DE102019111551A1

DE102019111551A1 - Nachbehandlungsarchitektur für verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102019111551A1
Application number: DE102019111551.5A
Authority: DE
Inventors: Edurado Jose Barrientos Betancourt; Roberto Romanato; Francesco Bechis; Francesco Concetto PESCE; Jaime Andres CESPEDES GARCIA
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2019-12-19
Also published as: US20190368402A1; CN110552772B; US10690031B2; CN110552772A

Abstract

Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die von einem Verbrennungsmotor (ICE) in einem Hybrid-Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor ausgestoßen werden. Das Verfahren beinhaltet das Anordnen einer Heizung im Abgas, das Anordnen einer ersten Mager-NOx-Falle (LNT) stromabwärts der Heizung, das Anordnen einer zweiten LNT stromabwärts der ersten LNT, das Anordnen einer passiven selektiven katalytischen Reduktion (SCR) stromabwärts der zweiten LNT, das Anordnen eines Kohlenwasserstoffoxidationskatalysators stromabwärts des SCR. Das Verfahren beinhaltet auch das Verbinden einer Steuerung mit der Heizung, wobei die Steuerung ein Verfahren zum Steuern der NOx-Emissionen des ICE ausführt, wobei das Verfahren das Überwachen eines Drehmomentbedarfs für das Fahrzeug, das Bestimmen, ob der Drehmomentbedarf groß genug ist, um den ICE zu veranlassen, übermäßiges NOx zu erzeugen, das Betreiben des ICE bei einem Drehmoment, das niedriger als der Drehmomentbedarf ist, und das Betreiben des Motors mit dem ICE, um genügend Drehmoment zum Erfüllen des Drehmomentbedarfs bereitzustellen.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Abgassysteme für Verbrennungsmotoren, und insbesondere auf die Abgasnachbehandlung für elektrifizierte Hybridfahrzeuge mit einem NOx-erzeugenden Verbrennungsmotor, ohne Einspritzung von Dieselemissionsfluid zur Emissionskontrolle.
Das Abgas, das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen wie Kohlenmonoxid („CO“), unverbrannte Kohlenwasserstoffe („HC“) und Stickstoffoxide („NOx“) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe), enthält, die Partikel („PM“) darstellen. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise auf Katalysatorträgern oder Substraten angeordnet sind, sind in einem Motorabgassystem als Teil eines Nachbehandlungssystems vorgesehen, um bestimmte oder sämtliche dieser Abgasbestandteile in nicht geregelte Abgaskomponenten umzuwandeln. Ein Abgasbehandlungssystem beinhaltet in der Regel eine oder mehrere Behandlungsvorrichtungen, wie z. B. Oxidationskatalysatorvorrichtungen (OC), selektive katalytische Reduktionsvorrichtungen, Partikelfilter, Mischelemente und Harnstoff-/Kraftstoffeinspritzdüsen. Eine Oxidationskatalysatorvorrichtung wird in einem Abgassystem bereitgestellt, um unverbrannten gasförmigen und nichtflüchtigen Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) zu behandeln. Der Oxidationskatalysator oxidiert den HC und das CO unter hohen Temperaturbedingungen, um Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) zu bilden.
Abgasbehandlungssysteme beinhalten auch typische selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtungen. Eine SCR-Vorrichtung beinhaltet ein Substrat, mit einem darauf angeordneten SCR-Katalysator, um die Menge an NOx in dem Abgas zu reduzieren. Das typische Abgasbehandlungssystem beinhaltet auch ein Reduktionsmittelzufuhrsystem, das ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise Ammoniak (NH3), Harnstoff (CO(NH2)2, usw.) typischerweise bekannt als Diesel-Emissionsfluid (DEF), einspritzt. Die SCR-Vorrichtung nutzt NH3 im DEF zur Reduktion von NOx. Wenn beispielsweise NH3 unter den geeigneten Bedingungen an die SCR-Vorrichtung geliefert wird, reagiert das NH3 mit dem NOx in Gegenwart des SCR-Katalysators, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Allerdings können Reduktionsmittelzufuhrsysteme umständlich und kostspielig im Betrieb sein. Darüber hinaus bedürfen sie der Wartung und Nachversorgung des Reduktionsmittels. Es wäre wünschenswert, die Notwendigkeit von Reduktionsmittelzufuhrsystemen zu vermeiden und dennoch die Grenzwerte für die Emissionen eines Motors erfüllen zu können.
KURZDARSTELLUNG
Hierin beschrieben ist ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die von einem Verbrennungsmotor (ICE) in einem Hybrid-Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor ausgestoßen werden. Das Verfahren beinhaltet das Anordnen einer Heizung im Abgas, das Anordnen einer ersten Mager-NOx-Falle (LNT) stromabwärts der Heizung, das Anordnen einer zweiten LNT stromabwärts der ersten LNT, das Anordnen einer passiven selektiven katalytischen Reduktion (SCR) stromabwärts der zweiten LNT, das Anordnen eines Kohlenwasserstoffoxidationskatalysators stromabwärts des SCR. Das Verfahren beinhaltet auch das Verbinden einer Steuerung mit der Heizung, wobei die Steuerung ein Verfahren zum Steuern der NOx-Emissionen des ICE ausführt, wobei das Verfahren das Überwachen eines Drehmomentbedarfs für das Fahrzeug, das Bestimmen, ob der Drehmomentbedarf groß genug ist, um den ICE zu veranlassen, übermäßiges NOx zu erzeugen, das Betreiben des ICE bei einem Drehmoment, das niedriger als der Drehmomentbedarf ist, und das Betreiben des Motors mit dem ICE, um genügend Drehmoment zum Erfüllen des Drehmomentbedarfs bereitzustellen.
Ebenfalls hierin beschrieben ist ein Emissionskontrollsystem zur Abgasbehandlung in einem Hybrid-Kraftfahrzeug mit einem NOx-erzeugenden Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, wobei jeder der Verbrennungsmotoren und ein Elektromotor so ausgelegt sind, dass sie ein Drehmoment bereitstellen, das funktionell mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs gekoppelt ist. Das Emissionskontrollsystem beinhaltet eine erste elektrische Heizvorrichtung, die funktionsfähig in einer Abgasleitung angeordnet ist, die funktionsfähig mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist, wobei die Abgasleitung das Abgas transportiert, eine erste Mager-NOx-Fallen-(LNT)-Vorrichtung, die in der Abgasleitung stromabwärts der ersten elektrischen Heizvorrichtung angeordnet ist, und eine zweite LNT-Vorrichtung, die in der Abgasleitung stromabwärts der ersten LNT angeordnet ist. Das Emissionskontrollsystem beinhaltet auch eine passive selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtung, die in der Abgasleitung stromabwärts der zweiten LNT-Vorrichtung angeordnet ist, eine Kohlenwasserstoffoxidationskatalysatorvorrichtung, die in der Abgasleitung stromabwärts der passiven SCR-Vorrichtung angeordnet ist, und eine Steuerung, die funktionsfähig mit der ersten elektrischen Heizvorrichtung verbunden ist, wobei der erste NOx-Sensor, der erste Temperatursensor und die Steuerung zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuern der NOx-Emissionen des NOx-erzeugenden Verbrennungsmotors ausgelegt sind. Das durch die Steuerung ausgeführte Verfahren beinhaltet das Überwachen einer Drehmomentanforderung für das Fahrzeug, das Bestimmen, ob die Drehmomentanforderung groß genug ist, um die Verbrennung zu veranlassen, NOx zu erzeugen, das einen vorgewählten Schwellenwert überschreitet, das Betreiben des Verbrennungsmotors bei einem reduzierten Drehmoment, das geringer ist als die Drehmomentanforderung, und das Betreiben des Elektromotors mit dem Verbrennungsmotor, um ein ausreichendes Drehmoment zum Erfüllen der Drehmomentanforderung bereitzustellen, worin das reduzierte Drehmoment zusätzlich zu dem ausreichenden Drehmoment gleich der Drehmomentanforderung ist.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ können weitere Ausführungsformen eine Steuerung beinhalten, die ein Verfahren ausführt, das ferner bestimmt, ob eine Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung erforderlich ist oder sich im Prozess befindet, den Verbrennungsmotor mit einem reduzierten vorgewählten Drehmoment unter dem Drehmomentanspruch betreibt und den Elektromotor mit dem Verbrennungsmotor betreibt, um ein ausreichendes Drehmoment zum Erfüllen des Drehmomentbedarfs bereitzustellen, worin das reduzierte vorgewählte Drehmoment zusätzlich zum ausreichenden Drehmoment gleich dem Drehmomentanspruch ist.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass das reduzierte vorgewählte Drehmoment auf mindestens einem der Betriebszustände des Fahrzeugs, einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der Drehmomentanforderung basiert.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass das reduzierte Drehmoment auf mindestens einem der Betriebszustände des Fahrzeugs, einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der Drehmomentanforderung basiert.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass die erste elektrische Heizvorrichtung zum Erleichtern der Regeneration von mindestens einer der ersten LNT-Vorrichtungen, der zweiten LNT-Vorrichtung, der passiven SCR-Vorrichtung und der Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung ausgelegt ist.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass die zweite LNT-Vorrichtung auf eine Regeneration bei einer anderen Temperatur als die erste LNT-Vorrichtung reagiert.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen eine erste elektrische Heizvorrichtung beinhalten, die beim Starten des Verbrennungsmotors betriebsbereit ist.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen eine zweite elektrische Heizvorrichtung beinhalten, die in der Abgasleitung angeordnet ist, wobei die zweite elektrische Heizvorrichtung zum Erleichtern der Regeneration von mindestens einer der zweiten LNT-Vorrichtungen, der SCR-Vorrichtung, und der Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung ausgelegt ist.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass mindestens die zweite LNT-Vorrichtung, die passive SCR-Vorrichtung und die Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung einen Partikelfilter umfasst.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen einen Temperatursensor beinhalten, der funktionsfähig mit der Steuerung verbunden und mit dem Abgas in Fluidverbindung steht.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen einen NOx-Sensor beinhalten, der funktionsfähig mit der Steuerung verbunden und mit dem Abgas in Fluidverbindung steht.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass das Bestimmen basierend auf mindestens einem der chemischen Modelle der ersten LNT-Vorrichtung, einem chemischen Modell der zweiten LNT-Vorrichtung und einem chemischen Modell der passiven SCR-Vorrichtung erfolgt.
Ebenfalls hier in einer weiteren Ausführungsform beschrieben ist ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die von einem NOx-erzeugenden Verbrennungsmotor in einem Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor ausgestoßen werden, wobei jeder der Verbrennungsmotoren und ein Elektromotor so ausgelegt sind, dass sie ein Drehmoment bereitstellen, das funktionell mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs gekoppelt ist. Das Verfahren beinhaltet die funktionsfähige Anordnung einer ersten elektrischen Heizvorrichtung im Abgas, das durch eine Abgasleitung transportiert wird, die funktionsfähig mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist, die funktionsfähige Anordnung einer ersten Mager-NOx-Fallen-(LNT)-Vorrichtung in der Abgasleitung stromabwärts der ersten elektrischen Heizvorrichtung, die funktionsfähige Anordnung einer zweiten LNT-Vorrichtung in der Abgasleitung stromabwärts der ersten LNT-Vorrichtung, die funktionsfähige Anordnung einer passiven selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Vorrichtung in der Abgasleitung stromabwärts der zweiten LNT-Vorrichtung, die funktionsfähige Anordnung einer Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung in der Abgasleitung stromabwärts der passiven SCR-Vorrichtung. Das Verfahren beinhaltet auch das funktionsfähige Verbinden einer Steuerung mit der ersten elektrischen Heizvorrichtung, wobei die Steuerung zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuern der NOx-Emissionen des NOx-erzeugenden Verbrennungsmotors ausgelegt ist. Das durch die Steuerung ausgeführte Verfahren beinhaltet das Überwachen einer Drehmomentanforderung für das Fahrzeug, das Bestimmen, ob die Drehmomentanforderung groß genug ist, um die Verbrennung zu veranlassen, NOx zu erzeugen, das einen vorgewählten Schwellenwert überschreitet, das Betreiben des Verbrennungsmotors bei einem reduzierten Drehmoment, das geringer ist als die Drehmomentanforderung, und das Betreiben des Elektromotors mit dem Verbrennungsmotor, um ein ausreichendes Drehmoment zum Erfüllen der Drehmomentanforderung bereitzustellen, worin das reduzierte Drehmoment zusätzlich zu dem ausreichenden Drehmoment gleich der Drehmomentanforderung ist.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ können weitere Ausführungsformen eine Steuerung beinhalten, die ein Verfahren ausführt, das ferner bestimmt, ob eine Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung erforderlich ist oder sich im Prozess befindet, den Verbrennungsmotor mit einem reduzierten vorgewählten Drehmoment unter dem Drehmomentanspruch betreibt und den Elektromotor mit dem Verbrennungsmotor betreibt, um ein ausreichendes Drehmoment zum Erfüllen des Drehmomentbedarfs bereitzustellen, worin das reduzierte vorgewählte Drehmoment zusätzlich zum ausreichenden Drehmoment gleich dem Drehmomentanspruch ist.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass das reduzierte vorgewählte Drehmoment auf mindestens einem der Betriebszustände des Fahrzeugs, einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der Drehmomentanforderung basiert.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass das reduzierte Drehmoment auf mindestens einem der Betriebszustände des Fahrzeugs, einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der Drehmomentanforderung basiert.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen das Erleichtern der Regeneration von mindestens einer der ersten LNT-Vorrichtungen, der zweiten LNT-Vorrichtung, der passiven SCR-Vorrichtung und der Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung mit der ersten elektrischen Heizeinrichtung beinhalten.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass die Regeneration der zweiten zweiten LNT-Vorrichtung eine andere Temperatur aufweist als die Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen das Anordnen einer zweiten elektrischen Heizvorrichtung in der Abgasleitung und das Erleichtern der Regeneration mindestens einer der zweiten LNT-Vorrichtungen, der SCR-Vorrichtung und der Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung mit der zweiten elektrischen Heizvorrichtung beinhalten.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen mindestens eine der zweiten LNT-Vorrichtungen, die passive SCR-Vorrichtung und die Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung, umfassend einen Partikelfilter, beinhalten.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen die funktionsfähige Verbindung eines Temperatursensors mit der Steuerung beinhalten, wobei der Temperatursensor in Fluidverbindung mit dem Abgas angeordnet ist.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ dazu können weitere Ausführungsformen die funktionsfähige Verbindung eines NOx-Sensors mit der Steuerung beinhalten, wobei der NOx-Sensor in Fluidverbindung mit dem Abgas angeordnet ist.
