verhältnisses wird aus der zuvor erwähnten tabellarischen Kalibrierung für die spezifische Abgastemperatur und Katalysator-Raumgeschwindigkeit ermittelt. Das Ausmaß der NO_x-Emissionen wird mit dem optimierten HC₁/NO_x-Verhältnis multipliziert, um die benötigte Menge an eingespritztem Kraftstoff auf einer C₁-Basis zum Einspritzen in den Abgasstrom zu ermitteln. Beispielsweise weist 1 ppm verdampfter Dieselkraftstoff ca. 14 Kohlenstoffatome auf; somit erfordert ein HC₁/NO_x-Verhältnis von 10 mit 100 ppm Einlass-NO_x im Abgasstrom die Einspritzung von 10 × 100/14 = 71 ppm Dieselkraftstoff. Daher wird das HC₁/NO_x-Verhältnis verwendet, um die richtige Menge an Kraftstoff für eine NO_x-Reduktion über dem Katalysator zu berechnen und einzuspritzen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 ist eine alternative Ausführungsform des Systems beschrieben. Das zweite System umfasst sämtliche Aspekte des mit Bezugnahme auf 1 beschriebenen ersten Systems und umfasst ferner eine zweite Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 17, die fluidmäßig mit dem Ausgang der steuerbaren Druckregelvorrichtung 32 verbunden ist. Die zweite Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 17 ist durch das ECM 5 gesteuert und dient dazu, um eine gesteuerte Menge an Kohlenwasserstoff oberstromig einer zweiten katalytischen Vorrichtung, in dieser Ausführungsform als Oxidationskatalysator 14 gezeigt, einzuspritzen, um eine Entschwefelung davon zu bewirken. Alternativ (nicht gezeigt) kann das zweite System derart mechanisiert sein, dass es oberstromig des Katalysators 24, der den Dieselpartikelfilter („CDPF”) umfasst, eingespritzt wird, um eine Regenerierung davon zu bewirken.
Das hierin oben stehend mit Bezug auf die Ausführungsformen beschriebene System ist auf der Verbrennung nachgeschaltete Einspritzschemen für verschiedene Motoren mit Kompressionszündung und für Motoren mit Fremdzündung anwendbar. Wie beschrieben umfassen solche Systeme eine der Verbrennung nachgeschaltete HC-Einspritzung zum Regenerieren von Dieselpartikelfiltern, eine der Verbrennung nachgeschaltete HC-Einspritzung zur Entschwefelung von Diesel-Oxidationskatalysatoren und eine der Verbrennung nachgeschaltete HC-Einspritzung zur Regenerierung und Entschwefelung von Mager-NO_x-Katalysatoren.
Das hierin beschriebene Abgasnachbehandlungssystem umfasst die katalytische Reaktorvorrichtung 14, eine Vielzahl von Abgaserfassungsvorrichtungen 12, 22, 26 und das Reduktionsmittel-Einspritzsystem. Das Reduktionsmittel-Einspritzsystem gibt ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom oberstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung 20 ab und umfasst die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 16, die geeignet ist, um das Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen, und die steuerbare Druckregelvorrichtung 32. Das Steuersystem bestimmt Parameter des Abgasstromes und eine bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate. Das Reduktionsmittel-Einspritzsystem wird auf die bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate während eines Magerbetriebes gesteuert. Die Verwendung solch einer Steuerung erlaubt eine Verbesserung des Fahrzeug-Kraftstoffverbrauches während eine maximale NO_x-Reduktion über dem Katalysator erreicht wird.
Die Erfindung wurde unter spezieller Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen und Abwandlungen an denselben beschrieben. Weitere Abwandlungen und Änderungen können nach dem Lesen und Verstehen der Beschreibung erfolgen. Es sollen alle derartigen Abwandlungen und Änderungen umfasst sein, sofern sie in den Umfang der Erfindung fallen.

