DE102010005646B4

DE102010005646B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Antriebsstrangs

Info

Publication number: DE102010005646B4
Application number: DE102010005646.4A
Authority: DE
Inventors: Kevin L. Perry; David J. Cleary; Kushal Narayanaswamy; Paul M. Najt; Wei Li; James Donald Smith; Chang H. Kim; Thompson M. Sloane
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2015-07-23
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: CN101787918B; DE102010005646A1; US8091342B2; US20100186390A1; CN101787918A

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs, der einen Verbrennungsmotor (10), der einen Brennraum (34) enthält, und ein Nachbehandlungssystem (15) umfasst, das eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (220) enthält, die Ammoniak als ein Reduktionsmittel verwendet, wobei das Verfahren umfasst: selektives Auslösen eines Ammoniakerzeugungszyklus, umfassend: Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum vor einem primären Verbrennungsvorgang zu einem kalibrierten Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem überstöchiometrischen Bereich beruhend auf einer Erzeugung von NOx in dem Brennraum, und Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum nach dem primären Verbrennungsvorgang, das eine Reformierung des eingespritzten Kraftstoffs in dem Brennraum zur Folge hat, beruhend auf einem Gesamt-Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem unterstöchiometrischen Bereich und einer resultierenden Erzeugung von molekularem Wasserstoff; und Verwenden einer Katalysatorvorrichtung zwischen dem Motor und der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, um Ammoniak zu erzeugen dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierung des eingespritzten Kraftstoffs in dem Brennraum unvollständig ist; und dass das Verfahren ferner umfasst, dass ein Anteil des eingespritzten Kraftstoffs an einem Wasserstoff bildenden Katalysator zwischen dem Motor und der Katalysatorvorrichtung reformiert wird.

Description

Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Nachbehandlung von NOx-Emissionen bei Verbrennungsmotoren.
Hintergrund
Die Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
Die Emissionssteuerung ist ein wichtiger Faktor beim Motorenb und der Motorsteuerung. Stickoxide, NOx, sind bekannte Nebenprodukte einer Verbrennung. NOx wird durch in der Motoransaugluft vorhandene Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle erzeugt, die sich bei den hohen Verbrennungstemperaturen abspalten, und Raten der NOx-Erzeugung umfassen bekannte Beziehungen zu dem Verbrennungsprozess, wobei zum Beispiel höhere Raten der NOx-Erzeugung mit höheren Verbrennungstemperaturen und einem längeren Einwirken der höheren Temperaturen auf die Luftmoleküle in Verbindung stehen. Die Reduktion von im Verbrennungsprozess erzeugtem NOx und die Steuerung von NOx in einem Abgasnachbehandlungssystem haben beim Fahrzeugbau Vorrang.
Sobald NOx-Moleküle in dem Brennraum erzeugt werden, können sie in beispielhaften Vorrichtungen, die im Stand der Technik innerhalb der breiteren Kategorie der Nachbehandlungsvorrichtungen bekannt sind, zurück zu Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen umgewandelt werden. Ein Durchschnittsfachmann wird aber verstehen, dass Nachbehandlungsvorrichtungen zum großen Teil von Betriebsbedingungen abhängig sind, beispielsweise der von Abgasstromtemperaturen gesteuerten Vorrichtungsbetriebstemperatur und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors. Zudem umfassen Nachbehandlungsvorrichtungen Materialien wie Katalysatorbetten, die infolge von Nutzung im Laufe der Zeit und Einwirken von hohen Temperaturen für Beschädigung oder Degradation anfällig sind.
Moderne Motorsteuerverfahren verwenden verschiedene Betriebsstrategien, um die Verbrennung zu optimieren. Manche Betriebsstrategien, die die Verbrennung hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit optimieren, umfassen magere, örtlich begrenzte oder geschichtete Verbrennung in dem Brennraum, um die Kraftstoffladung zu verringern, die zum Erreichen der von dem Zylinder geforderten Arbeitsleistung und zum Steigern von Motorwirkungsgrad nötig ist, zum Beispiel durch Betrieb in einem ungedrosselten Zustand, was Ansaugluftpumpverluste verringert. Während die Temperaturen in dem Brennraum in Verbrennungstaschen hoch genug werden können, um signifikante Mengen an NOx zu erzeugen, kann die gesamte Energieabgabe des Brennraums, insbesondere die von dem Motor durch den Abgasstrom abgegebene Wärmeenergie, gegenüber normalen Werten stark verringert sein. Solche Bedingungen können für Abgasnachbehandlungsstrategien eine Herausforderung darstellen, da wie vorstehend erwähnt die Nachbehandlungsvorrichtungen häufig eine erhöhte Betriebstemperatur erfordern, die von der Abgasstromtemperatur gesteuert wird, um zum Behandeln von NOx-Emissionen angemessen zu arbeiten.
Es sind zum Beispiel Nachbehandlungsvorrichtungen bekannt, die chemische Reaktionen verwenden, um Abgasstrom zu behandeln. Eine beispielhafte Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (,SCR', kurz vom engl. Selective Catalytic Reduction). Bekannte Verwendungen einer SCR-Vorrichtung verwenden aus Harnstoffeinspritzung gewonnenen Ammoniak, um NOx zu behandeln. An einem Katalysatorbett in der SCR gespeichertes Ammoniak reagiert mit NOx, vorzugsweise in einem erwünschten Anteil von NO und NO₂, und erzeugt günstige Reaktionen zum Behandeln des NOx. Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst einen bevorzugten Anteil von NO zu NO₂ von eins zu eins und ist als schnelle SCR-Reaktion bekannt. Es ist bekannt, bei Dieselanwendungen einen Dieseloxidationskatalysator (DOC, kurz vom engl. Diesel Oxidation Catalyst) stromaufwärts der SCR zu betreiben, um NO zu NO₂ für bevorzugte Behandlung in der SCR umzuwandeln. Eine ständige Verbesserung der Abgasnachbehandlung erfordert präzise Informationen bezüglich NOx-Emissionen in dem Abgasstrom, um eine wirksame NOx-Reduktion zu erreichen, beispielsweise das Dosieren der richtigen Menge von Harnstoff beruhend auf überwachten NOx-Emissionen.