Neben einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder alternativ können weitere Ausführungsformen beinhalten, dass das Bestimmen basierend auf mindestens einem der chemischen Modelle der ersten LNT-Vorrichtung, einem chemischen Modell der zweiten LNT-Vorrichtung und einem chemischen Modell der passiven SCR-Vorrichtung erfolgt.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne Weiteres hervor.
Figurenliste
Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten erscheinen, nur exemplarisch, in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, wobei gilt:

1 zeigt ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und ein Emissionssteuerungssystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 veranschaulicht exemplarische Komponenten eines Emissionssteuerungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3A zeigt eine vereinfachte erweiterte Schnittansicht einer ersten LNT-Vorrichtung mit einer integrierten elektrischen Heizung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3B zeigt eine vereinfachte perspektivische Schnittansicht einer ersten LNT-Vorrichtung mit einer integrierten elektrischen Heizung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4A zeigt eine vereinfachte erweiterte Schnittansicht einer zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung mit einer integrierten elektrischen Heizung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4B zeigt eine vereinfachte perspektivische Schnittansicht einer zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung mit einer integrierten elektrischen Heizung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Verfahrens zum Steuern gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich veranschaulichender Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung in ihren An- oder Verwendungen einzuschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine Verarbeitungsschaltung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten, umfassen kann.
Der Begriff „exemplarisch“ wird hierin ausschließlich verwendet, um als „ein Beispiel, eine Instanz oder Veranschaulichung zu dienen.“ Jede Ausführungsform, die hierin als „exemplarisch“ bezeichnet wird, ist nicht notwendigerweise als bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsform auszulegen. Unter den Begriffen „mindestens eins“ und „eins oder mehrere“ versteht man jede ganze Zahl, die größer oder gleich eins ist, d. h. eins, zwei, drei, vier usw. Unter den Begriffen „eine Vielzahl“ ist jede ganze Zahl zu verstehen, die größer oder gleich zwei, d. h. zwei, drei, vier, fünf usw. ist. Der Begriff „Verbindung“ kann eine indirekte „Verbindung“ und eine direkte „Verbindung“ beinhalten.
Wie hierin dargestellt und beschrieben, werden verschiedene Merkmale der Offenbarung offenbart. Obwohl ähnliche Referenznummern in einem allgemeinen Sinn verwendet werden können, werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben und verschiedene Merkmale können Änderungen, Abänderungen, Modifikationen usw. beinhalten, wie sie von Fachleuten auf dem Gebiet zu begrüßen sind, unabhängig davon, ob sie ausdrücklich oder anderweitig von Fachleuten auf dem Gebiet beschrieben werden.
Hierin wird eine neuartige Architektur des Abgasnachbehandlungssystems beschrieben, die eine elektrisch beheizte Mager-NOx-Falle (LNT) in Verbindung mit einem innovativen LNT auf Filter (LNTF) Partikelfilter beinhaltet. Die Systemarchitektur beinhaltet auch einen passiven selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (SCR) und einen Kohlenwasserstoffkatalysator (HC). Darüber hinaus kann optional auch eine zusätzliche elektrische Heizung vor dem Filter eingesetzt werden, um die Regeneration des zweiten LNT unter ausgewählten Bedingungen zu unterstützen. In einigen Ausführungsformen können die Implementierungen mit zusätzlichen Heizelementen im Hinblick auf zusätzliche Komplexität und Kosten gewichtet werden. Zwei in Reihe geschaltete LNTs mit unterschiedlichen Effektivitäten und Wirkungsgraden der Temperaturfenster führen zu einer erhöhten NOx-Leistung des gesamten Nachbehandlungs- und Abgassystems über einen weiten Temperaturbereich. Ein e-beheiztes LNT unterstützt das System im Niedriglastbetrieb und nach einem Kaltstart, z. B. in den ersten 500 Sekunden nach dem Motorstart, wobei die Abgastemperatur für eine effektive NOx-Umwandlung noch zu niedrig ist.
Vorteilhaft ist, dass die Anordnung zu einem vollständig passiven System führt, wodurch die Notwendigkeit einer Reduktionsmitteldosierung, z. B. einer Diesel-EmissionsFluid-(DEF)-Einspritzung, wie sie bei der Dieselnachbehandlung üblich ist, vermieden wird. Die Architektur der beschriebenen Ausführungsformen wird optional in einer vollständig geschlossenen, gekoppelten, integrierten Konfiguration mit einer innovativen Verpackung realisiert, die unter anderem die höheren Motoraustrittstemperaturen für eine bessere Katalysatorleistung nutzen würde.
Das beschriebene Nachbehandlungssystem verwendet ein LNTF, das eine gleichzeitige und kontinuierliche Reduzierung der Partikel- (PM) und Stickoxid-(NOx)-Emissionen ermöglicht. Die LNT-Beschichtung in einer Partikelfilteranwendung funktioniert hinsichtlich der NOx-Umwandlung wie bei herkömmlichen Systemen. Darüber hinaus wird PM unter mageren Betriebsbedingungen durch aktiven Sauerstoff, der beim NOx-Speicherprozess freigesetzt wird, und durch überschüssigen Sauerstoff im Abgas oxidiert. Unter fetten Bedingungen wird PM auch durch den aktiven Sauerstoff oxidiert, der im Reduktionsprozess von gespeichertem NOx freigesetzt wird. Daher werden PM und NOx reduziert, indem das Luft-Kraftstoffverhältnis abwechselnd von mager auf fett geregelt wird.
Es sollte beachtet werden, dass elektrisch beheizte LNT- und LNTF-Technologien zuvor in einer Vielzahl von Nachbehandlungskonfigurationen (d. h. verschiedenen Nachbehandlungslayouts und Komponenten) untersucht wurden. Leider hat sich keiner als kommerziell erfolgreich erwiesen, da beide Technologien verschiedene Nachteile, Kompromisse und Herausforderungen mit sich bringen. Vorteilhaft ist jedoch, dass die offenbarte Konfiguration und Methodik die Implementierung von Technologien zur Verbrennung und Elektrifizierung mit extrem niedrigen Emissionen erleichtert, die eine praktikable Option darstellen, mit Vorteilen in Bezug auf die Kosten der Nachbehandlung und die Verpackung.
Ein Kraftfahrzeug gemäß einem Aspekt einer Ausführungsform ist allgemein bei 10 in 1 angegeben. Insbesondere ist das Fahrzeug 10 ein Hybrid-Elektrofahrzeug, insbesondere ein diesel-elektrisches Hybridfahrzeug 10. 1 ist eine Fahrzeugschematik, welche die Komponenten des betreffenden Fahrzeugs 10 im Hinblick auf die offenbarten Prinzipien und die Art und Weise, in der die Komponenten zum Ausführen dieser Prinzipien miteinander verbunden sein können, darstellt. Es versteht sich jedoch, dass die veranschaulichte Architektur lediglich ein Beispiel ist und dass die offenbarten Prinzipien nicht erfordern, dass das Fahrzeug 10 wie dargestellt konfiguriert wird. Es ist selbstverständlich, dass das Kraftfahrzeug 10 verschiedene Formen annehmen kann, einschließlich Automobilen, kommerziellen Transportmitteln, Schiffen usw. Das Kraftfahrzeug 10 beinhaltet eine Karosserie 12 und einen Fahrgastraum 15. In einigen Ausführungsformen kann das Kraftfahrzeug 10 auch einen Motorraum 14 beinhalten, in dem sich ein Antriebssystem 100 ganz oder teilweise befindet. In einigen Ausführungsformen beherbergt der Motorraum 14 ein Verbrennungsmotorsystem ICE, das im Allgemeinen mit 20 dargestellt ist, das in einigen Fällen Teil einer hybriden Implementierung des Antriebssystems 100 sein kann. Das Verbrennungsmotorsystem 20 kann auch ein Getriebe (nicht dargestellt) beinhalten, das mechanisch mit einem Antriebsstrang 106 gekoppelt ist. Es ist anzumerken, dass die hierin beschriebenen technischen Lösungen für ICE-Systeme 20 relevant sind, die Dieselmotorsysteme und Benzinmotorsysteme beinhalten können, aber nicht darauf beschränkt sind. Das ICE-System 20 kann eine Vielzahl von an einer Kurbelwelle angebrachten Hubkolben beinhalten, die betriebsmäßig an einem Antriebssystem angebracht sein können, wie einem Fahrzeugantriebssystem, um ein Fahrzeug anzutreiben (z. B. um Traktionsdrehmoment an das Antriebssystem abzugeben). So kann beispielsweise das ICE-System 20 eine beliebige Motorkonfiguration oder Anwendung sein, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. Automobil, Marine und dergleichen) sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Das ICE-System 20 beinhaltet ein Abgassystem 30 (2), welches fluidisch mit einem Nachbehandlungs- oder Emissionssteuerungssystem 34 verbunden ist. Das vom ICE-System 20 erzeugte Abgas strömt durch das Emissionssteuerungssystem 34, um Emissionen zu reduzieren, die durch ein Abgasauslassrohr (nicht dargestellt) in die Umgebung austreten können.
Obwohl das ICE-System 20 in einem fahrzeugbezogenen Kontext (z. B. Drehmoment erzeugend) beschrieben werden können, befinden sich andere nicht fahrzeugbezogene Anwendungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung. Wenn daher auf ein Fahrzeug Bezug genommen wird, sollte diese Offenbarung dahingehend ausgelegt werden, dass sie für jede Anwendung eines ICE-Systems 20 gilt. Darüber hinaus kann ein ICE-System 20 im Allgemeinen jede Vorrichtung darstellen, die in der Lage ist, einen Abgasstrom zu erzeugen, der gasförmige (z. B. NOx, O2) kohlenstoffhaltige und/oder partikelförmige Spezies beinhaltet, und die Offenbarung hier sollte dementsprechend als auf alle derartigen Vorrichtungen anwendbar angesehen werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Abgas“ auf jede beliebige chemische Spezies oder jedes Gemisch aus chemischen Spezies, das eine Behandlung erfordert, und gasförmige, flüssige und feste Spezies beinhaltet. So kann beispielsweise ein Abgasstrom eine Mischung aus einer oder mehreren NOx-Spezies, einer oder mehreren flüssigen Kohlenwasserstoff-Spezies und einer oder mehreren Feststoff-Partikel-Spezies (z. B. Asche) enthalten. Es versteht sich außerdem, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen zur Behandlung von Ableitungsströmen anwendbar sein können, die keine kohlenstoffhaltigen und/oder partikelförmigen Substanzen umfassen, und in diesen Fällen kann das ICE-System 20 auch im Allgemeinen jede Vorrichtung repräsentieren, die zum Erzeugen eines Ableitungsstroms in der Lage ist, der solche Substanzen umfasst. Abgaspartikelmaterial beinhaltet im Allgemeinen kohlenstoffhaltigen Ruß und andere feste und/oder flüssige kohlenstoffhaltige Spezies, die für das ICE-System 20 relevant sind oder in einem Emissionssteuerungssystem 34 gebildet werden.
