DE102010054601A1

DE102010054601A1 - Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor und Verfahren zum Erhöhen einer Temperatur eines SCR-Katalysators, um NOx in Abgasen zu reduzieren

Info

Publication number: DE102010054601A1
Application number: DE102010054601A
Authority: DE
Inventors: Ognyan N. Yanakiev; Charles E. Solbrig
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-07-28
Also published as: CN102121412A; US20110146243A1; CN102121412B; US8534050B2

Abstract

Es ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor vorgesehen. Das System umfasst einen Controller, der funktionell mit dem Motor gekoppelt ist und bewirkt, dass der Motor ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch in zumindest einem Zylinder bei einem vorbestimmten Zeitintervall nach Inbetriebnahme des Motors verbrennt, um Abgase auszugeben, die erhöhte Niveaus an CO und eine prozentuale Zunahme an HC aufweisen, die kleiner als ein minimaler Schwellenprozentsatz relativ zu einer Verbrennung eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches ist. Das System umfasst ferner einen Dieseloxidationskatalysator, der die Abgase aufnimmt und das CO oxidiert, um eine exotherme Reaktion zu erhalten, die eine Temperatur der Abgase, die durch den Oxidationskatalysator strömen, auf höher als ein Schwellentemperaturniveau anhebt. Das System umfasst ferner einen SCR-Katalysator, der die Abgase aufnimmt und NOx in den Abgasen reduziert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Abgasnachbehandlungssystem und insbesondere ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor sowie ein Verfahren zur Erhöhung einer Temperatur eines Katalysators für selektive katalytische Reduktion (SCR) während einer Motorinbetriebnahme, um Stickoxide (NO_x) in Abgasen des Dieselmotors zu reduzieren.
HINTERGRUND
Dieselmotoren bieten den Nutzen einer erhöhten Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Jedoch wird eine Steuerung von NO_x-Emissionen in derartigen Systemen aufgrund eines hohen Gehalts von Sauerstoff in den Abgasen kompliziert. Ferner besitzt während eines Kaltstarts des Dieselmotors ein Katalysator stromabwärts des Dieselmotors einen relativ geringen Wirkungsgrad bei der Reduzierung von NO_x, da er ein Soll-Betriebstemperaturniveau nicht relativ schnell erreicht.
Demgemäß ist es erwünscht, ein verbessertes Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zum Erhöhen einer Temperatur eines SCR-Katalysators während einer Motorinbetriebnahme, um NO_x in Abgasen von dem Dieselmotor zu reduzieren, bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor vorgesehen. Das System umfasst einen Controller, der funktionell mit dem Dieselmotor gekoppelt ist. Der Controller ist derart konfiguriert, dass er bewirkt, dass der Dieselmotor ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch in zumindest einem Zylinder innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls nach Inbetriebnahme des Dieselmotors verbrennt, um Abgase auszugeben, die erhöhte Niveaus an Kohlenmonoxid (CO) und eine prozentuale Zunahme an Kohlenwasserstoffen (HC) aufweisen, die geringer als ein minimaler Schwellenprozentsatz relativ zur Verbrennung eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches ist. Das System umfasst ferner einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), der stromabwärts des Dieselmotors gekoppelt ist. Der DOC empfängt die Abgase von dem Dieselmotor und oxidiert das CO, um eine exotherme Reaktion zu erhalten, die eine Temperatur der durch den DOC strömenden Abgase auf höher als ein Schwellentemperaturniveau erhöht. Das System umfasst ferner einen stromabwärts des DOC gekoppelten SCR-Katalysator. Der SCR-Katalysator empfängt die Abgase, die höher als das Schwellentemperaturniveau sind, und reduziert NO_x in den Abgasen.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung einer Temperatur eines SCR-Katalysators, um NO_x in Abgasen von einem Dieselmotor unter Verwendung eines Abgasnachbehandlungssystems zu reduzieren, vorgesehen. Das System besitzt einen Controller, einen DOC und den SCR-Katalysator. Der DOC ist stromabwärts des Dieselmotors gekoppelt. Der SCR-Katalysator ist stromabwärts des DOC gekoppelt. Das Verfahren umfasst, dass zumindest ein Steuersignal erzeugt wird, um zu bewirken, dass der Dieselmotor ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch in zumindest einem Zylinder innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls nach Inbetriebnahme des Dieselmotors verbrennt, um Abgase auszugeben, die erhöhte Niveaus an CO sowie eine prozentuale Zunahme an HC aufweisen, die geringer als ein minimaler Schwellenprozentsatz relativ zur Verbrennung eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches ist. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Abgase von dem Dieselmotor in dem DOC aufgenommen werden und das CO oxidiert wird, um eine exotherme Reaktion in dem DOC zu erhalten, die eine Temperatur der durch den DOC strömenden Abgase auf höher als ein Schwellentemperaturniveau erhöht. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Abgase, die höher als das Schwellentemperaturniveau sind, in dem SCR-Katalysator empfangen werden und NO_x in den Abgasen unter Verwendung des SCR-Katalysators reduziert wird.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 ein Schema eines Fahrzeugs mit einem Dieselmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
2 ein Schaubild mit einer Kurve der CO-Konzentration des Motorausgangs, einer Kurve der O₂-Konzentration des Motorausgangs, einer Kurve der CO-Konzentration des DOC-Ausgangs und einer Kurve einer fetten Luft/Kraftstoff-Verbrennung ist;
3 ein Schaubild der Kurve der CO-Konzentration des Motorausgangs von 2 ist, die nur einen Anteil der Diagrammzeitachse zeigt;
4 ein Diagramm mit einer Kurve der DOC-Ausgangstemperatur, einer Kurve der Eingangstemperatur des SCR-Katalysators und einer Kurve der Ausgangstemperatur des SCR-Katalysators ist;
5 ein Schaubild mit einer Kurve der NO_x-Konzentration des Motorausgangs und einer Kurve der NO_x-Konzentration des SCR-Ausgangs ist;
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erhöhen einer Temperatur eines SCR-Katalysators zur Reduktion von NO_x in Abgasen von dem Dieselmotor von 1 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist; und
7 ein Schema einer beispielhaften Kraftstoffimpulsfolge ist, die in dem Dieselmotor von 1 verwendet ist.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Bezug auf 1 nimmt, ist ein Schema eines Fahrzeugs 100 gezeigt. Das Fahrzeug 100 weist einen Dieselmotor 102, ein Ansaugsystem 103 und ein Abgasnachbehandlungssystem 104 auf. Der Motor 102 verbrennt ein Gemisch aus Luft und Dieselkraftstoff, um Antriebsmoment zu erzeugen, und setzt Abgase in das Abgasnachbehandlungssystem 104 frei. Das Abgasnachbehandlungssystem 104 behandelt Abgase, um an die Atmosphäre freigesetzte Emissionen zu reduzieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform verbrennt der Motor 102 ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch in einer vorbestimmten Verbrennungsfolge und gibt Abgase mit erhöhten Niveaus an CO mit einer minimalen Zunahme an HC aus. Im Gegensatz zu HC besitzt das CO eine relativ geringe Oxidationstemperatur und erzeugt eine exotherme Reaktion in einem DOC bei der geringen Oxidationstemperatur, um einen SCR-Katalysator schnell auf eine Soll-Betriebstemperatur nach Motorinbetriebnahme zu bringen. Als ein Ergebnis dessen kann nach Inbetriebnahme des Dieselmotors der SCR-Katalysator schnell und effektiv NO_x in Abgasen von dem Dieselmotor reduzieren.
Luft 109 kann in den Dieselmotor 102 durch ein Luftansaugsystem 103 eintreten, das einen Luftfilter 106, einen Turbolader 108, einen Luftkühler 110 und ein Ansaugdrosselventil (ITV) 112 aufweisen kann. Insbesondere kann die Luft 109 in den Dieselmotor 102 durch einen Luftfilter 106 und weiter durch eine Ansaugseite eines Turboladers 108 eintreten. Der Turbolader 108 komprimiert die Luft 109 unter Verwendung einer Turbine (nicht gezeigt), die durch Abgase 113 von dem Dieselmotor 102 betrieben wird. Die komprimierte Luft 109 kann durch einen Luftkühler 110 oder andere Konditionierer gelangen, bevor sie durch den ITV 112 gelangt.
Ein Controller 114 kann das ITV 112 bei verschiedenen Winkeln positionieren, um den Massendurchfluss der komprimierten Luft 109 einzustellen. Ein Anteil der Abgase 113 kann in das Ansaugsystem 103 über ein Abgasrückführungs-(AGR-)Ventil 116 rückgeführt werden, um ein Luftgemisch 115 zu bilden, das in einen Ansaugkrümmer 118 eintritt. Der Controller 114 steuert die Position des AGR-Ventils 116, um die Menge an rezirkulierten Abgasen 113 einzustellen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Controller 114 einen Mikroprozessor, der mit einem computerlesbaren Speichermedium kommuniziert. Das computerlesbare Speichermedium umfasst einen nichtflüchtigen und flüchtigen Speicher in einem Nur-Lese-Speicher (ROM) und einem Direktzugriffsspeicher (RAM). Das computerlesbare Medium kann unter Verwendung einer Anzahl bekannter Speichervorrichtungen implementiert sein, wie PROMs, EPROMS, EEPROMS, Flash-Speicher und andere Speichervorrichtungen, die in der Lage sind, Daten zu speichern, von denen einige ausführbare Anweisungen repräsentieren, die durch den Mikroprozessor verwendet werden.