Zusätzlich sind andere Nachbehandlungsvorrichtungen zum Behandeln des Abgasstroms bekannt. Bei Benzinanwendungen werden insbesondere Dreiwegekatalysatoren (TWC, kurz vom engl. Three Way Catalysts) verwendet. Mager-NOx-Fallen (NOx-Falle) verwenden Katalysatoren, die eine gewisse Menge an NOx speichern können, und es wurden Motorsteuerungstechnologien entwickelt, um diese NOx-Fallen oder NOx-Adsorber mit kraftstoffeffizienten Motorsteuerungsstrategien zu kombinieren, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern und immer noch annehmbare NOx-Emissionswerte zu erreichen. Eine beispielhafte Strategie umfasst das Verwenden einer Mager-NOx-Falle, um NOx-Emissionen während kraftstoffarmen Betrieben zu speichern, und dann das Entfernen des gespeicherten NOx während kraftstoffreichen Motorbetriebsbedingungen höherer Temperatur mit herkömmlicher Dreiwegekatalyse zu Stickstoff und Wasser. Dieselpartikelfilter (DPF) halten bei Dieselanwendungen Ruß und Partikelmaterial zurück, und das zurückgehaltene Material wird regelmäßig bei Regenerationsvorgängen hoher Temperatur entfernt.
Die Harnstoffeinspritzung in einem Antriebsstrang kann problematisch sein. Das Aufrechterhalten von Speicherung und Nachfüllen von Harnstoff kann schwierig sein. Harnstoff ist dafür anfällig, in üblichen Regionen unter normal schwankenden klimatischen Bedingungen zu gefrieren.
Die DE 698 04 371 T2 offenbart ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Erzeugung von Ammoniak in einem Abgasnachbehandlungsystem zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Darstellung ist, die einen Verbrennungsmotor, ein Steuermodul und ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 schematisch ein beispielhaftes Nachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht, das eine Harnstoffdosierkonfiguration umfasst;
3 graphisch einen beispielhaften Betrieb eines Motors und die resultierende Erzeugung einer Anzahl von chemischen Verbindungen in einem Ammoniak umfassenden Abgasstrom über verschiedene Luft/Kraftstoff-Verhältnisse gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
4 graphisch ein zusätzliches Beispiel eines Betriebs eines Motors und einer resultierenden Erzeugung einer Anzahl von chemischen Verbindungen in einem Ammoniak umfassenden Abgasstrom über verschiedene Luft/Kraftstoff-Verhältnisse gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 eine Tabelle von Probereaktionsgemischen, die in den ersten chemischen Reaktor eingebracht wurden, gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
6 graphisch Ammoniakerzeugungswerte über einen Bereich von Luft/Kraftstoff-Verhältnissen und Reaktionstemperaturen gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
7 graphisch Ammoniakwerte gemäß der vorliegenden Offenbarung, die von einem ersten chemischen Reaktor unter Verwendung eines Standardreaktionsgemisches und abgewandelter Reaktionsgemische erzeugt wurden, gegen Temperatur darstellt;
8 graphisch Ammoniakwerte gemäß der vorliegenden Offenbarung, die von dem ersten chemischen Reaktor unter Verwendung des Standardreaktionsgemisches und eines abgewandelter Reaktionsgemisches erzeugt wurden, gegen Temperatur darstellt;
9 graphisch vier unterschiedliche beispielhafte Motorsteuerstrategien und sich ergebende Motoremissionen unter einer festen Reihe von Betriebsbedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
10 schematisch eine beispielhafte Anordnung von Katalysatoren in einem Nachbehandlungssystem zum Verwirklichen von Erzeugung von Ammoniak zur Verwendung in einer SCR-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
11 graphisch beispielhafte Testergebnisse gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, die die Erzeugung von molekularem Wasserstoff durch eine zweite Einspritzung umfassen;
12 und 13 graphisch beispielhafte Ergebnisse von unterschiedlichem EOI2 bezüglich Wasserstofferzeugung und Wasserstofferzeugung pro inkrementaler Kraftstoffzunahme gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen;
12 eine Wasserstoff- und NO-Erzeugung bei zwei verschieden gemessenen Gesamt-AFR)-Werten zeigt;
13 Wasserstofferzeugung pro inkrementalem Kraftstoffzunahme bei zwei unterschiedlichen AFR-Werten zeigt;
14 graphisch beispielhafte Ergebnisse von Wasserstofferzeugung, NO-Erzeugung und Wasserstofferzeugung pro inkrementalem Kraftstoffzunahme für ein festes Gesamt-AFR über eine sich ändernde zweite Einspritzmenge gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
15 und 16 graphisch beispielhafte Wirkungen von sich änderndem AFR in einer Verbrennung mit einer einzigen Einspritzung bei zwei Motorlasten darstellt, wobei sie die Wirkungen von Motorlast auf Wasserstofferzeugung, NOx, Erzeugung und Wasserstofferzeugung pro inkrementalem Kraftstoffzunahme gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen;
15 abhängig von Motorlast schwankende Wasserstoff- und NOx-Erzeugung darstellt;
16 Wasserstofferzeugung und -schwankung beruhend auf Motorlast darstellt;
17–21 schematisch verschiedene beispielhafte Ausführungsformen zeigen, bei denen hierin beschriebene Katalysatoren in einem Nachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung angeordnet sein können;
17 eine Anordnung von 4 Stufen von Katalysatoren, einschließlich einer Partikelfiltervorrichtung mit Katalysatoren der Stufe 1 und Stufe 2, die an Einlass- bzw. Auslasskanälen des Filters beschichtet sind, darstellt;
18 eine Anordnung von 4 Stufen von Katalysatoren darstellt, wobei Katalysatoren von Stufe 1 und Stufe 2 auf einem einzelnen Element in einer einzelnen Vorrichtung beschichtet sind;
19 eine Anordnung von 4 Stufen von Katalysatoren darstellt, wobei Katalysatoren von Stufe 1 unmittelbar nach und in einer einzelnen Vorrichtung mit einem Partikelfilter angeordnet sind;
20 eine Anordnung ähnlich zu 19 darstellt, mit der Ausnahme, dass sich der Katalysator von Stufe 1 in dem Partikelfilter befindet, zum Beispiel als Oberflächenbeschichtung in der Vorrichtung;
21 eine Anordnung von 4 Stufen von Katalysatoren darstellt, wobei ein Katalysator von Stufe 3, der eine Rolle eines SCR ausübt, in einem Partikelfilter angeordnet ist;
22 schematisch ein beispielhaftes NOx-Modellmodul gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, das in einem Motorsteuermodul genutzt wird und eine Schätzung von NOx-Erzeugung ermittelt;
23 graphisch eine beispielhafte Massenanteilverbrennungskurve gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
24 graphisch gemäß der vorliegenden Offenbarung einen beispielhaften Zylinderdruck während eines Verbrennungsprozesses veranschaulicht, der gegen Kurbelwinkel aufgetragen ist;
25 eine Anzahl von unterschiedlichen, in dem Brennraum schätzbaren Temperaturen gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, die für das Beschreiben des Verbrennungsprozesses wichtig sind;
26 eine graphische Darstellung von beispielhaften modellierten Ergebnissen gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die standardisierte Wirkungen einer Anzahl von Eingaben zu NOx-Emissionen unter einer vorgegebenen Reihe von Bedingungen beschreiben; und
27 schematisch ein beispielhaftes System darstellt, das eine Schätzung von NOx-Erzeugung generiert, wobei es Modelle in einem neuronalen Netz nutzt, um Schätzungen von NOx-Erzeugung zu generieren, und ein dynamisches Modellmodul umfasst, um NOx-Erzeugungsschätzungen bezüglich der Wirkungen von dynamischen Motor- und Fahrzeugbedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung zu kompensieren.