In weiteren Ausführungsformen kann das ICE-System 20 so konfiguriert werden, dass er ein elektrisches Antriebssystem in einer Hybridkonfiguration mit Strom versorgt. In einer Ausführungsform sieht beispielsweise das ICE-System 20 das Bereitstellen von elektrischer Energie für den Betrieb eines elektrischen Antriebssystems 100 vor. In einigen Ausführungsformen können das Antriebssystem 100 und das ICE-System 20 mechanisch mit einem Antriebsstrang 106 gekoppelt werden, um das Fahrzeug 10 anzutreiben (z. B. um dem Antriebsstrang 106 ein Traktionsmoment zuzuführen).
Darüber hinaus kann ein ICE-System 20 im Allgemeinen jede Vorrichtung darstellen, die in der Lage ist, einen Abgasstrom zu erzeugen, der gasförmige (z. B. NOx, O2) kohlenstoffhaltige und/oder partikelförmige Spezies beinhaltet, und die Offenbarung hier sollte dementsprechend als auf alle derartigen Vorrichtungen anwendbar angesehen werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Abgas“ auf jede beliebige chemische Spezies oder jedes Gemisch aus chemischen Spezies, das eine Behandlung erfordert, und gasförmige, flüssige und feste Spezies beinhaltet. So kann beispielsweise ein Abgasstrom eine Mischung aus einer oder mehreren NOx-Spezies, einer oder mehreren flüssigen Kohlenwasserstoff-Spezies und einer oder mehreren Feststoff-Partikel-Spezies (z. B. Asche) enthalten. Es versteht sich außerdem, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen zur Behandlung von Ableitungsströmen anwendbar sein können, die keine kohlenstoffhaltigen und/oder partikelförmigen Substanzen umfassen, und in diesen Fällen kann das ICE-System 20 auch im Allgemeinen jede Vorrichtung repräsentieren, die zum Erzeugen eines Ableitungsstroms in der Lage ist, der solche Substanzen umfasst. Abgaspartikelmaterial beinhaltet im Allgemeinen kohlenstoffhaltigen Ruß und andere feste und/oder flüssige kohlenstoffhaltige Spezies, die für das ICE-System 20 relevant sind oder in einem Emissionssteuerungssystem 34 gebildet werden.
In Fortführung von 1 beinhaltet das Fahrzeug 10 und das Antriebssystem 100 im dargestellten Beispiel ein elektrisches Energiespeichersystem 101 (z. B. eine Batterie oder Batteriebank („Batterie“)) mit geeigneter Spannung und Kapazität. Geeignete Batterietypen sind unter anderem Bleibatterien, Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd), Nickel-Metall-Hydrid-Batterien (NiMH), Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Polymer-Batterien. Das elektrisches Energiespeichersystem 101 ist z. B. über eine Motorsteuerung 103 leitend mit einer elektrischen Antriebseinheit 105, z. B. einem oder mehreren Elektromotoren (im Folgenden Elektromotor 105) verbunden. Es ist zu beachten, dass die elektrische Leistung des elektrischen Energiespeichersystems 101 durch die Motorsteuerung 103 (oder andere Vorrichtungen) moduliert, spannungsmäßig modifiziert oder anderweitig modifiziert werden kann, wenn dies zum Antreiben des Elektromotors 105 erforderlich ist. In einigen Ausführungsformen kann die Motorsteuerung 103 ein Motorantriebssystem 104 beinhalten. In weiteren Ausführungsformen kann ein separates Motorantriebssystem 104 zum Einsatz kommen. Typischerweise kann ein Motorantriebssystem 104 einen Spannungswandler, einen Wechselrichter und die Auswahl der Transientenfilterung beinhalten, wie sie allgemein verwendet wird. Der Elektromotor 105 ist mit einem erdgebundenen Antrieb verbunden oder verbindbar, der typischerweise ein oder mehrere Räder 107 beinhaltet. In einigen Ausführungsformen ist der Elektromotor 105 ein einzelner Elektromotor, der funktionsfähig mit dem Antriebsstrang 106 verbunden ist, während in anderen Fällen mehrere Elektromotoren 105 zum Antreiben einer Achse oder eines Rades 107 des Fahrzeugs 10 verwendet werden können. Zur besseren Veranschaulichung ist ein einzelner Motor 105 abgebildet, der mit einer einzelnen Achse 108 gekoppelt ist, wobei jedoch eine Vielzahl von Konfigurationen möglich ist.
In einer optionalen Implementierung kann eine Steckerschnittstelle 109 vorgesehen werden, um das elektrische Energiespeichersystem 101 aufzuladen, wobei zu beachten ist, dass die hierin enthaltenen Lehren auch für Fahrzeuge mit Plug-in-Architekturen gelten. Die Steckerschnittstelle ermöglicht es dem Antriebssystem 100 und dem Motorantriebssystem 104, sich mit einer AC/DC-Stromquelle, wie beispielsweise einer elektrischen Hauptleitung (z. B. 115/230 Volt AC. z. B. über die Steckerschnittstelle 109), einem Energiebus, einem Gleichspannungs-Bus (z. B. eine Batterie 101) und dergleichen zu verbinden. Die Steckerschnittstelle 109 ist über eine Ladesteuerung 111 mit dem elektrischen Energiespeichersystem 101 verbunden. Ein optionaler Aspekt des Fahrzeugs 10 und dem elektrischen Energiespeichersystem 101 ist die Möglichkeit, das elektrische Energiespeichersystem 101 elektrisch vom Rest des Fahrzeugs 10 zu trennen, indem mindestens ein, vorzugsweise zwei oder mehr Hochspannungsschütze 113 gesteuert werden, wenn ein ungünstiger Zustand erkannt wird. Eine Kommunikationsschnittstelle 114 kann ebenfalls verwendet und angepasst werden, um Informationen von der Ladesteuerung 111 oder der Motorsteuerung 103 zu empfangen und Daten zum Fahrzeug 10, zum Antriebssystem 100 und zur Batterie 101 an ein entferntes System 110 zu übermitteln. In einer weiteren Ausführungsform können die Motorsteuerung 103 und die Ladesteuerung 111 mit einem Steuermodul 260 (2) für das Emissionssteuerungssystem 34 integriert sein. Darüber hinaus kann eine oder alle der Steuerungen 111, 103 oder das Steuermodul 260 weiterhin Steuerfunktionen zum Steuern des Betriebs des Fahrzeugs 10 beinhalten. In einer Ausführungsform stellt die Motorsteuerung 103 Funktionen zum Steuern der Funktionalität des Fahrzeugs 10 und des Antriebssystems 100 bereit. In einer Ausführungsform kann das entfernte System 110 ein Server sein, der konfiguriert ist, um Fahrzeugstatus-, Wartungs- oder Fehlerinformationen und dergleichen zu empfangen. So sieht beispielsweise die Kommunikationsschnittstelle 114 in einer Ausführungsform für das entfernte System 110 den Motorstatus, den Ladezustand und den Betriebszustand des mit dem elektrischen Energiespeichersystem 101 verbundenen Systems vor. Das Antriebssystem 100 wie beschrieben, wird in Bezug auf ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug 10 beschrieben, wobei die Anwendung auf jedes System, in dem eine Steuerung eines Motorantriebssystems 104 verwendet wird, vorgesehen werden kann.
2 veranschaulicht exemplarische Komponenten des Emissionssteuerungssystems 34 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Es sollte angemerkt werden, dass, während das ICE-System 20 in dem obigen Beispiel einen Dieselmotor 26 aufweist, das hierin beschriebene Emissionssteuerungssystem 34 in verschiedenen Motorsystemen implementiert werden kann, insbesondere in jedem NOx-erzeugenden Verbrennungsmotor. Das Emissionssteuerungssystem 34 erleichtert die Steuerung und Überwachung von NO_x Speicher- und/oder Behandlungsmaterialien, um die durch das ICE-System 20 erzeugten Abgase zu kontrollieren. So sehen beispielsweise die technischen Lösungen hierin Verfahren zum Steuern von elektrischen Heizelementen, Mager-NOx-Fallen-(LNT)-Vorrichtungen, selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Vorrichtungen und zugehörigen NO_x, Temperatur- und Drucksensoren vor, worin die LNT-Vorrichtungen, SCR-Vorrichtungen dazu ausgelegt sind, Abgasströme aus einer Abgasquelle aufzunehmen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NO_x“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NO_x Substanzen können N_yO_x Substanzen beinhalten, worin y>0 und x>0. Nichteinschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO₂, N₂O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄, und N₂O₅ beinhalten. SCR-Vorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie Reduktionsmittel aufnehmen, beispielsweise mit variablen Dosierraten, wie nachstehend beschrieben wird.
In Fortführung von 2 transportiert eine Abgasleitung 204, die mehrere Segmente umfassen kann, das Abgas 206 von Dieselmotor 26 zu den verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Emissionssteuerungssystems 34. Wie dargestellt, beinhaltet beispielsweise das Emissionssteuerungssystem 34 eine Reihenschaltung einer ersten Heizvorrichtung 208 mit einer ersten LNT-Vorrichtung 210. Eine optionale zweite Heizvorrichtung 218 wird vor einer zweiten LNT-Vorrichtung 220 eingesetzt, die dann die Abgase zu einer passiven SCR-Vorrichtung 230 leitet. In einem oder mehreren Beispielen kann die zweite LNT-Vorrichtung 220 eine selektive katalytische Filtervorrichtung (SCRF-Vorrichtung) beinhalten, die zusätzlich zu Partikelfilterfähigkeiten die katalytischen Aspekte von SCRs bereitstellt. In einem oder mehreren Beispielen kann die SCR-Vorrichtung 230 eine selektive katalytische Filtervorrichtung (SCRF-Vorrichtung) beinhalten, die zusätzlich zu Partikelfilterfähigkeiten die katalytischen Aspekte von SCRs bereitstellt. Das Emissionssteuerungssystem 34 kann verschiedene zusätzliche Behandlungsvorrichtungen beinhalten, einschließlich unter anderem Diesel-Oxidationskatalysatorvorrichtungen (DOC) 240 und zusätzliche Partikelfiltervorrichtungen (nicht dargestellt).
In Fortführung von 2 ist die erste Heizvorrichtung 208 im Abgasstrom 206 stromaufwärts der ersten LNT-Vorrichtung 210 angeordnet. In einer Ausführungsform sind die erste Heizvorrichtung 208 und die erste LNT-Vorrichtung 210 in einem Gehäuse 212 angeordnet, das die erste Heizvorrichtung 208 und das Substrat 214 der ersten LNT 210 im Wesentlichen umschließt. Das Substrat 224 kann aus Metall hergestellt sein, aber auch andere Materialien sind möglich. Das Gehäuse 212 kann im Allgemeinen zylindrische oder jede andere Form aufweisen, die den Durchfluss von Abgas 206 von einem Einlass 213 zu einem Auslass 215 und durch das Substrat 214 ermöglicht. Der Einlass 213 stellt den Fluiddurchgang für den Abgasstrom 206 in die erste Heizvorrichtung 208 und die erste LNT-Vorrichtung 210 bereit, und der Auslass 215 stellt den Fluiddurchgang für den Abgasstrom 206 aus der Substratvorrichtung 214 bereit.
Nun zu 3A und 3B, mit weiterem Bezug auf 2, weist die erste LNT-Vorrichtung 210 eine erste Elektrode 216 auf, die mit einem ersten Übertragungsdraht (nicht dargestellt) elektrisch mit einer Stromquelle am Fahrzeug 10 verbunden ist. Die erste Elektrode 216 erstreckt sich durch das Gehäuse 212 der ersten LNT-Vorrichtung 210 und kontaktiert die erste Heizeinrichtung 208. Eine zweite Elektrode 217 erstreckt sich vom Gehäuse 212 der ersten LNT-Vorrichtung 210 und ist auch elektrisch nach Bedarf verbunden, um die elektrische Schaltung in herkömmlicher Weise zu vervollständigen. Während sich die zweite Elektrode 217 vom Gehäuse 212 erstreckt, ist es auch möglich, dass die zweite Elektrode 217 in Kontakt zur ersten Heizvorrichtung 208 im Allgemeinen gegenüber der ersten Elektrode 216 steht. Wenn Strom zur ersten Elektrode 216 geleitet wird, wird der Strom vom Gehäuse 212 isoliert und der Strom wird an die erste Heizvorrichtung 208 der ersten LNT-Vorrichtung 210 geleitet, der aus der zweiten Elektrode 217 austritt. In einer Ausführungsform können die Elektroden 216, 217 und Abschnitte der Heizvorrichtung 208 ein Abschnitt der ersten LNT-Vorrichtung 210 sein. In weiteren Ausführungsform ist die erste Heizvorrichtung 208 eine separate Heizvorrichtung von Substrat 214 der ersten LNT-Vorrichtung 210. Es ist auch möglich, dass die Heizvorrichtung 208 die das gesamte oder ein Teil des Substrats 214 ist, dafür ausgelegt ist, Wärme unter Anlegen eines elektrischen Stroms zu erzeugen. Es ist möglich, dass das selektive Einleiten von Strom in die erste LNT-Vorrichtung 210 bei der Aktivierung eines Benutzers oder bei einer automatischen Aktivierung stattfindet, wie beispielsweise durch eine Motorsteuerung 103 oder ein Emissionssteuerungssystem 34, einschließlich eines Steuermoduls 260.