Das Luftgemisch 115 von dem Ansaugkrümmer 118 wird mit Kraftstoff von Kraftstoffinjektoren 120 in Zylindern 122 kombiniert, und das resultierende Luft-Kraftstoff-Gemisch wird verbrannt, um Drehmoment zu erzeugen. Obwohl 1 acht Zylinder zeigt, kann der Dieselmotor 102 eine zusätzliche Anzahl oder eine geringere Anzahl von Zylindern 122 aufweisen. die Abgase 113 verlassen die Zylinder 122 durch einen Abgaskrümmer 124 und gelangen durch den Turbolader 108 an das Abgasnachbehandlungssystem 104.
Der Controller 114 kommuniziert mit einem Gaspedalsensor 136 und einem Luftmassenstrom-(MAF-)Sensor 140. Der Gaspedalsensor 136 erzeugt ein Signal, das eine Position eines Gaspedals 138 angibt. Der MAF-Sensor 140 erzeugt ein Signal, das eine in den Turbolader 108 eintretende Masse der Luft 109 angibt. Der Controller 114 kann das Pedalpositionssignal und das MAF-Signal verwenden, um das ITV 112, das AGR-Ventil 116 und die Kraftstoffinjektoren 120 zu steuern.
Das Abgasnachbehandlungssystem 104 ist derart konfiguriert, dass es ein Verfahren zur Erhöhung einer Temperatur des SCR-Katalysators 128 implementiert, um NO_x in den Abgasen 113 von dem Dieselmotor 102 zu reduzieren. Das Abgasnachbehandlungssystem 104 kann einen DOC 126, einen SCR-Katalysator 128, einen Partikelfilter 130, einen stromaufwärtigen NO_x-Sensor 142, einen Temperatursensor 144, einen stromabwärtigen NO_x-Sensor 146, Temperatursensoren 147, 148 und den Controller 114 aufweisen.
Der DOC 126 ist fluidtechnisch zwischen dem Abgaskrümmer 124 und dem SCR-Katalysator 128 gekoppelt. Der DOC 126 wird dazu verwendet, die einen hohen CO-Gehalt aufweisenden Abgase 113 von einem oder mehreren der Zylinder des Dieselmotors 120 aufzunehmen und das CO darin zu verbrennen, um eine exotherme Reaktion zu erzeugen und damit eine Temperatur von durch den DOC 126 gelangenden Abgasen zu erhöhen. Die Abgase von dem DOC 126 strömen in den SCR-Katalysator 128.
Der SCR-Katalysator 128 ist zwischen dem DOC 126 und dem Partikelfilter 130 gekoppelt. Der SCR-Katalysator 128 ist vorgesehen, um NO_x in den empfangenen Abgasen zu reduzieren, wenn eine Temperatur der empfangenen Abgase größer als etwa 200° Celsius ist.
Der Partikelfilter 130 ist stromabwärts des SCR-Katalysators 128 gekoppelt. Der Partikelfilter 130 ist vorgesehen, um Partikelmaterial in empfangenen Abgasen darin zu entfernen. Die Abgase 113 strömen durch den Partikelfilter 130 und verlassen den Filter in die Atmosphäre.
Der stromaufwärtige NO_x-Sensor 142 detektiert ein Niveau der stromaufwärtigen NO_x-Konzentration (d. h. ein NO_x-Konzentrationsniveau stromaufwärts von dem SCR-Katalysator 128) und erzeugt ein Signal, das das Niveau der stromaufwärtigen NO_x-Konzentration angibt und durch den Controller 114 empfangen wird. Der Temperatursensor 144 detektiert ein Temperaturniveau von Abgasen 113 stromaufwärts von dem SCR-Katalysator 128 und erzeugt ein Signal, das das Temperaturniveau angibt und von dem Controller 114 empfangen wird. Der stromabwärtige NO_x-Sensor 146 detektiert ein Niveau der stromabwärtigen NO_x-Konzentration (d. h. NO_x-Konzentrationsniveau stromabwärts von dem SCR-Katalysator 128) und erzeugt ein Signal, das das Niveau der stromabwärtigen NO_x-Konzentration angibt und durch den Controller 114 empfangen wird. Der Temperatursensor 147 detektiert ein Temperaturniveau von Abgasen stromabwärts von dem SCR-Katalysator 128 und erzeugt ein Signal, das das Temperaturniveau angibt und von dem Controller 114 empfangen wird. Ferner detektiert der Temperatursensor 148 ein Temperaturniveau von Abgasen stromabwärts von dem Partikelfilter 130 und erzeugt ein Signal, das das Temperaturniveau angibt und von dem Controller 114 empfangen wird.