Detaillierte Beschreibung
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte lediglich dem Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht dem Zweck des Beschränkens derselben dient, ist 1 eine schematische Darstellung, die einen Verbrennungsmotor 10 und ein Steuermodul 5 sowie ein Abgasnachbehandlungssystem 15 gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt. Der beispielhafte Motor umfasst einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der an einer Kurbelwelle 24 angebrachte Hubkolben 22 aufweist, die in den Zylindern 20 beweglich sind, die Brennräume 34 veränderlichen Volumens festlegen. Es ist bekannt, dass Motoren unter Kompressionszündung oder Fremdzündung arbeiten. Ferner ist bekannt, dass Verfahren entweder eine Zündstrategie in einem einzigen Motor verwenden, wobei sie die Strategie beruhend auf Faktoren wie Motordrehzahl und -last abwandeln. Ferner ist bekannt, dass Motoren in Hybridstrategien arbeiten, beispielsweise Kompressionszündungsstrategien mit Zündhilfe. Diese Offenbarung soll diese beispielhaften Ausführungsformen von Motorbetrieb einschließen, soll aber nicht darauf beschränkt sein. Die Kurbelwelle 24 ist an einem Fahrzeuggetriebe und Antriebssystem funktionell angebracht, um diesem als Reaktion auf eine Drehmomentforderung des Fahrers (T_{O_REQ}) Zugdrehmoment zu liefern. Der Motor nutzt vorzugsweise einen Viertaktbetrieb, wobei jeder Motorverbrennungszyklus 720 Grad Winkeldrehung der Kurbelwelle 24, unterteilt in vier Stufen zu 180 Grad von Ansaugen-Verdichten-Arbeiten-Auslassen umfasst, die die Hubbewegung des Kolbens 22 in dem Motorzylinder 20 beschreiben. Ein Messzahnrad 26 mit mehreren Zähnen ist an der Kurbelwelle angebracht und dreht mit dieser.
Der Motor umfasst Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen von Motorbetrieb und Aktuatoren, die Motorbetrieb steuern. Die Erfassungsvorrichtungen und Aktuatoren sind mit dem Steuermodul 5 signalverbunden oder funktionell verbunden.
Der Motor umfasst vorzugsweise einen Viertaktverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der einen Brennraum veränderlichen Volumens, der durch den sich in dem Zylinder zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt hin- und herbewegenden Kolben festgelegt ist, und einen Zylinderkopf, der ein Einlassventil und ein Auslassventil umfasst, enthält. Der Kolben bewegt sich in sich wiederholenden Zyklen hin und her, wobei jeder Zyklus Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Auspufftakt umfasst.
Der Motor weist vorzugsweise ein Luft/Kraftstoff-Betriebsmodell auf, das vorrangig überstöchiometrisch ist. Ein Durchschnittsfachmann versteht, dass Aspekte der Erfindung auf andere Motorkonfigurationen anwendbar sind, die vorrangig überstöchiometrisch arbeiten, z. B. Magermotoren mit Fremdzündung. Während eines normalen Betriebs des Kompressionszündungsmotors erfolgt ein Verbrennungsvorgang während jedes Motorzyklus, wenn eine Kraftstoffladung in den Brennraum eingespritzt wird, um mit der Ansaugluft die Zylinderladung zu bilden. Die Ladung wird anschließend durch die Wirkung der Verdichtung derselben oder mit dem Auslösen eines Zündfunkens von einer Zündkerze während des Verdichtungstakts verbrannt.
Der Motor ist derart ausgelegt, um über einem breiten Bereich von Temperaturen, Zylinderladung (Luft, Kraftstoff und AGR) und Einspritzvorgängen zu arbeiten. Die hierin beschriebenen Verfahren sind insbesondere für einen Betrieb mit Direkteinspritzmotoren, die überstöchiometrisch arbeiten, geeignet, um Parameter zu ermitteln, die Wärmefreisetzung in jedem der Brennräume während laufenden Betriebs zu korrelieren. Die hierin festgelegten Verfahren sind auf mehrere Motorkonfigurationen anwendbar, einschließlich Fremdzündungsmotoren, Kompressionszündungsmotoren, einschließlich solcher, die derart ausgelegt sind, um homogene Kompressionszündungsstrategien (HCCI, kurz vom eng. Homogeneous Charge Compression Ignition) zu verwenden. Die Verfahren sind auf Systeme anwendbar, die mehrere Kraftstoffeinspritzvorgänge pro Zylinder pro Motorzyklus verwenden, z. B. ein System, das eine Piloteinspritzung für Kraftstoffreformieren, einen Haupteinspritzvorgang für Motorleistung und ggf. eine Nachverbrennungskraftstoffeinspritzung, einen Spätverbrennungskraftstoffeinspritzvorgang für Nachbehandlungssteuerung nutzt, wobei alle derselben Zylinderdruck beeinflussen.