Wenn der Strom durch das erste Heizelement 208 fließt, wird Wärme in der ersten LNT-Vorrichtung 210 erzeugt. Die Abgase 206, die durch die erste LNT-Vorrichtung 210 fließen, werden über Heizvorrichtung 208 aufgeheizt und die erwärmten Abgase 206 fließen zu/durch dem/das Substrat 214. Die erste Heizvorrichtung 208 stellt den Abgasen 206 ausreichend Wärme bereit, um bei Bedarf eine effiziente Reaktion im Substrat 214 und die Regeneration des Filtermediums wie hierin beschrieben einzuleiten. Darüber hinaus erleichtert das elektrische Erwärmen der Abgase 206 die Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung 210, indem es für mehr gewünschte Temperaturen für die Regeneration sorgt.
Im Betrieb wird die erste Heizvorrichtung 208 durch ein Steuermodul 260 gesteuert. In einer Ausführungsform führt das Steuermodul 260 ein Verfahren aus, das den Betrieb des ICE-Systems 20 und insbesondere die Temperaturen und den NOx-Gehalt der Abgase 206 überwacht. Die erste Heizvorrichtung 208 wird verwendet, um die Abgase 206 zu erwärmen, um die Reaktion mit dem Katalysator auf dem Substrat 214 wie hierin beschrieben sicherzustellen. Darüber hinaus kann das Steuermodul 260 die erste Heizvorrichtung 208 weiterhin für zusätzliche Anwendungen verwenden, einschließlich der Unterstützung bei der Regeneration des Katalysators auf dem Substrat 214 der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220. Schließlich ist zu beachten, dass die Hauptfunktion der ersten Heizvorrichtung 208 zwar die Nachbehandlungsaufwärmung ist (z.B. das Aufheizen der Komponenten des Emissionssteuerungssystems 34 auf Betriebstemperatur, insbesondere bei der Inbetriebnahme), während die erste Heizvorrichtung 208 dem Emissionssteuerungssystem 34 auch die Möglichkeit gibt, die Temperatur nach dem Abschalten der ersten LNT-Vorrichtung 210 zu erhöhen, um die Spülung/Regeneration in einem effizienteren Temperaturfenster sowohl für die NOx-Umwandlung als auch für die NH3-Erzeugung durchzuführen.
Wie zu erkennen ist, kann die erste LNT-Vorrichtung 210 aus verschiedenen Durchfluss-Oxidationskatalysatorvorrichtungen bestehen, die in der Technik bekannt sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann die erste LNT-Vorrichtung 210 ein durchströmbares Metall- oder Keramikmonolithsubstrat 214 beinhalten. Das Substrat 214 kann in der Hülle oder dem Kanister verpackt werden, die, wie vorstehend beschrieben, ein Gehäuse 212 bilden und in Fluidverbindung mit dem Abgas 206 in der Abgasleitung 204 stehen. Das Substrat 214 kann eine darauf angeordnete NOx-Adsorptionsverbindung beinhalten. Die NOx-Adsorptionsverbindung kann als Washcoat aufgebracht werden und kann Zeolithe, Alkali/Alkalioxid (Carbonat) oder Kombinationen und Verbindungen derselben enthalten. Die erste LNT-Vorrichtung 210 ist nützlich beim Speichern und Behandeln der im Abgas 206 vorhandenen Stickoxide. Unter mageren Betriebsbedingungen wird das Nox in dem Substrat 214 der LNT-Vorrichtung 210, 220 akkumuliert oder „eingeschlossen“. Das eingeschlossene Nox wird periodisch freigegeben oder „gespült“, indem es bei einem stöchiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis arbeitet. Das freigesetzte Nox wird durch Reduktionsmittel im Abgas 206, wie CO und H2, auf N2 reduziert. Die möglichen Reaktionsmechanismen während der Speicher- und Spülphase der LNT-Vorrichtungen 210, 220 sind bekannt. Unter mageren Bedingungen wird NO in der Gasphase über Platin zu NO2 oxidiert. Das entstehende NO2 wird an einer Oxidoberfläche als Nitrat adsorbiert (z. B. als Bariumnitrat für ein Bariumadsorptionsmittel). Typische Adsorptionsmittel für das Substrat des LNT beinhalten Oxide von Kalium, Kalzium, Cer, Zirkonium, Lanthan und Barium.
Die Reihenfolge der Schritte und Reaktionen ist wie folgt:

Nitratzersetzung: Ba(NO3) + 2CO -> NO + 2CO2
NO-Umwandlung: 2NO + 2CO -> N2 +2CO2

Bei fetten Luft-Kraftstoffverhältnissen für den ICE 20 wird das adsorbierte Bariumnitrat aus der LNT-Vorrichtung (z. B. 210, 220) als Bariumoxid freigesetzt. In Gegenwart von Reduktionsmitteln (auch im Abgas 206), wie CO, HC und H2 und Pt/Rh-Katalysator, wird das NOx in Stickstoff und den Abscheidungsbestandteil umgewandelt, wobei Bariumcarbonat unter Bildung von H2, CO2 H2O und NH3 zurückgewonnen wird.
Die Reihenfolge der Schritte zum Teil zu den verbleibenden Reaktionen sind: CO + H2O →CO2 + H2 5H2 + 2NO → 2NH3 +2H2O HC + H2O → CO + 3/2H2
Vorteilhafterweise wird das NH3 in das verbleibende Abgas 206 und zur SCR-Vorrichtung 230 geleitet, wobei es dort eingefangen, gelagert und als Reduktionsmittel für die weitere NOx-Reduktion eingesetzt wird, wie hierin näher erläutert wird. Es sollte auch beachtet werden, dass der im Kraftstoff vorhandene Schwefel als Vergiftungsmittel dient. Das heißt, im Verbrennungsprozess wird der Schwefel zu Schwefeldioxid oxidiert (SO2). Das Schwefeldioxid wird bei Vorhandensein von Platin zu Schwefeltrioxid oxidiert. Das Schwefeloxid wird unter den Betriebsbedingungen der Falle als Bariumsulfat zurückgehalten. Infolgedessen ist der NOx-Einfangwirkungsgrad der LNT-Vorrichtung 210 eine Funktion von der Einfangtemperatur, der Katalysatorbeladung, dem Kraftstoffschwefelgehalt, der Raumgeschwindigkeit, der Zufuhrgaskonzentration und der Regenerationsfrequenz der Einfangvorrichtung. Es wurde auch festgestellt, dass die Verwendung eines fetteren A/F-Verhältnisses zum Spülen den Betrieb der LNT-Vorrichtung(en) 210, 220 über einen längeren Zeitraum ermöglicht. Die Spülung mit einem fetteren Verhältnis wirkt sich jedoch nicht nur stärker auf den Kraftstoffverbrauch aus, sondern erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, dass das eingeschlossene Sulfat in unerwünschten Schwefelwasserstoff umgewandelt wird, der ebenfalls behandelt werden muss und nicht freigesetzt. Es ist klar, dass zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und zur Minimierung von NOx-Emissionen die Strategie der Speicher- und Spülsteuerung für die LNT-Vorrichtung(en) 210, 220 gut konzipiert und optimiert sein muss.
Eine Washcoat-Schicht beinhaltet eine in der Zusammensetzung unterschiedliche Materialschicht, die auf der Oberfläche des monolithischen Substrats 214 oder einer darunter liegenden Washcoat-Schicht angeordnet ist. Ein Katalysator kann eine oder mehrere Washcoat-Schichten enthalten, und jede Washcoat-Schicht kann einzigartige chemische katalytische Funktionen aufweisen. In der ersten LNT-Vorrichtung 210 können die Katalysatorzusammensetzungen für die Stickstoffspeicherfunktion in diskreten Washcoat-Schichten auf dem Substrat 214 oder alternativ die Zusammensetzungen für die erste LNT-Vorrichtung 210 und NOx-Speicherfunktionen in diskreten longitudinalen Zonen auf dem Substrat 214 vorhanden sein.
Der Substratkörper 214 für die erste LNT-Vorrichtung 210 kann beispielsweise ein keramischer Ziegelstein, eine Plattenstruktur oder jede andere geeignete Struktur sein, wie eine monolithische Wabenstruktur, die mehrere hundert bis mehrere hundert parallele Durchflusszellen pro Quadratzoll enthält, obwohl andere Konfigurationen geeignet sind. Jede der Durchflusszellen kann durch eine Wandoberfläche definiert werden, auf der die Katalysatorzusammensetzung per Washcoat-Verfahren aufgetragen werden kann. Der Substratkörper 214 kann aus einem Material ausgebildet sein, das den Temperaturen und der chemischen Umgebung, die mit dem Abgas 206 verbunden ist, standhalten kann. Einige spezifische Beispiele für Materialien, die verwendet werden können, beinhalten Keramik, wie extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit, Petalit, oder ein hitze- und korrosionsbeständiges Metall, wie Titan oder Edelstahl. Das Substrat kann zum Beispiel ein nichtsulfatierendes TiO2 Material umfassen. Der Substratkörper kann auch als Partikelfilter dienen, wie im Folgenden erläutert wird.
Die LNTF-Katalysatorzusammensetzungen sind im Allgemeinen ein poröses Material mit einer größeren Oberfläche, das effizient arbeiten kann, um NOx-Bestandteile des Abgases 206 zu adsorbieren und zu speichern. Geeignete LNT-Katalysatorzusammensetzungen können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit Partikelfilter (PF)-Vorrichtungen verwendet werden oder wenn sie in die nachstehend beschriebenen LNTF-Vorrichtungen integriert werden, die mithilfe von Hochtemperatur-Rußverbrennungsverfahren regeneriert werden. Die LNT-Katalysatorzusammensetzung kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren umfassen, um die SOS-Bildung weiter zu verringern und die Standzeit des Katalysators zu verlängern. Die einen oder mehreren basischen Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO3, Al2O3 und MoO3 beinhalten. In einer Ausführungsform kann WO3, Al2O3 und MoO3 in Kombination mit V2O5 verwendet werden.
In Fortführung von 2 wird das Abgas 206 nach der ersten Heizvorrichtung 208 und dem ersten LNT 210 zur optionalen zweiten Heizvorrichtung 218 geleitet, die im Abgasstrom 206 stromaufwärts der zweiten LNT-Vorrichtung 220 angeordnet ist. In einer Ausführungsform sind die optionale zweite Heizvorrichtung 218 und die zweite LNT-Vorrichtung 220 im Gehäuse 222 angeordnet. Die zweite LNT-Vorrichtung 220 arbeitet auf ähnliche Weise wie die hierin beschriebene erste LNT-Vorrichtung 210. Infolgedessen entfällt zur Vereinfachung die weitere Erläuterung des Betriebs der zweiten LNT-Vorrichtung 220, wobei sie der ersten LNT-Vorrichtung 210 ähnlich ist.
In einer Ausführungsform ist die zweite LNT-Vorrichtung 220 auch ein LNT auf Filter, ebenfalls als LNTF bezeichnet und durch die Referenznummer 220 gekennzeichnet. In mindestens einer Ausführungsform ist der Filterabschnitt 229 des Substrats 224 als ein Partikelfilter (PF) ausgebildet, wie beispielsweise ein Dieselpartikelfilter (DPF). Wie bereits erwähnt, kann das Substrat 224 der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 aus Metall bestehen, jedoch sind auch andere Materialien möglich. Das Gehäuse 222 kann im Allgemeinen zylindrische oder jede andere Form aufweisen, die den Durchfluss von Abgas 206 von einem Einlass 223 zu einem Auslass 225 und durch das Substrat 224 ermöglicht. Der Einlass 223 stellt den Fluiddurchgang für den Abgasstrom 206 in die optionale zweite Heizvorrichtung 218 und die erste LNT/LNTF-Vorrichtung 220 bereit, und der Auslass 225 stellt den Fluiddurchgang für den Abgasstrom 206 aus der Substratvorrichtung 224 bereit. Der Filterabschnitt 229 (d. h. der PF) des Substrats 224 kann beispielsweise mit einem monolithischen keramischen Wandströmungs-Abgasfiltersubstrat konstruiert sein, das dazu ausgelegt ist, Kohlenstoff und andere Partikel aus dem Abgas 206 zu filtern oder zurückzuhalten. Es versteht sich, dass ein keramisches Wandströmungs-Monolith-Filtersubstrat lediglich exemplarischer Natur ist und dass der Filterabschnitt 229 des Substrats 224 andere Filtervorrichtungen wie etwa gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern usw. enthalten kann. Das Emissionssteuerungssystem 34 kann auch einen Regenerationsprozess durchführen, der das Substrat 224 durch Abbrennen der im Filterabschnitt 229 des Substrats 224 eingeschlossenen Partikel in einem oder mehreren Beispielen regeneriert.