Claims

Vorrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, umfassend: eine Fluiddosiervorrichtung, die geeignet ist, um ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen; eine steuerbare Druckregelvorrichtung; und ein Steuermodul, das funktionell mit der Reduktionsmittel-Dosiervorrichtung und der steuerbaren Druckregelvorrichtung verbunden und geeignet ist, um eine Reduktionsmittelströmung in den Abgasstrom über einen steuerbaren Strömungsbereich zu bewirken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fluiddosiervorrichtung eine Kraftstoffdosiervorrichtung umfasst, die geeignet ist, um einen Kohlenwasserstoff-Kraftstoff in den Abgasstrom oberstromig einer selektiven Katalysator-Reduktionsvorrichtung während eines Magerbetriebes des Verbrennungsmotors einzuspritzen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend das Steuermodul, das funktionell mit der Kraftstoffdosiervorrichtung und der Druckregelvorrichtung verbunden und geeignet ist, um die Kraftstoffdosiervorrichtung und die Druckregelvorrichtung auf der Basis einer NO_x-Konzentration aus dem Motor zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend das Steuermodul, das funktionell mit der Kraftstoffdosiervorrichtung und der Druckregelvorrichtung verbunden und geeignet ist, um die Kraftstoffdo siervorrichtung und die Druckregelvorrichtung auf der Basis eines bevorzugten Verhältnisses für HC₁/NO_x zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend das Steuermodul, das signalmäßig mit einer Vielzahl von Erfassungsvorrichtungen verbunden ist, die dazu dienen, um Parameter des Abgasstromes zu überwachen, und dazu dienen, um Parameter einer Abgastemperatur, einer Strömungsrate und von Emissionen zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Steuermodul, das geeignet ist, um eine Reduktionsmittelströmung in den Abgasstrom über einen steuerbaren Strömungsbereich zu bewirken, das Steuermodul umfasst, das geeignet ist, um ein Optimalwertsteuerungsschema auszuführen, um die Kraftstoffdosiervorrichtung und die Druckregelvorrichtung auf der Basis des bevorzugten Verhältnisses für HC₁/NO_x und der Abgasstromparameter zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 6, ferner umfassend das Steuermodul, das geeignet ist, um ein Optimalwertsteuerungsschema auszuführen, um die Kraftstoffdosiervorrichtung und die Druckregelvorrichtung auf der Basis des bevorzugten Verhältnisses für HC₁/NO_x und der Abgasstromparameter zu steuern
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der steuerbare Strömungsbereich einen Kraftstoffströmungsbereich von der Kraftstoffdosiervorrichtung über einen Bereich von ca. 0,001 Gramm/Sekunde bis ca. 1,0 Gramm/Sekunde umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor einen Motor mit Kompressionszündung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor einen Motor mit homogener Kompressionszündung umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, der geeignet ist, in einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bereich zu arbeiten, umfassend: eine katalytische Reaktorvorrichtung; eine Vielzahl von Abgaserfassungsvorrichtungen; ein Reduktionsmittel-Einspritzsystem, das dazu dient, ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom oberstromig der katalytischen Reaktorvorrichtung abzugeben, umfassend: eine Fluiddosiervorrichtung, die geeignet ist, um ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen, und eine steuerbare Druckregelvorrichtung; und ein Steuersystem, das geeignet ist, um: Parameter des Abgasstromes zu ermitteln; eine bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate zu ermitteln; und das Reduktionsmittel-Einspritzsystem selektiv auf die bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate während eines Magerbetriebes des Verbrennungsmotors zu steuern.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 11, ferner umfassend: das Reduktionsmittel-Einspritzsystem, das dazu dient, ein Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel abzugeben; die katalytische Reaktorvorrichtung, die eine kohlenwasserstoffselektive Katalysator-Reduktionsvorrichtung umfasst; und wobei die bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate ein HC₁/NO_x-Verhältnis umfasst, das wirksam ist, um eine NO_x-Konzentration durch die kohlenwasserstoffselektive Katalysator-Reduktionsvorrichtung zu reduzieren.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 12, wobei die katalytische Reaktorvorrichtung eine katalytische Silber-Aluminiumoxid Reaktorvorrichtung umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 11, ferner umfassend das Reduktionsmittel-Einspritzsystem, das dazu dient, ein Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel abzugeben; die katalytische Reaktorvorrichtung eine Dieselpartikelfiltervorrichtung umfasst; und wobei die bevorzugte Reduktionsmittel-Zufuhrrate wirksam ist, um die Dieselpartikelfiltervorrichtung zu regenerieren.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 11, ferner umfassend das Reduktionsmittel-Einspritzsystem, das dazu dient, ein Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel abzugeben; wobei die katalytische Reaktorvorrichtung eine Dieseloxidations-Katalysatorvorrichtung umfasst; und die bevorzugt Reduktionsmittel-Zufuhrrate wirksam ist, um die Dieseloxidations-Katalysatorvorrichtung zu entschwefeln.
Verfahren zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom eines Verbrennungsmotor, umfassend die Schritte, dass: eine steuerbare Druckregelvorrichtung vorgesehen wird, die dazu dient, um einen Fluiddruck an eine Kraftstoffdosiervorrichtung zu steuern, die geeignet ist, um ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen; und der fluidische Druck zu der Kraftstoffdosiervorrichtung selektiv gesteuert wird und die Kraftstoffdosiervorrichtung gesteuert wird, um eine Reduktionsmittelströmung in den Abgasstrom zu steuern.