Erfassungsvorrichtungen sind an oder nahe dem Motor eingebaut, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und Signale zu erzeugen, die mit Motor- und Umgebungsbedingungen korrelierbar sind. Die Erfassungsvorrichtungen umfassen einen Kurbelwellendrehungssensor, der einen Kurbelwellenwinkelgeber 44 zum Überwachen von Kurbelwellendrehzahl (U/min) durch Erfassungskanten an den Zähnen des mehrzähnigen Messzahnrads 26 umfasst. Der Kurbelwellensensor ist bekannt und kann z. B. einen Hallgeber, einen induktiven Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfassen. Der Signalausgang von dem Kurbelwellenwinkelgeber 44 (U/min) wird zu dem Steuermodul 5 eingegeben. Dort gibt es einen Verbrennungsdrucksensor 30, der eine Druckerfassungsvorrichtung umfasst, die derart ausgelegt ist, um Druck im Zylinder (COMB_PR) zu überwachen. Der Verbrennungsdrucksensor 30 umfasst vorzugsweise eine nicht intrusive Vorrichtung, die einen Kraftwandler mit einem ringförmigen Querschnitt umfasst, der derart ausgelegt ist, um an einer Öffnung für eine Glühkerze 28 in den Zylinderkopf eingebaut zu werden. Der Verbrennungsdrucksensor 30 wird zusammen mit der Glühkerze 28 eingebaut, wobei Verbrennungsdruck mechanisch durch die Glühkerze zu dem Sensor 30 übertragen wird. Das Ausgangssignal COM_PR des Erfassungselements des Sensors 30 ist proportional zu Zylinderdruck. Das Erfassungselement des Sensors 30 umfasst eine piezokeramische oder andere Vorrichtung, die als solche auslegbar ist. Andere Erfassungsvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen Krümmerdrucksensor zum Überwachen von Krümmerdruck (MAP) und Umgebungsluftdruck (BARO), einen Luftmengenmesser zum Überwachen von Ansaugluftstrom (MAF) und Ansauglufttemperatur (T_IN) und einen Kühlmittelsensor 35 (COOLANT). Das System kann einen (nicht gezeigten) Abgassensor zum Überwachen von Zuständen eines oder mehrerer Abgasparameter, z. B. Temperatur, Luft/Kraftstoff-Verhältnis und Bestandteile, umfassen. Ein Durchschnittsfachmann versteht, dass es andere Erfassungsvorrichtungen und Verfahren für die Zwecke von Steuerung und Diagnose geben kann. Die Fahrereingabe in Form der Fahrerdrehmomentforderung T_{O_REQ} wird typischerweise unter anderen Vorrichtungen durch ein Gaspedal und ein Bremspedal erhalten. Der Motor ist vorzugsweise mit anderen (nicht gezeigten) Sensoren zum Überwachen von Betrieb und für Zwecke der Systemsteuerung ausgestattet. Jede der Erfassungsvorrichtungen ist mit dem Steuermodul 5 signalverbunden, um Signalinformationen zu liefern, die durch das Steuermodul in Informationen umgewandelt werden, die für den jeweiligen überwachten Parameter repräsentativ sind. Es versteht sich, dass diese Konfiguration veranschaulichend, nicht einschränkend ist, wobei sie einschließt, dass die verschiedenen Erfassungsvorrichtungen mit funktionell gleichwertigen Vorrichtungen und Algorithmen austauschbar sind und immer noch in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
Die Aktuatoren sind an dem Motor eingebaut und werden von dem Steuermodul 5 als Reaktion auf Fahrereingaben gesteuert, um verschiedene Leistungsziele zu erreichen. Aktuatoren umfassen eine elektronisch gesteuerte Drosselvorrichtung, die Drosselklappenöffnen zu einer befohlenen Eingabe (ETC) steuert, und mehrere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 12 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in jeden der Brennräume als Reaktion auf eine befohlene Eingabe (INJ_PW), die alle als Reaktion auf die Fahrerdrehmomentforderung (T_{O_REQ}) gesteuert werden. Es gibt ein Abgasrückführungsventil 32 und einen (nicht gezeigten) Kühler, der das Strömen von außen rückgeführtem Abgas zu dem Motoreinlass als Reaktion auf ein Steuersignal (AGR) von dem Steuermodul steuert. Die Glühkerze 28 umfasst eine bekannte Vorrichtung, die in jedem der Brennräume eingebaut ist, die zur Verwendung mit dem Verbrennungsdrucksensor 30 ausgelegt ist.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 12 ist ein Element eines Kraftstoffeinspritzsystems, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtungen umfasst, die jeweils derart ausgelegt sind, um eine Kraftstoffladung, die eine Kraftstoffmasse umfasst, in einen der Brennräume als Reaktion auf das Befehlssignal INJ_PW von dem Steuermodul direkt einzuspritzen. Jede der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 12 wird mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff von einem (nicht gezeigten) Kraftstoffverteilersystem versorgt und weist Betriebseigenschaften auf, die eine Mindestpulsweite und einen zugeordneten steuerbaren Mindestkraftstoffdurchfluss und einen maximalen Kraftstoffdurchfluss umfassen.
Der Motor kann mit einem steuerbaren Ventiltrieb ausgestattet sein, der dazu dient, das Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen jedes der Zylinder, einschließlich eines oder mehrere von Ventilsteuerzeiten, Phaseneinstellung (d. h. zeitliche Steuerung im Verhältnis zu Kurbelwinkel und Kolbenstellung) und Größenordnung von Hub des Ventilöffnens, anzupassen. Ein beispielhaftes System umfasst veränderliche Nockenphaseneinstellung, die auf Kompressionszündungsmotoren, Fremdzündungsmotoren und homogene Kompressionszündungsmotoren anwendbar ist.
Das Steuermodul 5 ist vorzugsweise ein digitaler Universalrechner, der im Allgemeinen einen Mikroprozessor oder einen Hauptprozessor, Speichermedien, die einen nicht flüchtigen Speicher einschließlich Festspeicher (ROM) und elektrisch programmierbaren Festspeicher (EPROM) umfassen, Arbeitsspeicher (RAM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgenerator, einen Analog-Digital(A/D)-Schaltkreis und Digital-Analog(D/A)-Schaltkreis sowie Eingangs-/Ausgangsschaltkreise und -vorrichtungen (E/A) und geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltkreise umfasst. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, wobei es residente Programmbefehle und Kalibrierungen umfasst, die in dem nicht flüchtigen Speicher gespeichert sind und zum Vorsehen der erwünschten Funktionen ausgeführt werden. Die Algorithmen werden typischerweise während vorab festgelegten Schleifendurchläufe ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal pro Schleifendurchlauf ausgeführt wird. Algorithmen werden von dem Hauptprozessor ausgeführt und dienen zum Überwachen von Eingaben von den vorstehend erwähnten Erfassungsvorrichtungen und zum Ausführen von Steuer- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs der Aktuatoren unter Verwendet von vorab festgelegten Kalibrierungen. Schleifendurchläufe werden typischerweise bei regelmäßigen Abständen, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden, während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs durchgeführt. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die vorstehend erwähnten Aktuatoren zu steuern, um den Motorbetrieb, einschließlich Drosselklappenstellung, Kraftstoffeinspritzmasse und -zeiten, AGR-Ventilstellung zum Steuern des Strömens von rückgeführten Abgasen, Glühkerzenbetrieb und Steuerung von Einlass- und/oder Auslassventilzeiten, Phaseneinstellung und Hub, an derart ausgestatteten Systemen zu steuern. Das Steuermodul ist derart ausgelegt, um Eingabesignale von dem Fahrer (z. B. eine Gaspedalstellung und eine Bremspedalstellung) zum Ermitteln der Fahrerdrehmomentforderung T_{O_REQ} und von den Sensoren, die die Motordrehzahl (U/min) und Ansauglufttemperatur (T_IN) sowie Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen anzeigen, zu empfangen.