Nun zu 4A und 4B sowie noch einmal zur ersten Elektrode 226 der zweiten Heizvorrichtung 218, die mit einem ersten Übertragungsdraht (nicht dargestellt) elektrisch mit einer Stromquelle am Fahrzeug 10 verbunden ist. Die erste Elektrode 226 erstreckt sich durch das Gehäuse 222 der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 und kontaktiert die zweite Heizeinrichtung 218. Eine zweite Elektrode 227 erstreckt sich vom Gehäuse 222 der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 und ist auch elektrisch nach Bedarf verbunden, um die elektrische Schaltung in herkömmlicher Weise zu vervollständigen. Während sich die zweite Elektrode 227 vom Gehäuse 222 erstreckt, ist es auch möglich, dass die zweite Elektrode 227 in Kontakt zur zweiten Heizvorrichtung 218 im Allgemeinen gegenüber der ersten Elektrode 226 steht. Wenn Strom zur ersten Elektrode 226 geleitet wird, wird der Strom vom Gehäuse 222 isoliert und der Strom wird an die zweite Heizvorrichtung 218 der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 geleitet, der aus der zweiten Elektrode 227 austritt. Wie hierin beschrieben, können für die erste Heizvorrichtung 208 und die erste LNT-Vorrichtung 210 in einer Ausführungsform die Elektroden 226, 227 und die gesamte oder ein Teil der zweiten Heizvorrichtung 218 ein Teil der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 sein. In einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Heizvorrichtung 218 eine separate Heizvorrichtung von Substrat 224 der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220. Es ist auch möglich, dass die Heizvorrichtung 208 die das gesamte oder ein Teil des Substrats 224 ist, dafür ausgelegt ist, Wärme unter Anlegen eines elektrischen Stroms zu erzeugen. Wiederum ist es möglich, dass das selektive Einleiten von Strom in die zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220 bei der Aktivierung eines Benutzers oder einer automatischen Aktivierung stattfinden kann, wie beispielsweise durch eine Motorsteuerung oder ein Emissionssteuerungssystem 34.
Wenn der Strom durch die zweite Heizvorrichtung 218 fließt, wird in der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 Wärme erzeugt. Die Abgase 206, die durch die zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220 fließen, werden durch die zweite Heizvorrichtung 218 erwärmt und die erwärmten Abgase 206 strömen zum/durch das Substrat 224. Die zweite Heizvorrichtung 218 stellt den Abgasen 206 ausreichend Wärme bereit, um bei Bedarf eine effiziente Reaktion des Katalysators auf dem Substrat 224 und die Regeneration des Filtermediums wie hierin beschrieben einzuleiten. Darüber hinaus sorgt die elektrische Erwärmung der Abgase 206 für wünschenswerte Temperaturen bei der Regeneration der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 sowie für die Spülung der Partikelfilter (z. B. 229) Aspekte der zweiten LNF/LNTF-Vorrichtung 220.
In Fortführung von 2 wird im Betrieb die zweite Heizvorrichtung 218 ebenfalls durch das Steuermodul 260 gesteuert. In einer Ausführungsform führt das Steuermodul 260 ein Verfahren aus, das den Betrieb des ICE-Systems 20 und insbesondere die Temperaturen und den NOx-Gehalt der Abgase 206 überwacht. Die optionale zweite Heizvorrichtung 218 dient zur weiteren Erwärmung der Abgase 206, um die hierin beschriebene Reaktion sicherzustellen. Darüber hinaus kann das Steuermodul 260 die optionale zweite Heizvorrichtung 218 weiterhin für zusätzliche Anwendungen verwenden, einschließlich der Unterstützung bei der Regeneration des Katalysators auf dem Substrat 224 der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220. Schließlich ist zu beachten, dass die Hauptfunktion der zweiten Heizvorrichtung 218 zwar die Erwärmung nach der Behandlung ist, z. B. das Erhalten/Warten der Komponenten des Emissionssteuerungssystems und insbesondere der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 auf Betriebstemperatur, insbesondere bei der Inbetriebnahme, während die zweite Heizvorrichtung 218 dem Emissionssteuerungssystem 34 auch die Möglichkeit gibt, die Temperatur nach dem Abschalten der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 zu erhöhen, um sowohl für die NOx-Umwandlung als auch für die NH3-Erzeugung in einem effizienteren Temperaturfenster über fette Betriebsbedingungen die Regeneration des ICE-Systems 20 durchzuführen. Des Weiteren arbeitet die zweite Heizvorrichtung 218 in einer Filterkonfiguration auch zum Verbrennen/Spülen von Partikeln aus dem Filterabschnitt 229 des Substrats 224 unter Verwendung von Hochtemperatur-Verbrennungszyklen.
Es versteht sich weiterhin, dass, während das Emissionssteuerungssystem 34, wie in 2 dargestellt, mit der ersten elektrischen Heizvorrichtung 208 beschrieben wird, die sich stromaufwärts der ersten LNT-Vorrichtung 210 befindet, es möglich ist, dass, wenn das Abgas 206 eine ausreichende Abgastemperatur erreicht, das Emissionssteuerungssystem 34 nur eine einzelne LNT-Vorrichtung 210 mit oder ohne die integrierte erste Heizvorrichtung 208 und das Substrat/den Katalysator 214 beinhalten kann, und keine nachfolgende, z. B. die zweite Heizvorrichtung 218 oder zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220. Ebenso ist es möglich, dass bei der Beschreibung zweier Heizvorrichtungen bei Bedarf mehr als Heizungsvorrichtungen eingesetzt werden können, um die Temperatur des Abgases 206 zu erhöhen und den effizienten Betrieb des Emissionssteuerungssystems 34 zu gewährleisten.
In Fortführung von 2 werden nach dem Verlassen der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 die Abgase 206 dann zu einer SCR-Vorrichtung 230 geleitet. Die SCR-Vorrichtung 230 kann beispielsweise ein Durchfluss-Keramik- oder Metall-Monolith-Substrat 234 beinhalten, das in einem Mantel oder einem Behälter 232 mit einem Einlass 233 und einem Auslass 235 in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 204 und optional anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen, z.B. der ersten LNT-Vorrichtung 210, der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 und dergleichen, verpackt werden kann. Der Mantel oder Behälter 232 kann idealerweise einen gegenüber den Abgasbestandteilen, wie z. B. Edelstahl, weitgehend inerten Werkstoff umfassen. Das Substrat 234 kann eine SCR-Katalysatorverbindung beinhalten, die darauf aufgebracht wird.
Das Substrat 234 kann beispielsweise ein keramischer Ziegelstein, eine Plattenstruktur oder jede andere geeignete Struktur sein, wie eine monolithische Wabenstruktur, die mehrere hundert bis mehrere tausend parallele Durchflusszellen pro Quadratzoll enthält, obwohl andere Konfigurationen geeignet sind. Jede der Durchflusszellen kann durch eine Wandoberfläche definiert werden, auf der die Katalysatorzusammensetzung per Washcoat-Verfahren aufgetragen werden kann. Das Substrat 234 kann aus einem Material ausgebildet sein, das den Temperaturen und der chemischen Umgebung, die mit dem Abgas 206 verbunden ist, standhalten kann. Einige spezifische Beispiele für Materialien, die verwendet werden können, beinhalten Keramik, wie extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit, Petalit, oder ein hitze- und korrosionsbeständiges Metall, wie Titan oder Edelstahl. Das Substrat kann beispielsweise ein nichtsulfatierendes TiO₂-Material beinhalten. Der Substratkörper kann auch als Partikelfilter dienen, wie im Folgenden erläutert wird.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzungen sind im Allgemeinen ein poröses Material mit großer Oberfläche, das effizient arbeiten kann, um NO_x Bestandteile im Abgas 206 bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak, umzuwandeln. So kann beispielsweise die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith und eine oder mehrere Basismetallkomponenten, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (W) und Kombinationen davon, enthalten. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith enthalten, der mit einem oder mehreren von Kupfer, Eisen oder Vanadium imprägniert ist. In einigen Ausführungsformen kann der Zeolith ein β-Zeolith, ein Y-Zeolith, ein ZM5-Zeolith oder eine beliebige andere kristalline Zeolithstruktur, wie ein Chabazit oder ein USY (ultrastabiler Y-Typ)-Zeolith, sein. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ. Geeignete SCR-Katalysatorzusammensetzungen können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit Partikelfilter (PF)-Vorrichtungen verwendet werden oder wenn sie in die nachstehend beschriebenen SCRF-Vorrichtungen integriert werden, die mithilfe von Hochtemperatur-Rußverbrennungsverfahren regeneriert werden. Die SCR-Katalysatorzusammensetzung kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren umfassen, um die SO₃-Bildung weiter zu verringern und die Standzeit des Katalysators zu verlängern. Die einen oder mehreren basischen Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ beinhalten. In einer Ausführungsform kann WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ in Kombination mit V₂O₅ verwendet werden.
Die SCR-Vorrichtung 230 kann stromabwärts von der ersten LNT-Vorrichtung 210 und der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 angeordnet sein. In einer Ausführungsform ist die SCR-Vorrichtung 230 eine passive Vorrichtung. In einem oder mehreren Beispielen empfängt und speichert die SCR-Vorrichtung 230 Reduktionsmittel, d. h. NH₃, das von der ersten LNT-Vorrichtung 210 oder der zweiten LNF/LNTF-Vorrichtung 220 freigesetzt wird, die in den Abgasen 206 vorhanden sind. Der Katalysator, der eine auf dem Substrat 234 angeordnete Washcoat-Beschichtung enthält, speichert das NH3 in den Abgasen 206, um NOx-Bestandteile darin zu reduzieren. Die SCR-Vorrichtung 230 nutzt das überschüssige Ammoniak (NH₃) zum weiteren Reagieren mit dem verbleibenden NOx in den Abgasen 206, welche die erste LNT 210 oder die zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220 (d. h. NOx-Schlupf) passiert haben.
Die SCR-Vorrichtung 230 beinhaltet einen SCR-Katalysator, der im Allgemeinen ein Reduktionsmittel verwendet, z. B. überschüssige NH3- oder NH3-Verbindungen, die von der ersten LNT-Vorrichtung 210 oder der zweiten LNT-Vorrichtung 220 ausgestoßen werden, um NOx-Arten (z. B. NO und NO2) auf ungeregelte Emissionskomponenten zu reduzieren. Diese Bestandteile beinhalten beispielsweise eine oder mehrere Spezies, die keine NOx Spezies, zweiatomigen Stickstoff, stickstoffhaltige inerte Spezies oder Spezies, die als annehmbare Emissionen angesehen werden, sind. Es sollte beachtet werden, dass das Reduktionsmittel in einer Ausführungsform typischerweise Ammoniak (NH3) ist, wie es von der ersten LNT-Vorrichtung 210 und der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 ausgestoßen wird, aber auch jede Verbindung sein kann, die von der ersten LNT-Vorrichtung 210 oder der zweiten LNT-Vorrichtung 220 erzeugt wird, die in der Lage ist, bei Vorhandensein von Abgas 206 und/oder Wärme mit NOx zu zersetzen oder zu reagieren. Die Gleichungen (1) - (5) liefern exemplarische chemische Reaktionen für NOx-Reduktion mit Ammoniak. 6NO+4NH3→5N2+6H2O (1) 4NO+4NH3+O2→74N2+6H2O (2) 6NO2+8NH3→7N2+12H2O (3) 2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O (4) NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (5)
Es versteht sich, dass die Gleichungen (1) - (5) lediglich veranschaulichend sind und nicht dazu gedacht sind, die SCR-Vorrichtung 230 auf einen bestimmten NOx-Reduktionsmechanismus oder -mechanismen zu begrenzen, noch den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Die SCR-Vorrichtung 230 kann so konfiguriert sein, dass sie eine der oben genannten NOx-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der vorstehenden NOx-Reduktionsreaktionen und andere NOx-Reduktionsreaktionen ausführt. Typischerweise wird eine aktive SCR-Vorrichtung mit eingespritztem Reduktionsmittel in die Abgase eingesetzt. Das in der SCR-Vorrichtung gespeicherte eingespritzte Reduktionsmittel reagiert mit dem NOx in den Abgasen. In den beschriebenen Ausführungsformen wird eine passive SCR-Vorrichtung 230 verwendet. Die passive SCR-Vorrichtung 230 speichert Reduktionsmittel, die sich in den Abgasen 206 befinden, die sich aus den Reaktionen in der ersten LNT-Vorrichtung 210 oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 ergeben.