Ein Dosiersystem 132 kann ein Dosiermittel (beispielsweise Harnstoff) in die Abgase stromabwärts von dem DOC 126 injizieren. Der Controller 114 regelt die Menge an Dosiermittel, die durch eine Düse 135 injiziert wird, über ein Dosierventil 134. Das Dosiermittel zerfällt, um Ammoniak (NH₃) zu bilden, das in dem SCR-Katalysator 128 gespeichert wird. NH₃, das in dem SCR-Katalysator 128 gespeichert ist, reagiert mit NO_x in dem Abgas, um Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) zu bilden, was NO_x reduziert. Wie angegeben ist, findet diese Reaktion typischerweise bei Temperaturen über etwa 200°C statt.
Bezug nehmend auf die 2, 3, 4 und 5 ist nun ein kurzer Überblick eines Betriebs des Abgasnachbehandlungssystems 104 vorgesehen. Die 2 und 3 zeigen ein Diagramm 198 mit einer Kurve 190 einer CO-Konzentration des Motorausgangs, die eine Konzentration von CO in Abgasen 113 angibt, die nach einer Motorinbetriebnahme mit der Zeit von dem Dieselmotor 102 ausgegeben werden. Das Diagramm 198 umfasst ferner eine Kurve 192 der O₂-Konzentration des Motorausgangs, die eine Konzentration von O₂ in Abgasen 113 angibt, die über die Zeit von dem Dieselmotor 102 ausgegeben werden. Das Diagramm 198 umfasst ferner eine Kurve 194 der CO-Konzentration des DOC-Ausgangs, die eine Konzentration von CO in Abgasen 113 angibt, die über die Zeit von dem DOC 126 ausgegeben werden. Das Diagramm 198 umfasst ferner eine Kurve 196 der Luft/Kraftstoff-Verbrennung, die angibt, wann eine vorbestimmte fette Luft/Kraftstoff-Injektionsabfolge in vier der Zylinder in dem Dieselmotor 102 stattfindet. Selbstverständlich kann eine fette Luft/Kraftstoff-Verbrennung in mehr als vier Zylindern oder weniger als vier Zylindern implementiert sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wurde ein Lambda-Wert im Bereich von 0,95–0,97 in vier der Zylinder des Dieselmotors 102 während der Verbrennung des fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verwendet. Lambda (λ) ist ein Verhältnis eines tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu Stöchiometrie für ein gegebenes Luft/Kraftstoff-Gemisch. Ein Lambda von 1,0 entspricht Stöchiometrie, fette Luft/Kraftstoff-Gemische sind kleiner als 1,0 und magere Luft/Kraftstoff-Gemische sind größer als 1,0.
Ferner zeigt Bezug nehmend auf 7 ein Schema eine beispielhafte Kraftstoffimpulsabfolge, die in einem von mehreren Zylindern 122 des Dieselmotors 100 verwendet sein kann, um NO_x, CO und HC auszugeben, so dass die prozentuale Zunahme von HC kleiner als ein minimaler Schwellenprozentsatz relativ zu einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch ist, während ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird. Insbesondere erzeugt der Controller 114 ein erstes und zweites Steuersignal, um zu bewirken, dass ein Kraftstoffinjektor 120 zwei Pilot- bzw. Vor-Kraftstofflieferimpulse 300, 302 in einen oder mehrere Zylinder 122 injiziert. Anschließend erzeugt der Controller 114 ein drittes Steuersignal, um zu bewirken, dass der Kraftstoffinjektor 120 einen primären Kraftstofflieferimpuls 304 in einen oder mehrere Zylinder 122 injiziert, wenn sich eine Kurbelwelle des Motors 100 an einem oberen Totpunkt (OT bzw. TDC) befindet. Anschließend erzeugt der Controller 114 ein viertes Steuersignal, das bewirkt, dass der Kraftstoffinjektor 120 einen Nach-Kraftstofflieferimpuls 306 in den einen oder die mehreren Zylinder 122 des Motors 100 injiziert. Selbstverständlich sind andere Kraftstoffimpulsstrategien oder -abfolgen hier denkbar.