1 beschreibt einen beispielhaften Benzinmotor. Es versteht sich aber, dass NOx-Behandlungs- und Nachbehandlungssysteme bei anderen Motorkonfigurationen, einschließlich Dieselmotoren, verwendet werden, und die Offenbarung soll nicht auf die hierin beschriebene spezifische beispielhafte Motorausführungsform beschränkt sein.
2 veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes Nachbehandlungssystem, das eine Harnstoffdosierkonfiguration umfasst, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Nachbehandlungssystem 200 umfasst ein Steuermodul 205, einen DOC 210, eine SCR 220, einen stromaufwärts befindlichen NOx-Sensor 230, einen stromabwärts befindlichen NOx-Sensor 240, einen Temperatursensor 250 und ein Harnstoffdosiermodul 260. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, übernimmt ein DOC 210 eine Reihe von katalytischen Funktionen, die für eine Nachbehandlung eines Abgasstroms erforderlich sind. Eine der Funktionen des DOC 210 ist das Umwandeln von NO, einer NOx-Spezies, die in einer SCR nicht einfach zu behandeln ist, zu NO₂, einer NOx-Spezies, die in einer SCR leicht zu behandeln ist. Die SCR 220 nutzt Harnstoff als Reaktant, um NOx zu anderen Molekülen zu reduzieren. Der stromaufwärts befindliche NOx-Sensor 230 detektiert und quantifiziert NOx in dem Abgasstrom, der in das Nachbehandlungssystem 200 strömt. Während der stromaufwärts befindliche NOx-Sensor 230 als beispielhaftes Mittel zum Quantifizieren von NOx, das in das Nachbehandlungssystem strömt, veranschaulicht ist, ist anzumerken, dass in das System eindringendes NOx zur Verwendung bei der Beurteilung des Umwandlungswirkungsgrads in einer SCR durch andere Mittel quantifiziert werden kann, zum Beispiel durch einen zwischen dem DOC 210 und der SCR 220 angeordneten NOx-Sensor oder durch einen virtuellen NOx-Sensor, der Motorleistung und Bedingungen in dem Abgasstrom modelliert, um das Vorhandensein eines in das Nachbehandlungssystem eindringenden NOx zu schätzen. Diese Offenbarung erläutert im Allgemeinen einen Sensoreingabe, die in das Nachbehandlungssystem eindringendes NOx beschreibt, gemäß der beispielhaften Ausführungsform, doch versteht sich, dass abhängig von einer stromaufwärts befindlichen Anordnung des Sensors die Eingabe tatsächlich den NOx-Gehalt beschreiben könnte, der in einen Teil des Nachbehandlungssystems eindringt. Die SCR 220 nutzt Ammoniak, das zum Beispiel aus eingespritztem Harnstoff gewonnen wird, um NOx durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren in andere Moleküle umzuwandeln. Es ist ein Temperatursensor 250 abgebildet, der in einem Bereich positioniert ist, um Abgasstromtemperaturen in dem Nachbehandlungssystem 200 zu erfassen. Ein Harnstoffdosiermodul 260 ist an einer Position stromaufwärts der SCR 220 abgebildet. Der Harnstoff kann direkt in den Abgasstrom, der in die SCR eindringt, eingespritzt werden. Es wird aber ein bevorzugtes Verfahren dargestellt, das eine Mischvorrichtung 270 nutzt. Das Harnstoffdosiermodul 260 spritzt Harnstoff auf die Mischvorrichtung 270, und dann wird der Harnstoff durch den Abgasstrom in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung auf die Katalysatorflächen auf dem Inneren der SCR 220 befördert. Der stromabwärts befindliche NOx-Sensor 240 detektiert und quantifiziert NOx in dem Abgasstrom, der aus dem Nachbehandlungssystem 200 austritt. Das Steuermodul 205 umfasst Programmierung, die zum Verarbeiten von Eingaben in Verbindung mit dem Nachbehandlungssystem erforderlich sind, und kann Programmierung umfassen, um die hierin beschriebenen Verfahren zu verwenden.
Ammoniak als Reduktionsmittel kann wie vorstehend beschrieben durch Einspritzung von Harnstoff in das Nachbehandlungssystem eingebracht werden. Das Speichern und Beibehalten von ausreichenden Harnstoffwerten in einem mobilen oder verbrauchereigenen Antriebsstrang kann aber problematisch sein. Ein Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass Ammoniak ein bekanntes Nebenprodukt der Verbrennung und des Nachbehandlungsprozesses ist. Bekannte Verfahren optimieren den Verbrennungsprozess und die Verwendung von Nachbehandlungsvorrichtungen, um das Vorkommen von Ammoniak zu verringern, um nicht eine andere Substanz entstehen zu lassen, die umgewandelt werden muss. Es wird ein Verfahren offenbart, um stattdessen das Arbeiten des Verbrennungszyklus selektiv abzuschwächen und Nachbehandlungsvorrichtungen zu verwenden, die für das regelmäßige Erzeugen von Ammoniak in einem Ammoniakerzeugungszyklus förderlich sind, und dieses Ammoniak für anschließende NOx-Umwandlung zu speichern.