Der SCR-Katalysator kann NH3 zum Zusammenwirken mit dem Abgas 206 speichern (d. h. absorbieren und/oder adsorbieren). Eine gegebene SCR-Vorrichtung 230 weist eine Reduktionsmittelkapazität oder eine Menge an Reduktionsmittel oder einem Reduktionsmittel-Derivat auf, das gespeichert werden kann. Die Menge eines innerhalb einer SCR-Vorrichtung 230 gespeicherten Reduktionsmittels im Verhältnis zur Speicherkapazität von Reduktionsmittel wird häufig als „Reduktionsmittelbelastung“ bezeichnet und kann als eine %-Belastung (z. B. 90 % Reduktionsmittelbelastung) angegeben werden. Während des Betriebs der SCR-Vorrichtung 230 wird das Reduktionsmittel vom Katalysator der SCR-Vorrichtung 230 gespeichert und bei Reduktionsreaktionen mit NOx-Spezies verbraucht, die eine kontinuierliche Nachdosierung erfordern. Die Nachdosierung ergibt sich aus den Reaktionen in der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220. Das Steuern des Betriebs der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 stellt sicher, dass ausreichende Reduktionsmittelspeicherstände in der SCR-Vorrichtung 230 eingehalten werden, um das Aufrechterhalten der Abgasemissionen auf einem akzeptablen Niveau zu erleichtern. Wie bereits erwähnt, können unzureichende Reduktionsmittelspeicherniveaus in der SCR-Vorrichtung 230 zu einem NOx-Durchbruch führen, während übermäßiges Reduktionsmittel durch die SCR-Vorrichtung 230 nicht reagiert oder als Reduktionsmittelschlupf verlässt.
In Fortführung von 2 können die aus der SCR-Vorrichtung 230 austretenden Abgase 206 dann zur Kohlenwasserstoffkatalysator-(OC/DOC)-Vorrichtung 240 geleitet werden, die wiederum optional auch eine Partikelfiltervorrichtung beinhaltet (nicht dargestellt). Wie zu erkennen ist, kann die DOC-Vorrichtung 240 aus verschiedenen Durchfluss-Oxidationskatalysatorvorrichtungen bestehen, die in der Technik bekannt sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann die DOC-Vorrichtung 240 ein durchströmbares Metall- oder Keramikmonolithsubstrat 244 beinhalten. Das Substrat 244 kann in einem Edelstahlkanister oder -gehäuse 242 verpackt sein, der oder das über einen Einlass 243 und einen Auslass 245 in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 204 verfügt. Das Substrat 244 beinhaltet eine darauf angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete Metalloxidkatalysatoren und Kombinationen davon, enthalten. Die DOC-Vorrichtung 240 ist für die Behandlung von unverbranntem gasförmigem und nicht-flüchtigem HC und CO nützlich, welche oxidieren, um Kohlendioxid und Wasser auszubilden. Eine Washcoat-Schicht beinhaltet eine in der Zusammensetzung unterschiedliche Materialschicht, die auf der Oberfläche des monolithischen Substrats 244 oder einer darunter liegenden Washcoat-Schicht angeordnet ist. Ein Katalysator kann eine oder mehrere Washcoat-Schichten enthalten, und jede Washcoat-Schicht kann einzigartige chemische katalytische Funktionen aufweisen. In der DOC-Vorrichtung 240 können sich die Katalysatorzusammensetzungen für die oxidierende Funktion in diskreten Washcoat-Schichten auf dem Substrat 244 befinden, oder alternativ können die Zusammensetzungen für die Kohlenwasserstoff-Oxidationsfunktionen in diskreten longitudinalen Zonen auf dem Substrat 244 verbleiben.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Emissionssteuerungssystem 34 ferner das Steuermodul 260, das über eine Anzahl an Sensoren wirkverbunden ist, um den Motor 26 und/oder das Abgas-Emissionssteuerungssystem 34 zu überwachen. So kann beispielsweise das Steuermodul 260 den hierin beschriebenen Steuerungsprozess für die Gesamtemissionskontrolle einschließlich der NOx-Reduktion und Kohlenwasserstoffoxidation einschließlich der Regeneration der Substrate 214, 224, 234 und 244 entsprechend ausführen. Das Steuermodul 260 kann über einen oder mehrere Sensoren 250 funktionsfähig mit dem ICE-System 20, der ersten LNT-Vorrichtung 210, der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220, der SCR-Vorrichtung 230, der HC/DOC-Vorrichtung 240 verbunden werden. In einer Ausführungsform ist das Steuermodul 260 ein Teil der Steuerung 111 oder der Motorsteuerung 103 (1). In einer anderen Ausführungsform kann das Steuermodul 260 eine eigenständige Komponente sein. Wie dargestellt, können die Sensoren, die im Allgemeinen als 250 dargestellt sind, einen ersten NO_x-Sensor 252a, der stromaufwärts der ersten LNT-Vorrichtung 210 angeordnet ist, einen zweiten NO_x -Sensor 252b, der stromaufwärts der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 angeordnet ist, und einen dritten NOx-Sensor 252c beinhalten, der stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 230 angeordnet ist. Zusätzlich wird ein vierter NOx-Sensor 252d stromabwärts in den Abgasen 206 der SCR-Vorrichtung 230 eingesetzt. Schließlich kann ein fünfter NOx-Sensor 252e stromabwärts der HC-Oxidationsvorrichtung/DOC-Vorrichtung 240 eingesetzt werden. Jeder der NOx-Sensoren 252a, 252b, 252c, 252d und 252e steht in Fluidverbindung mit dem Abgas 206 in der Abgasleitung 204. Die NO_x -Sensoren 252a-e erfassen das NO_x -Niveau nahe ihrer Position und erzeugen NOx-Signale, die den erfassten NOx-Werten entsprechen. Ein NOx-Niveau kann in einigen Ausführungsformen eine Konzentration, einen Massendurchsatz, oder eine volumetrische Durchflussmenge beinhalten. Ein von einem NOx-Sensor 252a-e erzeugtes NOx-Signal wird an das Steuermodul 260 übertragen und kann vom Steuermodul 260 nach Bedarf für den Betrieb des Emissionssteuerungssystems 34 interpretiert werden.
Das Steuermodul 260 kann zusätzlich in Verbindung mit einem oder mehreren Temperatursensoren, wie beispielsweise einem ersten Temperatursensor 254a, stehen, der stromaufwärts von der ersten LNT-Vorrichtung 210 angeordnet ist. Ein zweiter Temperatursensor 254b ist stromaufwärts der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 angeordnet, während ein dritter Temperatursensor 254c stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 230 angeordnet ist. Darüber hinaus ist stromabwärts der SCR-Vorrichtung 230 ein vierter Temperatursensor 254d angeordnet. Schließlich ist ein fünfter Temperatursensor 254e stromabwärts der HC-Oxidation/DOC-Vorrichtung 240 angeordnet. Jeder der Temperatursensoren 254a, 254b, 254c, 254d und 254e steht in Fluidverbindung mit dem Abgas 206 in der Abgasleitung 204. Die Temperatursensoren 254a-e erfassen Temperaturen nahe ihrer Position und erzeugen Temperatursignale, die den gemessenen Temperaturen entsprechen. Ein von einem Temperatursensor 254a-e erzeugtes Temperatursignal wird an das Steuermodul 260 übertragen und kann vom Steuermodul 260 nach Bedarf für den Betrieb des Emissionssteuerungssystems 34 interpretiert werden.
Die Sensoren des Emissionssteuerungssystems 34 können ferner mindestens einen Drucksensor 256 (z. B. einen Deltadrucksensor) beinhalten. Der Deltadrucksensor 256 kann die Druckdifferenz (d. h. Δp) über die zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220 oder SCR-Vorrichtung 230 je nach Konfiguration des Emissionssteuerungssystems 34 bestimmen. Im Allgemeinen werden Drucksensoren 256 an der Vorrichtung zum Bereitstellen einer Partikelfilterung eingesetzt. In einer Ausführungsform sind die Drucksensoren auf der SCR-Vorrichtung 230 dargestellt, wobei die Beschreibung auch für die zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220 anwendbar ist. Obwohl außerdem ein einzelner Deltadrucksensor 256 veranschaulicht ist, versteht es sich, dass eine Vielzahl an Drucksensoren verwendet werden können, um die Druckdifferenz der SCR-Vorrichtung 230 zu ermitteln. So kann beispielsweise ein erster Drucksensor (nicht dargestellt) am Einlass 233 der SCR-Vorrichtung 230 angeordnet sein, und ein zweiter Drucksensor (ebenfalls nicht dargestellt) kann am Auslass 235 der SCR-Vorrichtung 230 angeordnet sein. Dementsprechend kann die Differenz zwischen dem durch den zweiten Drucksensor erfassten Druck und dem durch den ersten Drucksensor erfassten Druck die Druckdifferenz über die SCR-Vorrichtung 230 anzeigen. Es sollte beachtet werden, dass, obwohl NOx-, Temperatur- und Drucksensoren als Beispiel beschrieben wurden, die Sensoren 250 andere, zusätzliche oder weniger Sensoren beinhalten können als die hierin dargestellten/beschriebenen. Andere mögliche Sensoren sind Additionsdrucksensoren, Durchflusssensoren, Feinstaubsensoren und dergleichen.
In einer Ausführungsform kann das Steuermodul ein chemisches SCR-Modell 270 ausführen, das unter anderem die in der SCR-Vorrichtung 230 gespeicherte Reduktionsmittelmenge basierend auf Signalen von einem oder mehreren der ersten NOx (z. B. NOx-Signal vom stromaufwärtigen NOx-Sensor 252a, auch bezeichnet als NO_x1) vorhersagt. Das chemische SCR-Modell 270 sagt ferner NOx-Niveaus von Abgas 206 voraus, die von der SCR-Vorrichtung 230 abgegeben werden. Ebenso kann das chemische SCR-Modell 270 auch den NOx-Gehalt des Abgases 206 vorhersagen, das in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Das chemische SCR-Modell 270 kann durch das Steuermodul 260 implementiert werden. Das chemische SCR-Modell 270 kann um einen oder mehrere Prozesswerte über die Zeit aktualisierbar sein. Das Steuermodul 260 überwacht das durch das chemische SCR-Modell 270 vorhergesagte Reduktionsmittelspeicherniveau und vergleicht dieses mit einem gewünschten Reduktionsmittel-Speicherniveau basierend auf den Bedingungen des Abgases 206 beim Verlassen der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 und der SCR-Vorrichtung 230. Abweichungen zwischen dem vorhergesagten Reduktionsmittel-Speicherniveau und dem gewünschten Reduktionsmittel-Speicherniveau können kontinuierlich überwacht und verwendet werden, um Korrekturen im Emissionssteuerungssystem 34 und im Betrieb der ersten LNT-Vorrichtung 210 und der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 vorzunehmen, um das Reduktionsmittel (NH3-Generation in der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220) in einer Weise zu erhalten oder zu optimieren, die einen optimalen Betrieb der passiven SCR-Vorrichtung 230 ermöglicht. Eine gewünschte Umwandlungsrate kann durch viele Faktoren ermittelt werden, wie beispielsweise die Eigenschaften des SCR-Katalysatortyps und/oder die Betriebsbedingungen des Systems (z. B. Betriebsparameter des ICE-Systems 20, Merkmale der ersten LNT-Vorrichtung 210, Merkmale der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220).
In einer Ausführungsform kann das Steuermodul 260 auch ein oder mehrere chemische LNT-Modell(e) 280 entsprechend der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 ausführen, die unter anderem die in der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 gespeicherte NOx-Menge vorhersagt. Das vorhergesagte gespeicherte NOx basiert auf Signalen von einem oder mehreren der ersten NOx-Sensoren (z. B. dem NOx-Signal vom stromaufwärtigen NOx-Sensor 252a) und dem ersten Temperatursensor 254a. Das chemische LNT-Modell 280 sagt ferner NOx-Niveaus des Abgases 206 voraus, das von der ersten LNT-Vorrichtung 210 und der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 abgegeben wird. Das vorhergesagte gespeicherte NOx basiert auf Signalen von einem oder mehreren der zweiten NOx-Sensoren (z. B. dem NOx-Signal vom NOx-Sensor 252b, 252c) und den Temperatursensoren 254b, 254c. Ebenso kann das chemische LNT-Modell 280 auch den NOx-Gehalt des Abgases 206 vorhersagen, das in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Das chemische LNT-Modell 280 kann um einen oder mehrere Prozesswerte über die Zeit aktualisierbar sein.