4 zeigt ein Diagramm 199 mit einer Kurve 200 der DOC-Ausgangstemperatur, die eine Temperatur von Abgasen angibt, die den DOC 126 nach einer Motorinbetriebnahme über die Zeit verlassen. Das Diagramm 199 umfasst ferner eine Kurve 202 der Eingangstemperatur des SCR-Katalysators, die eine Temperatur von Abgasen angibt, die in den SCR-Katalysator 128 mit der Zeit eintreten. Das Diagramm 199 umfasst ferner eine Kurve 204 der Ausgangstemperatur des SCR-Katalysators, die eine Temperatur von Abgasen angibt, die den SCR-Katalysator 128 über die Zeit verlassen.
5 ist ein Diagramm 210 mit einer Kurve 211 der NO_x-Konzentration des Motorausgangs, die eine NO_x-Konzentration von Abgasen 113 angibt, die den Motor 102 nach Motorinbetriebnahme über die Zeit verlassen. Das Diagramm 210 umfasst ferner eine Kurve 212 der NO_x-Konzentration des SCR-Katalysatorausgangs, die eine NO_x-Konzentration von Abgasen angibt, die den SCR-Katalysator 128 über die Zeit verlassen.
Bezug nehmend auf die 2, 3, 4 und 5 ist ein spezifisches Beispiel eines Acht-Zylinder-Dieselmotors gezeigt, der ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendet. Während eines Zeitintervalls von 0–70 Sekunden nach Motorinbetriebnahme wird der Dieselmotor 102 mit acht Zylindern betrieben, die ein mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennen.
Während eines Zeitintervalls von 70–125 Sekunden wird der Dieselmotor 102 so betrieben, dass vier der Zylinder mit der vorbestimmten fetten Luft/Kraftstoff-Injektionsabfolge gemäß einer beispielhaften Ausführungsform arbeiten. Während dieses Zeitintervalls gibt die Fettverbrennungskurve 196 an, dass ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch in vier Zylinder des Motors 102 geliefert und verbrannt wird. Ferner gibt während dieses Zeitintervalls die Kurve 192 der O₂-Konzentration des Motorausgangs an, dass die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen 113 von dem Motor 102 von 6% auf 2% fällt. Ferner gibt die Kurve 190 der CO-Konzentration des Motorausgangs an, dass die CO-Konzentration in Abgasen 113, die den Motor 102 verlassen, von 700 ppm so hoch wie 7700 ppm ansteigt. Ferner gibt die Kurve 194 der CO-Konzentration des DOC-Ausgangs an, dass die CO-Konzentration in Abgasen, die den DOC 126 verlassen, von etwa 700 ppm auf 3600 ppm ansteigt. Die Differenz zwischen den Kurven 194 und 190 entspricht einer verbrannten Menge an CO in dem DOC 126. Ferner gibt die Kurve 200 der DOC-Ausgangstemperatur an, dass infolge einer exothermen Reaktion, die aufgrund von überschüssigem CO, das in dem DOC 126 oxidiert wird, erzeugt wird, ein Temperaturniveau von Abgasen, die den DOC 126 verlassen, von 75°C auf 340°C zunimmt. Ferner gibt die Kurve 202 der Eingangstemperatur des SCR-Katalysators an, dass ein Temperaturniveau von Abgas, das in den SCR-Katalysator 128 eintritt, von 60°C auf 200°C ansteigt; diejenige Temperatur, bei der eine Reduktion von NO_x in dem SCR-Katalysator 128 auftreten kann. Ferner gibt die Kurve 204 der Ausgangstemperatur des SCR-Katalysators an, dass ein Temperaturniveau von Abgasen, die den SCR-Katalysator 128 verlassen, geringfügig abnimmt. Noch weiter gibt die Kurve 211 der NO_x-Konzentration des Motorausgangs an, dass ein NO_x-Konzentrationsniveau von Abgasen 113, die den Motor 102 verlassen, von 30 ppm auf 298 ppm steigt. Noch weiter gibt die Kurve 212 der NO_x-Konzentration des SCR-Ausgangs an, dass ein NO_x-Konzentrationsniveau von Abgasen, die den SCR-Katalysator 128 verlassen, von 40 ppm auf 10 ppm abnimmt, was eine Aktivität des SCR-Katalysators angibt.