Ammoniak kann in einer Katalysatorvorrichtung, beispielsweise einer TWC-Vorrichtung, erzeugt werden. Ein solches Erzeugen von Ammoniak (NH₃) ergibt sich aus einem beispielhaften Umwandlungsprozess, der durch die folgende Gleichung beschrieben wird. NO + CO + 1,5H₂ → NH₃ + CO₂ [1]
Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass diese Umwandlung erfordert, dass molekularer Sauerstoff von dem Katalysator abgebaut wird, bevor NO mit dem molekularen Wasserstoff reagiert. Überschüssiger Sauerstoff ist häufig vorhanden, wenn der Verbrennungsmotor in mageren Betriebsmodi betrieben wird, wobei das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (AFR) überstöchiometrisch oder mit Luftüberschuss betrieben wird. Dadurch erfordert das Verwenden eines wählbaren Ammoniakerzeugungszyklus die Steuerung von AFR auf einen Wert, der ermittlungsgemäß Sauerstoff in dem Abgasstrom abbaut. Weiterhin erleichtern die Wahl eines AFR in den stöchiometrischen und fetten Betriebsbereich weiterhin die Erzeugung von Ammoniak, zum Beispiel durch Erzeugen von NO und H₂ in geeigneten Mengen. In der vorstehenden beispielhaften Gleichung ist ein ideales Verhältnis von 1,5 zu eins offensichtlich. Beruhend auf dem Umfeld, das durch den Katalysator und andere Reaktionen vorgesehen wird, die in der Nachbehandlungsvorrichtung auftreten, kann aber ein anderes tatsächliches Verhältnis eine optimale Produktion von Ammoniak bewirken. Es wurde ermittelt, dass ein beispielhafter Testwert, der einen bestimmten beispielhaften Katalysator nutzt, bei einem Verhältnis zwischen drei und fünf Wasserstoffmolekülen zu einem NO-Molekül optimal wirkt. Die Wahl eines Katalysators, der niedrigere Verhältnisse von Wasserstoff zu NO ermöglicht, sind bevorzugt, da der Wasserstoffbedarf direkt mit einer Menge an Kraftstoff in Verbindung steht, die aufgebraucht werden muss, um eine Ammoniakerzeugung zu ermöglichen. Eine Kalibrierung gemäß Testergebnissen oder eine Modellierung gemäß Verfahren, die ausreichen, um das Arbeiten des Verbrennungszyklus und der Nachbehandlungsprozesse und Umwandlungen genau zu schätzen, kann genutzt werden, um ein AFR zu wählen, das zum Steuern eines Ammoniakerzeugungszyklus hilfreich ist. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass CO-Vorhandensein ebenfalls berücksichtigt werden muss, um die vorstehend beschriebene Reaktion zu fördern.
Der Ablauf eines Ammoniakerzeugungszyklus kann gemäß einer Anzahl von. Faktoren gesteuert oder gewählt werden, die die Ammoniaknutzung in der SCR-Vorrichtung beeinflussen, einschließlich geschätzte Ammoniakspeicherung an dem Katalysator, geschätzter oder detektierter Ammoniakschlupf, geschätzter oder detektierter NOx-Durchbruch an der SCR-Vorrichtung vorbei und Motorbetrieb, der für das Arbeiten in einem Ammoniakerzeugungszyklus förderlich ist. Das Überwachen dieser Faktoren kann durch Überwachen einer Anzahl von Eingaben, einschließlich Motorbetrieb, Abgaseigenschaften und NOx-Umwandlungswirkungsgrad in der SCR-Vorrichtung, verwirklicht werden. Es hat sich gezeigt, dass Zeiträume von Motorbeschleunigung normalerweise höhere Werte von NOx und Wasserstofferzeugung sowie ein AFR näher zu stöchiometrisch umfassen. Solche Zeiträume, die für Ammoniakerzeugung förderlich sind, können genutzt werden, um ein intrusives Arbeiten eines Ammoniakerzeugungszyklus unter weniger förderlichem Motorbetrieb zu minimieren. Die Länge des Arbeitens eines Ammoniakerzeugungszyldus schwangt abhängig von der erforderlichen Ammoniakerzeugung, den Einzelheiten des eingesetzten Systems und dem jeweiligen Betrieb des Motors.
Molekulare Wasserstofferzeugung, die für die Erzeugung von Ammoniak erforderlich ist, kann während des Verbrennungsprozesses in dem Motor auftreten. Die Verbrennung in einem AFR-reichen Umfeld, in dem molekularer Sauerstoff knapp ist, pflegt erhöhte Werte molekularen Wasserstoffs zu erzeugen. Die Wasserstofferzeugung kann infolge eines Verbrennungszyklus mit einer einzigen Einspritzung erfolgen, wobei sich die Wasserstoffentstehung aus einem primären Verbrennungsvorgang ergibt, der dem Motor Arbeitsleistung liefert.
3 veranschaulicht graphisch einen beispielhaften Betrieb eines Motors und die sich ergebende Entstehung einer Anzahl von chemischen Verbindungen in einem Ammoniak umfassenden Abgasstrom über verschiedene Luft/Kraftstoff-Verhältnisse während eines Verbrennungszyklus mit einer einzigen Einspritzung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die beispielhaften Testergebnisse stellen den Betrieb eines Motors an einem Leistungsprüfstand dar, der fremdgezündete Magerverbrennung mit Direkteinspritzung nutzt und der bei einer Drehzahl, von 2000 U/min und einer Last von 2 bar läuft. Wie vorstehend beschrieben ändert das Ändern von AFR die chemische Zusammensetzung des Abgasstroms. Es ist bekannt, dass stöchiometrischer Betrieb in Benzinmotoren bei einem AFR von etwa 14,7 zu eins auftritt. AFR-Werte von mehr als 14,7 beschreiben einen mageren Betrieb oder einen Betrieb mit Luftüberschuss. AFR-Werte von unter 14,7 beschreiben einen fetten Betrieb oder einen Betrieb mit Kraftstoffüberschuss. In dem beispielhaften Datensatz von 3 ist gezeigt, dass aus dem Motor austretendes NOx mit abnehmendem AFR abnimmt, und es ist gezeigt, dass aus dem Motor austretendes H₂ mit abnehmenden AFR zunimmt. Es wird gezeigt, dass das sich ergebende Vorliegen von aus dem TWC austretendem NH₃ zunächst zunimmt, bei einem beispielhaften Wert von etwa 14,2 einen Spitzenwert erreicht und anschließend mit abnehmendem AFR abnimmt. Dadurch kann in der beispielhaften Konfiguration, die den bestimmten Katalysator umfasst, der beim Generieren des in 3 dargestellten Datensatzes genutzt wird, ein Ammoniakentstehungszyklus am besten bei einem AFR gleich 14,2 betrieben werden. Wie aber vorstehend beschrieben können andere Konfigurationen und insbesondere andere Katalysatoren das Verhältnis von Wasserstoff und NOx ädern, um Ammoniakerzeugung am besten zu fördern. Dadurch kann das gewählte AFR von dem in dem vorstehenden Beispiel gegebenen Wert von 14,2 abweichen.