Das Steuermodul 260 überwacht den durch das chemische LNT-Modell 280 vorhergesagten NOx-Gehalt und steuert das Emissionssteuerungssystem 34, um eine Regenerations- oder Spülanforderung für die erste LNT-Vorrichtung 210 und/oder zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220 auszuführen, wenn die vorhergesagten NOx-Speicherniveaus einen ausgewählten Schwellenwert überschreiten. In einer Ausführungsform beträgt der gewählte Schwellenwert 75 % der Speicherkapazität für die LNT-Vorrichtung (z. B. die erste LNT-Vorrichtung 210 oder die zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220). Die gespeicherten NOx-Niveaus werden sowohl vom chemischen LNT-Modell 280 vorhergesagt als auch durch Überwachen der verschiedenen NOx-Sensoren 252a-e gemessen. Ein „DenOx“-Ereignis oder eine Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 beinhaltet den Betrieb des ICE-Systems 20 in einem kraftstoffreichen Zustand für eine ausgewählte Dauer. In einer Ausführungsform bedeutet ein kraftstoffreicher Zustand ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis von weniger als eins. Insbesondere wird in einer Ausführungsform ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis von 0,95 verwendet. In einer Ausführungsform wird ein vorhandener Sauerstoffsensor stromaufwärts der LNT-Vorrichtungen 210, 220 eingesetzt, um das Kraftstoffverhältnis des ICE-Systems 20 zu überwachen. In anderen Ausführungsformen kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch ein Modell als Teil der Steuerung des ICE-Systems 20 vorhergesagt werden. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die ausgewählte Dauer etwa zehn Sekunden, obwohl andere Dauern möglich sind. Die gewählte Dauer basiert auf der Temperatur, der Konstruktion und den Eigenschaften des LNT-Substrats 214, 224, dem NOx-Speicher in den LNT-Vorrichtungen 210, 220, der Geschwindigkeit der Abgase 206 und der Stabilität der Verbrennung.
Darüber hinaus ist der NOx-Speicher auch von der Betriebstemperatur der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 abhängig. Es versteht sich, dass es für eine effektive Regeneration wünschenswert ist, das ICE-System 20 in einem stabilisierten Zustand zu halten. Um insbesondere sicherzustellen, dass sich die Abgase 206 und deren Gehalt, die Temperatur, im stationären Zustand befinden. Wie hierin erläutert, führen Schwankungen des Drehmomentbedarfs für den ICE zu erheblichen Schwankungen in der NOx-Produktion. Derartige Schwankungen erschweren die Regeneration und insbesondere die Quantifizierung der Wirksamkeit der Regeneration. Zu diesem Zweck werden zwei Verfahren eingesetzt, um die Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung 210 oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 zu erleichtern. Zum einen werden die Temperaturen der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 auf einer stationären Temperatur gehalten, die idealerweise die NOx-Speicherung während des Betriebs und die Regeneration während der Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 am günstigsten ist. Zum anderen die Drehmomentstabilisierung des ICE-Systems 20, wie hierin beschrieben, um die vollständige Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 zu erleichtern.
Abweichungen zwischen dem vorhergesagten NOx-Speicherniveau und dem gewünschten NOx-Speicherniveau können kontinuierlich überwacht und genutzt werden, um Korrekturen im Emissionssteuerungssystem 34 und im Betrieb der ersten LNT-Vorrichtung 210 und der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 zur Aufrechterhaltung oder Optimierung des NOx-Speichers vorzunehmen, NH3-Erzeugung zur Erleichterung weiterer NOx-Reduzierungen in der SCR-Vorrichtung 230 und schließlich Emissionen aus dem Fahrzeug 10 innerhalb akzeptabler Niveaus.
Wie bereits beschrieben, überwacht das Steuermodul 260 den Betrieb der ersten LNT-Vorrichtung 210, der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220, der SCR-Vorrichtung 230 und der DOC-Vorrichtung 240, um einen effizienten Betrieb des Emissionssteuerungssystems 34 unter Beibehaltung akzeptabler Emissionen sicherzustellen. Insbesondere überwacht das Emissionssteuerungssystem 34 unter ausgewählten Bedingungen die NOx- und HC-Emissionswerte. Ebenso steuert das Steuermodul 260 den Regenerationszeitpunkt für die erste LNT-Vorrichtung 210 und zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220 unter ausgewählten Betriebsbedingungen für das ICE-System 20 und das Emissionssteuerungssystem 34 und stellt sicher, dass die Abgasemissionen auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Das heißt, beispielsweise kann eine unzureichende Regeneration innerhalb des Emissionssteuerungssystems 34 zu unerwünschten Emissionen von NO_x Spezies („NO‟_x Durchbruch") aus dem Emissionssteuerungssystem 34 (z. B. über ein Auspuffrohr eines Fahrzeugs) führen, während eine übermäßige Regeneration zu übermäßigen Kohlenwasserstoffemissionen führen kann, sowie zu NOx, das durch die SCR-Vorrichtung 230 unreagiert hindurchgeht oder die SCR-Vorrichtung 230 als unreagiertes NO_x verlässt.
Dementsprechend steuert die Motorsteuerung 103 oder das Steuermodul 260 unter Bezugnahme auf die 1 und 2 und nun auch auf 5 den Betrieb des Emissionssteuerungssystems 34 basierend auf dem ausgewählten oder eingeschränkten Betrieb des Fahrzeugs 10 und des ICE-Systems 20. Wie hierin beschrieben, arbeitet das Emissionssteuerungssystem 34 durch Speichern von NOx in der ersten LNT-Vorrichtung 210 oder zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220. Schließlich wird jedoch das Substrat 214 der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder das Substrat 224 der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 gesättigt und verliert seine Wirksamkeit zur Adsorption von NOx. Um eine derartige Sättigung zu verhindern, müssen die Substrate 214, 224 regeneriert werden, entweder durch einen fetten Motorbetrieb oder durch zusätzliche Erwärmung, die von der ersten Heizvorrichtung 208 oder der optionalen zweiten Heizvorrichtung 218 für die erste LNT-Vorrichtung 210 bzw. zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220 aufgebracht wird. Die Regeneration beider LNT-Vorrichtungen 210, 220 kann jedoch durch den weiteren Betrieb des ICE-Systems 20, insbesondere bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen des ICE-Systems 20, negativ beeinflusst werden.
Um diesem Problem zu begegnen, führt die Steuerung 103 in einer Ausführungsform einen Prozess 200 aus, um eine übermäßige NOx-Erzeugung im Betrieb des ICE-Systems 20 zu vermeiden und das Drehmoment des ICE 20 im Wesentlichen konstant zu halten. Das Verfahren 500 wird in einem oder mehreren Beispielen durch einen oder mehrere der Laderegler 111, Motorsteuerung 103 oder Steuermodule 260 implementiert. Alternativ wird das Verfahren 500 durch einen oder mehrere elektrische Schaltungen implementiert. In einem oder mehreren Beispielen wird das Verfahren durch Ausführen von Logik implementiert, die in Form von computerlesbaren und/oder ausführbaren Anweisungen bereitgestellt oder gespeichert werden kann. In einer Ausführungsform initiiert der Prozess 500 unter Überwachung des Betriebs der Drehmomentanforderung (z. B. vom Bediener) für das Fahrzeug 10, wie im Prozessblock 502 dargestellt. Hohe Drehmomentanforderungen (z. B. Beschleunigung), führen typischerweise zu einem hohen Kraftstoffverbrauch und damit zu hohen Abgasemissionen. Infolgedessen führt das höhere Niveau der Abgasbildung 206 zu höheren NOx-Niveaus in den Abgasen 206. Darüber hinaus werden die Anforderungen des Emissionssteuerungssystems 34 auch dahingehend überwacht, ob ein Regenerationsereignis entweder für die erste LNT-Vorrichtung 210 oder die zweite LNT/LNTF-Vorrichtung 220, wie im Prozessblock 504 dargestellt, erforderlich oder in Bearbeitung ist.
Um diese maximalen Drehmomentanforderungen des Betreibers zu erfüllen, steuert das Verfahren 500 in einer Ausführungsform das vom ICE-System 20 geforderte Motordrehmoment auf einen ausgewählten Grenzwert. In einer Ausführungsform verwendet das Fahrzeug 10 ein Steuerungsschema, das die vom ICE-System 20 geforderten Drehmomentspitzen begrenzt. Diese Drehmoment-Spitzendeckung vermeidet die Betriebsbedingungen für das ICE-System 20, die eine signifikante NOx-Produktion aufweisen, und belastet damit das Emissionssteuerungssystems 34 am stärksten, um akzeptable Emissionen gewährleisten zu können. Das Verfahren 500 ermöglicht es auch, das ICE-System 20 anzuweisen, mit einem niedrigeren Drehmomentwert als dem aktuellen erforderlichen Drehmoment zu arbeiten, wie in den Prozessblöcken 530 und 550 dargestellt. Der abgesenkte Drehmomentgrenzwert kann basierend auf den aktuellen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs 10, der aktuellen Drehmomentanforderung, einem vorgegebenen Grenzwert und dergleichen ausgewählt werden. Gleichzeitig steuert die Motorsteuerung 103 den Elektromotor 105 an, um die Differenz aus dem erforderlichen Drehmoment und dem vorgewählten Wert, wie im Prozessblock 520 dargestellt, auszugleichen, um eine spürbare Differenz für den Benutzer des Fahrzeugs 10 zu vermeiden. Schließlich wird beim Prozessblock 540 die Drehmomentdifferenz durch den Elektromotor 105 gehalten. Dementsprechend steuern das Steuermodul 260 und die Motorsteuerung 103 eine Kombination aus dem Drehmoment des ICE-Systems 20 und des Elektromotors 105, um eine begrenzte NOx-Erzeugung unter einer breiteren Palette von Betriebsbedingungen sicherzustellen. Dieser Ansatz erleichtert dann das Aufrechterhalten der Emissionen auf einem akzeptablen Niveau und die ausreichende Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220.
In Fortführung von 5, wenn eine Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung 210 oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220 erforderlich ist oder sich im Prozess befindet, weist das Steuersystem für das ICE-System 20 das ICE-System 20 an, mit einem festen Drehmoment bei einem vorgewählten Wert zu arbeiten, der kleiner ist als der aktuelle Bedarf, wie in den Prozessblöcken 530 und 550 dargestellt. Der vorgewählte Drehmomentgrenzwert kann basierend auf den aktuellen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs 10, einem vorgegebenen Grenzwert und dergleichen ausgewählt werden. In einigen Ausführungsformen kann der vorgewählte Wert null oder ein Sollwert sein. Gleichzeitig steuert die Motorsteuerung 103 den Elektromotor 105 an, um die Differenz aus dem erforderlichen Drehmoment und dem vorgewählten Wert, wie im Prozessblock 220 dargestellt, auszugleichen. Schließlich wird beim Prozessblock 540 die Drehmomentdifferenz durch den Elektromotor 105 gehalten. Dementsprechend steuert das Steuermodul 260 und die Steuerung 103 eine Menge und einen Zeitpunkt der Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 220, um eine effektive Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung 210 und/oder der zweiten LNT/LNTF-Vorrichtung 230 sicherzustellen.
Die hier beschriebenen technischen Lösungen erleichtern Verbesserungen von Emissionskontrollsystemen, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, wie sie in Fahrzeugen verwendet werden. Die hierin beschriebenen technischen Merkmale erleichtern es dem Emissionssteuerungssystem, eine NOx-Reduktion in einem Emissionssteuerungssystem vorzusehen, bei dem eine elektrisch beheizte niedrige NOx-Falle unter ausgewählten Betriebsbedingungen in Reihe mit einer passiven SCR-Vorrichtung geschaltet ist. Die ausgewählten Bedingungen beinhalten die Nutzung einer diesel-elektrischen Hybrid-Systemkonfiguration mit einem Steuermodul, das konfiguriert ist, um die Regeneration auf ausgewählte Instanzen des Dieselbetriebs zu beschränken. In einigen Systemen wird der Betrieb durch den Einsatz einer zweiten, optional beheizten, niedrigen NOx-Falle weiter verbessert, um die NOx-Abscheidung zu erleichtern. Darüber hinaus werden Regelalgorithmen eingesetzt, um die Spitzendeckung bei hohen Drehmomentanforderungen zu erleichtern, die typischerweise zu hohen NOx-Emissionen führen. Darüber hinaus ist ein Drehmomentregelalgorithmus implementiert, der es ermöglicht, den ICE als im Wesentlichen stationären Drehmomentzustand zu erhalten, um die Regeneration einer oder beider LNT-Vorrichtungen zu erleichtern.