Es sei angemerkt, dass während des Zeitintervalls von 70–125 Sekunden der Dieselmotor 102 so betrieben wird, dass vier der Zylinder mit der vorbestimmten fetten Luft/Kraftstoff-Injektionsabfolge laufen, was zur Folge hat, dass eine Temperatur der Abgase, die den SCR-Katalysator 128 verlassen, 200°C bei etwa 240 Sekunden nach Motorinbetriebnahme überschreitet. Infolgedessen wird die Temperatur des SCR-Katalysators schnell auf eine gewünschte Betriebstemperatur erhöht, was ermöglicht, dass der SCR-Katalysator 128 NO_x in empfangenen Abgasen reduziert.
Während eines Zeitintervalls von 125–300 Sekunden nach Motorinbetriebnahme wird der Dieselmotor 102 so betrieben, dass acht Zylinder ein mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennen, was einem normalen Diesel-Luft/Kraftstoff-Gemisch entspricht.
Bezug nehmend auf 6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum schnellen Erhöhen einer Temperatur des SCR-Katalysators 128, um NO in Abgasen von dem Dieselmotor 102 zu reduzieren, gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform erläutert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird das vorhergehende Verfahren in dem Zeitintervall von 70–125 Sekunden nach Motorinbetriebnahme ausgeführt. Selbstverständlich kann es zu anderen Zeiten nach Motorinbetriebnahme ausgeführt werden, wie beispielsweise 70–95 Sekunden nach Motorinbetriebnahme. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Controller 114 auf Grundlage eines Temperaturniveaus von Abgasen 113, die in den DOC 126 eintreten, oder einer Temperatur von Abgasen, die den DOC 126 verlassen, bestimmen, wann das folgende Verfahren implementiert werden soll, um die vorbestimmte fette Injektionsabfolge in zumindest einem der Motorzylinder 122 auszulösen. Wenn beispielsweise ein Temperaturniveau von Abgasen 113, die in den DOC 126 eintreten, größer als 70°C (oder alternativ 80°C) ist, dann kann der Controller 114 bestimmen, dass eine fette Injektionsabfolge in zumindest einem der Motorzylinder 122 ausgelöst wird. Bei dieser Ausführungsform wird ein zusätzlicher Temperatursensor stromaufwärts des DOC 126 angeordnet und funktionell mit dem Controller 114 gekoppelt. Wenn alternativ dazu beispielsweise ein Temperaturniveau der Abgase, die den DOC 126 verlasen, größer als 70°C (oder alternativ 80°C) ist, kann dann der Controller 114 bestimmen, die fette Verbrennung in zumindest einem der Motorzylinder 122 auszulösen. Es sei angemerkt, dass ein Temperaturniveau von in den DOC 126 eintreten den oder den DOC 126 verlassenden Abgasen, das größer als 70°C ist, eine effektive Oxidation von CO in dem DOC 126 ermöglicht.
Bei Schritt 220 berechnet der Controller 114 eine Gesamtdieselkraftstoffmenge für die Zylinder des Dieselmotors 102 auf Grundlage einer Soll-Luftmassen/Kraftstoff-Menge, eines Soll-Gesamtluft/Kraftstoff-Verhältnisses und eines gemessenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, wie durch den Dieselmotor 102 ausgegeben wird, unter Verwendung der folgenden Gleichung: Gesamtdieselkraftstoffmenge = f1(Soll-Luftmassen/Kraftstoff-Menge, Soll-Gesamtluft/Kraftstoff-Verhältnis, gemessenes Luft/Kraftstoff-Verhältnis), wobei f1 einer mathematischen Funktion entspricht.
Bei Schritt 222 berechnet der Controller 134 eine Kraftstoffmenge auf Grundlage der Gesamtdieselkraftstoffmenge unter Verwendung der folgenden Gleichung: Kraftstoffmenge = f2(Gesamtdieselkraftstoffmenge, Anzahl der Zylinder), wobei f2 einer mathematischen Funktion entspricht, um ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch in zumindest einem Zylinder des Dieselmotors 102 zu erhalten.
Bei Schritt 224 bewirkt der Controller 134, dass der Dieselmotor 102 die vorbestimmte Kraftstoffabfolge injiziert, um das fette Luft/Kraftstoff-Gemisch in zumindest einem Zylinder nach Inbetriebnahme des Dieselmotors 102 zu verbrennen, um Abgase 113 auszugeben, die erhöhte CO-Niveaus und eine prozentuale Zunahme von HC aufweisen, die kleiner als ein minimaler Schwellenprozentsatz relativ zu der Verbrennung eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches ist,. Bei einer beispielhaften Ausführungsform beträgt während dem Schritt 224 eine prozentuale Zunahme der HC weniger als 1% relativ zu der Verbrennung eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches mit einem Lambdawert im Bereich von 1,25–3,0.