4 veranschaulicht graphisch ein weiteres Beispiel eines Betriebs eines Motors und der sich ergebenden Entstehung einer Anzahl von chemischen Verbindungen in einem Ammoniak umfassenden Abgasstrom über verschiedene Luft/Kraftstoff-Verhältnisse während eines Verbrennungszyklus mit einer einzigen Einspritzung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die beispielhaften Testergebnisse stellen den Betrieb eines Motors an einem Leistungsprüfstand dar, der fremdgezündete Magerverbrennung mit Direkteinspritzung nutzt und der bei einer Drehzahl von 1500 U/min und einer Last von 1 bar läuft. Wie vorstehend in Verbindung mit 3 beschrieben stellt 4 Ammoniakerzeugung über einen Bereich von AFR-Werten dar. Die Ammoniakerzeugung erreicht bei einem bestimmten AFR-Wert wieder einen Spitzenwert und wird zum Teil durch Vorhandensein von molekularem Wasserstoff und NOx gesteuert. In den beispielhaften Testergebnissen von 4 tritt der Spitzenwert der Ammoniakerzeugung bei einem AFR-Wert von etwa 14,2 auf. Dieser Wert ist wie vorstehend beschrieben von den Eigenschaften des genutzten Katalysators abhängig.
5–8 veranschaulichen graphisch Testergebnisse unter Nutzung einer einzelnen Einspirtzung, um Ammoniak zu bilden, und stellen Reaktanden dar, die zu einem ersten chemischen Reaktor eingeleitet werden, der einen ersten TWC-Brick und einen zweiten TWC-Brick umfasst, die ausgelegt sind, um TWC-Vorrichtungen in einem Fahrzeugabgasstrom zu simulieren. 5 zeigt eine Tabelle von Probenreaktionsgemischen gemäß der vorliegenden Offenbarung, die in den ersten chemischen Reaktor eingeleitet wurden. Jedes Probenreaktionsgemisch umfasst Werte von Bestandteilgasen, die beruhend auf Motormodellen ermittelt werden, die Abgaszusammensetzungen bei ausgewählten Luft/Kraftstoff-Verhältnissen des Motors simulieren. Das ideale durchschnittliche Verhältnis (Ideales durchschnittliches A/F) ist das angestrebte Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors, das Abgaszusammensetzungen erzeugen würde, die mit den auf den Motormodellen beruhenden Probenreaktionsgemischen korrelieren.
Das berechnete durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis (Berechnetes durchschnittliches A/F) ist das erreichte modellierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis beruhend auf den tatsächlichen Reaktandenmessungen. Das berechnete durchschnittliche Lambda (Berechnetes durchschnittliches Lambda) ist der Lambda-Wert für das berechnete durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Die Mengen an Sauerstoff (% O₂), Kohlenmonoxid (% CO), Wasserstoff (% H₂), Kohlendioxid (% CO₂), Wasser (% H₂O) Kohlenwasserstoffen (ppm HC) und Stickoxid (% NO), die in jedem Probenreaktionsgemisch enthalten sind, wurden gemessen. Weiterhin umfasst jedes Probenreaktionsgemisch einen Schwefeldioxidwert (SO₂) von 2,7 ppm.
6 stellt graphisch Ammoniakerzeugungswerte über einen Bereich von Luft/Kraftstoff-Verhältnissen und Reaktionstemperaturen gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Der Graph stellt Ammoniakwerte (NH₃) (ppm)) dar, die durch den ersten chemischen Reaktor bei angestrebten Luft/Kraftstoff-Verhältnissen (A/F-Verhältnis (+/–0,25 A/F) und bei Reaktionstemperaturen von 300 C, 400 C, 500 C und 600 C erzeugt werden. Bei jeder Reaktionstemperatur wurden die höchsten Ammoniakwerte bei dem angestrebten Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14,2 erzeugt und sinkt im Allgemeinen, wenn das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis zunimmt. Weiterhin sinken Ammoniakwerte mit steigender Reaktionstemperatur von 300 C bis 600 C bei dem angestrebten Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14,2.
7 stellt graphisch Ammoniakwerte (NH₃ (ppm)), die durch den ersten chemischen Reaktor unter Nutzung eines Standardreaktionsgemisches (STD = m. H₂O, m. H₂, m. HC, m. CO m. O₂) und eines abgewandelten Reaktionsgemisches erzeugt wurden, gegen Temperatur (Temperatur C) gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Das Standardreaktionsgemisch umfasst Wasser, Wasserstoff, Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Sauerstoff in den Mengen, die für das Probenreaktionsgemisch mit einem angestrebten Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14, 2 in der Tabelle von 5 aufgeführt sind, dar. Die abgewandelten Reaktionsgemische enthalten ein Probenreaktionsgemisch, das Bestandteilmengen des Standardreaktionsgemisches, doch ohne Wasser (o. H₂O) umfasst, ein Probenreaktionsgemisch, das Bestandteilmengen des Standardreaktionsgemisches umfasst, doch mit erhöhten Werten von Kohlenmonoxid anstelle von Wasserstoff (o. H₂ (CO anpassen)), und ein Probenreaktionsgemisch, das Bestandteilmengen des Standardgemisches umfasst, doch mit erhöhten Werten von Sauerstoff anstelle von Wasserstoff (o. H₂ (O₂ anpassen)).
8 stellt graphisch Ammoniakwerte (NH₃ (ppm)), die durch den ersten chemischen Reaktor unter Nutzung des Standardreaktionsgemisches (STD = m. H₂O, m. H₂, m. HC, m. CO m. O₂) und eines abgewandelten Reaktionsgemisches erzeugt wurden, gegen Temperatur (Temperatur C) gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Das Standardreaktionsgemisch umfasst Wasser, Wasserstoff, Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Sauerstoff in den Mengen, die für das Probenreaktionsgemisch mit einem angestrebten Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14,2 in der Tabelle von 5 aufgeführt sind, dar. Die abgewandelten Reaktionsgemische enthalten ein Probenreaktionsgemisch, das Bestandteilmengen des Standardreaktionsgemisches, doch mit Sauerstoff anstelle einer Hälfte der Menge von Kohlenwasserstoff (m. ½HC (O₂ anpassen)) umfasst. 8 stellt weiterhin Ammoniak dar, das durch einen zweiten chemischen Reaktor unter Nutzung des Standardreaktionsgemisches (nur 1. Brick) erzeugt wurde, wobei der zweite Reaktor nur einen ersten TWC-Brick ohne zusätzliche TWC-Bricks umfasst.