In Bezug auf die Hardware-Architektur kann eine derartige Rechenvorrichtung einen Prozessor, Speicher und eine oder mehrere Ein- und/oder Ausgabeschnittstellen (E/A) beinhalten, die über eine lokale Schnittstelle kommunikativ gekoppelt sind. Die lokale Schnittstelle kann beispielsweise einen oder mehrere Busse und/oder andere drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein. Die lokale Schnittstelle kann zusätzliche Elemente aufweisen, die der Einfachheit halber weggelassen werden, wie beispielsweise Steuerung, Puffer (Zwischenspeicher), Treiber, Repeater und Empfänger, um die Kommunikation zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die lokale Schnittstelle Adress-, Steuer- und/oder Datenverbindungen beinhalten, um eine angemessene Kommunikation zwischen den vorgenannten Komponenten zu ermöglichen.
Wenn die Rechenvorrichtung in Betrieb ist, kann der Prozessor so konfiguriert sein, dass er die im Speicher gespeicherte Software ausführt, Daten zum und vom Speicher übermittelt und die Funktionen der Rechenvorrichtung im Allgemeinen gemäß der Software steuert. Software im Speicher, ganz oder teilweise, wird durch den Prozessor gelesen, eventuell im Prozessor gepuffert und dann ausgeführt. Der Prozessor kann eine Hardwarevorrichtung zum Ausführen von Software sein, insbesondere von im Speicher gespeicherter Software. Der Prozessor kann eine Spezialanfertigung oder ein handelsüblicher Prozessor sein, eine Zentraleinheit (CPU), ein Hilfsprozessor unter mehreren Prozessoren verbunden mit der Rechenvorrichtung, ein Mikroprozessor auf Halbleiterbasis (in Form eines Mikrochips oder Chipsatzes), oder allgemein eine Vorrichtung zur Ausführung der Software.
Der Speicher kann ein beliebiges oder eine Kombination von flüchtigen Speicherelementen (z. B. Arbeitsspeicher (RAM, wie DRAM, SRAM, SDRAM, VRAM, usw.)) und/oder nichtflüchtigen Speicherelementen (z. B. ROM, Festplatte, Band, CD-ROM, usw.) beinhalten. Darüber hinaus kann der Speicher elektronische, magnetische, optische oder andere Arten von Speichermedien enthalten. Zu beachten ist, dass der Speicher auch eine verteilte Architektur aufweisen kann, wobei verschiedene Komponenten voneinander entfernt liegen, auf die jedoch der Prozessor zugegriffen kann.
Die Software im Speicher kann ein oder mehrere separate Programme beinhalten, von denen jede eine geordnete Auflistung von ausführbaren Anweisungen zum Implementieren von logischen Funktionen beinhaltet. Eine als Software verkörperte Systemkomponente kann auch als Quellprogramm, ausführbares Programm (Objektcode), Skript oder jede andere Einheit mit einem Satz von auszuführenden Anweisungen ausgelegt werden. Bei der Konstruktion als Quellprogramm wird das Programm über einen Compiler, Assembler, Interpreter oder dergleichen übersetzt, der im Speicher enthalten sein kann oder nicht.
Zu beachten ist, dass 5 die Architektur, Funktionalität und/oder den Betrieb einer möglichen Implementierung der Software darstellt. In dieser Hinsicht kann einer oder mehrere der Blöcke ein Modul, ein Segment oder einen Abschnitt eines Codes darstellen, der zum Implementieren der spezifizierten logischen Funktion(en) einen oder mehrere ausführbare Befehle umfasst. Zudem ist anzumerken, dass in einigen alternativen Implementierungen die in dem Block erwähnten Funktionen möglicherweise nicht in der angegebenen Reihenfolge auftreten. So können beispielsweise zwei nacheinander dargestellte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, bzw. die Blöcke können je nach der jeweiligen Funktionalität zum Teil in umgekehrter Abfolge ausgeführt werden.
Es ist zu beachten, dass jede der hierin beschriebenen Funktionen in jedem computerlesbaren Medium zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem Anweisungen ausführenden System, einem Gerät oder einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem computergestützten System, einem Prozessor enthaltenden System oder einem anderen System, das die Anweisungen von dem Anweisungen ausführenden System, dem Gerät oder der Vorrichtung abrufen und ausführen kann, enthalten sein kann. Im Kontext dieses Dokuments enthält ein „computerlesbares Medium“ das Speichern, Übermitteln, Verbreiten und/oder Transportieren des Programms zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Anweisungen ausführenden System, Gerät oder Vorrichtung. Das computerlesbare Medium kann beispielsweise ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, -gerät oder -vorrichtung sein. Spezifischere Beispiele (eine nicht erschöpfende Liste) für ein computerlesbares Medium sind eine tragbare Computerdiskette (magnetisch), ein Direktzugriffsspeicher (RAM) (elektronisch), ein Nur-Lese-Speicher (ROM) (elektronisch), ein löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM oder Flash-Speicher) (elektronisch) und ein tragbarer Nur-Lese-Speicher (CD-ROM) (optisch).
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen beinhalten, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „enthält“, „aufweist“, „verfügt über“, „ausgestattet mit“, „einschließlich“ und „hat“ sind nicht ausschließlich und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen hiervon aus.
Während die obige Offenbarung mit Bezug auf illustrative Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen eingeschränkt sein soll, sondern dass sie auch alle Ausführungsformen beinhaltet, die innerhalb des Umfangs der Anmeldung fallen.

Claims

Emissionssteuerungssystem zur abgasbehandlung in einem hybrid-kraftfahrzeug mit einem nox-erzeugenden verbrennungsmotor und einem elektromotor, wobei jeder der verbrennungsmotoren und ein elektromotor so ausgelegt sind, dass sie ein drehmoment bereitstellen, das funktionsfähig mit einem antriebsstrang des fahrzeugs gekoppelt ist, das emissionssteuerungssystem umfassend: eine erste elektrische Heizvorrichtung, die funktionsfähig in einer Abgasleitung angeordnet ist, die funktionsfähig mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist, wobei die Abgasleitung das Abgas mitführt; eine erste Mager-NOx-Einfang-(LNT)-Vorrichtung, die in der Abgasleitung stromabwärts der ersten elektrischen Heizvorrichtung angeordnet ist; eine zweite LNT-Vorrichtung, die in der Abgasleitung stromabwärts der ersten LNT angeordnet ist; eine passive selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtung, die in der Abgasleitung stromabwärts der zweiten LNT-Vorrichtung angeordnet ist; eine Kohlenwasserstoffoxidationskatalysatorvorrichtung, die in der Abgasleitung stromabwärts der passiven SCR-Vorrichtung angeordnet ist; und eine Steuerung, die funktionsfähig mit der ersten elektrischen Heizvorrichtung verbunden ist, wobei der erste NOx-Sensor, der erste Temperatursensor und die Steuerung zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuern der NOx-Emissionen des NOx-erzeugenden Verbrennungsmotors ausgelegt sind, das Verfahren umfassend: Überwachen eines Drehmomentbedarfs für das Fahrzeug; Bestimmen, ob die Drehmomentanforderung groß genug ist, um die Verbrennung zu veranlassen, NOx zu erzeugen, das einen vorgewählten Schwellenwert überschreitet; Betreiben des Verbrennungsmotors bei einem reduzierten Drehmoment, das geringer ist als die Drehmomentanforderung; und Betreiben des Elektromotors mit dem Verbrennungsmotor, um ein ausreichendes Drehmoment zum Erfüllen der Drehmomentanforderung bereitzustellen, worin das reduzierte Drehmoment zusätzlich zu dem ausreichenden Drehmoment gleich der Drehmomentanforderung ist.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend die Steuerung, die ein Verfahren ausführt, das ferner Folgendes beinhaltet: Bestimmen, ob eine Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung erforderlich ist oder sich im Prozess befindet; Betreiben des Verbrennungsmotors bei einem reduzierten Drehmoment, das geringer ist als die Drehmomentanforderung; und Betreiben des Elektromotors mit dem Verbrennungsmotor, um ein ausreichendes Drehmoment zum Erfüllen der Drehmomentanforderung bereitzustellen, worin das reduzierte Drehmoment zusätzlich zu dem ausreichenden Drehmoment gleich der Drehmomentanforderung ist.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 2, worin das reduzierte vorgewählte Drehmoment auf mindestens einem von einem Betriebszustand des Fahrzeugs, einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der Drehmomentanforderung basiert.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin das reduzierte Drehmoment auf mindestens einem von einem Betriebszustand des Fahrzeugs, einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der Drehmomentanforderung basiert.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die erste elektrische Heizvorrichtung zum Erleichtern der Regeneration von mindestens einer der ersten LNT-Vorrichtungen, der zweiten LNT-Vorrichtung, der passiven SCR-Vorrichtung und der Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung ausgelegt ist.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, ferner beinhaltend eine zweite elektrische Heizvorrichtung, die in der Abgasleitung angeordnet ist, wobei die zweite elektrische Heizvorrichtung zum Erleichtern der Regeneration von mindestens einer der zweiten LNT-Vorrichtungen, der SCR-Vorrichtung, und der Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung ausgelegt ist.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin mindestens eine der zweiten LNT-Vorrichtungen, der passiven SCR-Vorrichtung und die Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung einen Partikelfilter umfasst.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, ferner beinhaltend mindestens einen von einem Temperatursensor, der funktionsfähig mit der Steuerung verbunden ist und in Fluidverbindung mit dem Abgas steht, und einen NOx-Sensor, der funktionsfähig mit der Steuerung verbunden ist, und in Fluidverbindung mit dem Abgas.
Verfahren zur Behandlung von Abgas, das von einem NOx-erzeugenden Verbrennungsmotor in einem Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor ausgestoßen wird, wobei jeder der Verbrennungsmotoren und ein Elektromotor so ausgelegt sind, dass sie ein Drehmoment bereitstellen, das funktionell mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs gekoppelt ist, das Verfahren umfassend: funktionsfähiges Anordnen einer ersten elektrischen Heizvorrichtung im Abgas, das von einer mit dem Verbrennungsmotor funktionsfähig verbundenen Abgasleitung transportiert wird; funktionsfähiges Anordnen einer ersten Mager-NOx-Einfang-(LNT)-Vorrichtung, die in der Abgasleitung stromabwärts der ersten elektrischen Heizvorrichtung angeordnet ist; funktionsfähiges Anordnen einer zweiten LNT-Vorrichtung in der Abgasleitung stromabwärts der ersten LNT-Vorrichtung; funktionsfähiges Anordnen einer passiven selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Vorrichtung in der Abgasleitung stromabwärts der zweiten LNT-Vorrichtung; funktionsfähiges Anordnen einer Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysatorvorrichtung in der Abgasleitung stromabwärts der passiven SCR-Vorrichtung; funktionelles Verbinden einer Steuerung mit der ersten elektrischen Heizvorrichtung, wobei die Steuerung so ausgelegt ist, dass sie ein Verfahren zum Steuern der NOx-Emissionen des NOx-erzeugenden Verbrennungsmotors ausführt, das Verfahren umfassend: Überwachen eines Drehmomentbedarfs für das Fahrzeug; Bestimmen, ob die Drehmomentanforderung groß genug ist, um die Verbrennung zu veranlassen, NOx zu erzeugen, das einen vorgewählten Schwellenwert überschreitet; Betreiben des Verbrennungsmotors bei einem reduzierten Drehmoment, das geringer ist als die Drehmomentanforderung; und Betreiben des Elektromotors mit dem Verbrennungsmotor, um ein ausreichendes Drehmoment zum Erfüllen der Drehmomentanforderung bereitzustellen, worin das reduzierte Drehmoment zusätzlich zu dem ausreichenden Drehmoment gleich der Drehmomentanforderung ist.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner beinhaltend die Steuerung, die ein Verfahren ausführt, das ferner Folgendes beinhaltet: Bestimmen, ob eine Regeneration der ersten LNT-Vorrichtung erforderlich ist oder sich im Prozess befindet; Betreiben des Verbrennungsmotors bei einem reduzierten Drehmoment, das geringer ist als die Drehmomentanforderung; und Betreiben des Elektromotors mit dem Verbrennungsmotor, um ein ausreichendes Drehmoment zum Erfüllen der Drehmomentanforderung bereitzustellen, worin das reduzierte Drehmoment zusätzlich zu dem ausreichenden Drehmoment gleich der Drehmomentanforderung ist.