Bei Schritt 226 empfängt der DOC 126 die Abgase 113 von dem Dieselmotor 102 und oxidiert die erhöhten Niveaus an CO, um eine exotherme Reaktion zu erhalten, die eine Temperatur der durch den DOC 126 strömenden Abgase auf höher als ein Schwellentemperaturniveau anhebt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform beträgt das Schwellentemperaturniveau 300°C. Selbstverständlich könnte das Schwellentemperaturniveau kleiner als 300°C sein, wie beispielsweise ein Temperaturniveau im Bereich von 180–299°C.
Bei Schritt 228 empfängt der SCR-Katalysator 128 die thermisch erhöhten Abgase von dem DOC 126 und reduziert NO_x in den Abgasen.
Bei Schritt 230 fängt der Partikelfilter 140, der stromabwärts des SCR-Katalysators 128 gekoppelt ist, Partikelmaterial in den Abgasen ab. Bei Schritt 232 erzeugt der Temperatursensor 144 ein erstes Temperatursignal T1, das ein Temperaturniveau der den DOC 126 verlassenden Abgase angibt.
Bei Schritt 234 erzeugt der Temperatursensor 147 ein zweites Temperatursignal T2, das ein Temperaturniveau der den SCR-Katalysator 128 verlassenden Abgase angibt.
Bei Schritt 236 führt der Controller 134 eine Bestimmung durch, ob ((T1·F1) + (T2·F2)) > Schwellentemperaturwert T3 ist, wobei F1 ein vorbestimmter konstanter Wert ist und F2 ein vorbestimmter konstanter Wert ist, und wobei F1 + F2 = 1. Wenn der Wert von Schritt 236 gleich ”Ja” ist, fährt das Verfahren mit Schritt 238 fort. Ansonsten kehrt das Verfahren zu Schritt 220 zurück.
Bei Schritt 238 bewirkt der Controller 134, dass der Dieselmotor 102 eine Injektion und Verbrennung des fetten Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem zumindest einen Zylinder des Dieselmotors 102 stoppt. Nach Schritt 238 ist das Verfahren beendet.
Das Abgasnachbehandlungssystem 104 und das Verfahren zum Erhöhen einer Temperatur des SCR-Katalysators 128 sehen einen wesentlichen Vorteil gegenüber anderen Systemen und Verfahren vor. Insbesondere sehen das System 104 und das Verfahren eine technische Wirkung zur Verbrennung eines fetten Luft/Kraftstoff-Gemisches in einem Dieselmotor und zur Ausgabe von Abgasen mit erhöhten Niveaus an CO mit einer minimalen Zunahme an HC vor. Das CO besitzt eine relativ geringe Oxidationstemperatur relativ zu HC (beispielsweise 70°C gegenüber 200°C) und erzeugt eine exotherme Reaktion in einem DOC bei der geringen Oxidationstemperatur, um einen SCR-Katalysator schnell auf eine gewünschte Betriebstemperatur nach Motorinbetriebnahme zu bringen. Infolgedessen kann nach Inbetriebnahme des Dieselmotors der SCR-Katalysator NO_x in Abgasen von dem Dieselmotor schnell und effektiv reduzieren.
Das oben beschriebene Verfahren kann zumindest teilweise in der Form eines oder mehrerer computerlesbarer Medien dargestellt sein, die computerausführbare Anweisungen zur Ausführung des Verfahrens besitzen. Die computerlesbaren Medien können eines oder mehrere der folgenden umfassen: Floppy-Disketten, CD-ROMs, Festplatten, Flash-Speicher und andere computerlesbare Medien, die dem Fachmann bekannt sind; wobei, wenn die computerausführbaren Anweisungen in einen oder mehrere Computer geladen und durch diese(n) ausgeführt werden, der eine oder die mehrere Computer eine Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente derselben ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Art offenbart sind, die zur Ausführung dieser Erfindung denkbar ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor, umfassend: einen Controller, der funktionell mit dem Dieselmotor gekoppelt ist, wobei der Controller so konfiguriert ist, dass er bewirkt, dass der Dieselmotor ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch in zumindest einem Zylinder innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls nach Inbetriebnahme des Dieselmotors verbrennt, um Abgase mit erhöhten Niveaus an CO und einer prozentualen Zunahme von HC auszugeben, die kleiner als ein minimaler Schwellenprozentsatz relativ zu der Verbrennung eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches ist; einen Dieseloxidationskatalysator, der stromabwärts des Dieselmotors gekoppelt ist, wobei der Dieseloxidationskatalysator die Abgase von dem Dieselmotor aufnimmt und das CO oxidiert, um eine exotherme Reaktion zu erhalten, die eine Temperatur der durch den Dieseloxidationskatalysator strömenden Abgase auf höher als ein Schwellentemperaturniveau anhebt; und einen SCR-Katalysator, der stromabwärts des Dieseloxidationskatalysators gekoppelt ist, wobei der SCR-Katalysator die Abgase, die höher als das Schwellentemperaturniveau sind, aufnimmt und NO_x in den Abgasen reduziert.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das fette Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem zumindest einen Zylinder durch Injektion von zwei Vor-Kraftstofflieferimpulsen in den zumindest einen Zylinder, dann Injektion eines Primärkraftstofflieferimpulses in den zumindest einen Zylinder, wenn sich eine Motorkurbelwelle an einem oberen Totpunkt befindet, und dann Injektion eines Nachkraftstofflieferimpulses in den zumindest einen Zylinder erhalten wird.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Schwellentemperaturniveau 300°C beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen ersten Temperatursensor, der zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-Katalysator angeordnet ist und ein erstes Temperatursignal erzeugt, das ein Temperaturniveau der den Dieseloxidationskatalysator verlassenden Abgase angibt, wobei der erste Temperatursensor funktionell mit dem Controller in Verbindung steht; einen zweiten Temperatursensor, der stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist und ein zweites Temperatursignal erzeugt, das ein Temperaturniveau der den SCR-Katalysator verlassenden Abgase angibt, wobei der zweite Temperatursensor funktionell mit dem Controller verbunden ist; und wobei der Controller ferner derart konfiguriert ist, dass er bewirkt, dass der Dieselmotor eine Verbrennung des fetten Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem zumindest einen Zylinder auf Grundlage des ersten und zweiten Temperatursignals stoppt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Partikelfilter, der stromabwärts des SCR-Katalysators gekoppelt und derart konfiguriert ist, dass er Partikelmaterial in den Abgasen abfängt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Zylinder eine Mehrzahl von Zylindern des Dieselmotors umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das vorbestimmte Zeitintervall 70–125 Sekunden nach der Inbetriebnahme des Motors beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der minimale Schwellenprozentsatz 1% beträgt.
Verfahren zum Anheben einer Temperatur eines SCR-Katalysators, um NO_x in Abgasen von einem Dieselmotor unter Verwendung eines Abgasnachbehandlungssystems zu reduzieren, wobei das System einen Controller, einen Dieseloxidationskatalysator und den SCR-Katalysator aufweist, der Dieseloxidationskatalysator stromabwärts des Dieselmotors gekoppelt ist und der SCR-Katalysator stromabwärts des Dieseloxidationskatalysators gekoppelt ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: zumindest ein Steuersignal unter Verwendung des Controllers erzeugt wird, um zu bewirken, dass der Dieselmotor ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch in zumindest einem Zylinder innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls nach Inbetriebnahme des Dieselmotors verbrennt, um Abgase auszugeben, die erhöhte Niveaus an CO und eine prozentuale Zunahme an HC aufweisen, die geringer als ein minimaler Schwellenprozentsatz relativ zu einer Verbrennung eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches ist; die Abgase von dem Dieselmotor in dem Dieseloxidationskatalysator empfangen werden und das CO oxidiert wird, um eine exotherme Reaktion in dem Dieseloxidationskatalysator zu erhalten, die eine Temperatur der durch den Dieseloxidationskatalysator strömenden Abgase auf höher als ein Schwellentemperaturniveau erhöht; und die Abgase, die höher als das Schwellentemperaturniveau sind, in dem SCR-Katalysator empfangen werden und NO_x in den Abgasen unter Verwendung des SCR-Katalysators reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Erzeugen des zumindest einen Steuersignals, um zu bewirken, dass der Dieselmotor das fette Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem zumindest einen Zylinder verbrennt, umfasst, dass: ein erstes und zweites Steuersignal erzeugt werden, um zwei Vor-Kraftstofflieferimpulse in den zumindest einen Zylinder zu injizieren; ein drittes Steuersignal erzeugt wird, um einen Primärkraftstofflieferimpuls in den zumindest einen Zylinder zu injizieren, wenn sich eine Motorkurbelwelle an einer Position des oberen Totpunkts befindet; und ein viertes Steuersignal erzeugt wird, um einen Nach-Kraftstofflieferimpuls in den zumindest einen Zylinder zu injizieren.