Sowohl Wasserstofferzeugung als auch NOx-Erzeugung in einem Verbrennungszyklus mit Einzeleinspritzung können auf unterschiedliche Weise moduliert werden. 9 veranschaulicht graphisch vier unterschiedliche beispielhafte Motorsteuerstrategien und sich ergebende Motoremissionen unter einer festen Reihe von Betriebsbedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung. Alle Tests wurden in einer Einzelmotorkonfiguration durchgeführt, die bei 1000 U/min und Motorlast von 3 bar arbeitet. Eine erste Motorsteuerstrategie, die als Baseline-Datensatz festgelegt ist, umfasst Betrieb mit einer Standardventilstrategie (95/–95 (IMOP/EMOP)), 31% AGR und einem AFR von 22:1. Eine zweite Motorsteuerstrategie, die als Datensatz mit hohem Ventilüberschneiden (HVO, kurz vom engl. High Valve Overlap) festgelegt ist, umfasst Betrieb mit einer abgewandelten Ventilstrategie (95/–80 (IMOP/EMOP)), die einen Zeitraum umfasst, in dem sowohl ein Einlassventil als auch ein Auslassventil offen sind, ein Zustand, der aus dem Stand der Technik als innere AGR bekannt ist, und ein AFR von 14:1. Beispielhafte Strategien mit hoher Ventilüberschneidung umfassen im Wesentlichen symmetrisches Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventil um einen Kurbelwinkel am oberen Totpunkt. Eine dritte Motorsteuerstrategie, die als Datensatz mit spätem Einlassventilschließen (LIVC, kurz vom engl. Late Intake Valve Close) festgelegt ist, umfasst Betrieb mit einer abgewandelten Ventilstrategie (140/–80 (IMOP/EMOP)), die das Offenhalten eines Einlassventils über längere Dauer als bei der Standardventilstrategie und ein AFR von 14:1 umfasst. Eine vierte Motorsteuerstrategie, die als 14:1 m. AGR festgelegt ist, umfasst Betrieb mit einer Standardventilstrategie (95/–95 (IMOP/EMOP)), 24% AGR und einem AFR von 14:1. Wie in den Daten offensichtlich ist, kann eine Anpassung des AFR und anderer Betriebsbedingungen molekularen Wasserstoff auf hohe Werte über Werte anheben, die in dem Baseline-Datensatz vorhanden sind. Zudem umfassen eine Anpassung der Ventilstrategien und AGR-Raten eine Wirkung auf NOx-Werte. Wie aber in den Datensätzen und bei Prüfung von 3 und 4 offensichtlich ist, umfasst eine erhöhte Wasserstofferzeugung durch Einzeleinspritzung bei niedrigeren AFR-Werten eine Beschränkung der NOx-Erzeugen, und NO-Werte können nicht bei den Werten vorliegen, die erforderlich sind, um die in Gleichung 1 beschriebene Reaktion zu unterstützen.
Es ist bekannt, dass Motoren, die Direkteinspritzung verwenden, Verfahren zum Einspritzen präziser Mengen an Kraftstoff in den Brennraum zu ausgewählten Zeiten des Verbrennungszyklus durch ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Direkteinspritzung umfassen. Bei einem anderen beispielhaften Verfahren zum Steuern von Motoremissionen kann eine geteilte Einspritzung genutzt werden, bei der eine erste Einspritzung gemäß stöchiometrischem oder vorzugsweise magerem Betrieb im Einklang mit erhöhter Erzeugung von NOx ausgeführt wird und eine zweite Einspritzung später im Verbrennungszyklus, vorzugsweise nach dem primären Verbrennungsvorgang, ausgeführt wird, wobei Kraftstoff in dem Brennraum reformiert wird, was das gesamte AFR in den stöchiometrischen oder fetten Bereich bringt, der zum Erzeugen von molekularem Wasserstoff erforderlich ist. Weiterhin wurde festgestellt, dass das AFR-Verhältnis der ersten Einspritzung die NOx-Erzeugung in dem Verbrennungszyklus zu steuern pflegt und die anschließende Reformierung von Kraftstoff nach Erzeugen von NOx zum Beispiel durch die zweite Einspritzung die Erzeugung von molekularem Wasserstoff zu steuern pflegt. Dieses beispielhafte Verfahren kann als Spätverbrennungskohlenwasserstoffreformierung beschrieben werden. Bei einer zusätzlichen oder alternativen Strategie kann in dem Motor eine zweite Einspritzung genutzt werden, nachdem die Verbrennung im Wesentlichen beendet ist, oder es kann Einspritzung direkt in den Abgasstrom genutzt werden. Diese Nachverbrennungseinspritzung kann dann an einem Katalysator reformiert werden, um Wasserstoff zu bilden. Analog zur Spätverbrennungskohlenwasserstoffreformierung kann Kraftstoff, der nach Erzeugen von NOx in der frühen Verbrennung aus der ersten Einspritzung eingespritzt wird und an dem Katalysator reformiert wird, genutzt werden, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen. Dieses beispielhafte Verfahren kann als Nachverbrennungskohlenwasserstoffreformierung beschrieben werden. Tests bestätigen, dass das sich aus der ersten Einspritzung in jedem Verfahren ergebende AFR von dem Gesamt-AFR unabhängig ist, das sich aus der Summe beider Einspritzungen bei der sich ergebenden NOx- und Wasserstofferzeugung ergibt. Eine Spät- oder Nachverbrennungskohlenwasserstoffreformierung kann als isoliertes Verfahren, zum Beispiel gesteuert durch die Zeiten der zweiten Einspritzung und einen Zustand des Brennraums, der durch den Zustand des Auslassventils festgelegt wird, verwendet werden. Zudem kann eine Mischung der beiden Verfahren genutzt werden, wobei eine teilweise Reformierung der Kohlenwasserstoffe in dem Brennraum stattfinden kann und kohlenwasserstoffreiches Abgas, das durch das Auslassventil austritt, zusätzlich nach Verbrennung an einem Katalysator reformiert werden kann. Bei jeder Strategie hängt der Wirkungsgrad der Wasserstofferzeugung bei einer bestimmten Kohlenwasserstoffladung stark von Motorbetriebsbedingungen, Abgaseigenschaften, Katalysatortemperatur und anderen Faktoren ab. Durch diese Verfahren kann ein kalibriertes AFR in einem primären Verbrennungsvorgang genutzt werden, um NOx-Rohemissionen zu steuern, und das Gesamt-AFR einschließlich Einspritzung nach primärer Verbrennung kann genutzt werden, um Wasserstofferzeugung zu steuern. Während in den vorstehenden Verfahren zwei Einspritzungen beschrieben sind, versteht sich, dass mehrere Einspritzungen in den Einspritzungen der frühen Verbrennung oder Spät- oder Nachverbrennung verwendet werden können, und dass die Zeiten der mehreren Einspritzungen steuern, ob die jeweilige Einspritzung zu NOx-Erzeugung oder Wasserstofferzeugung beiträgt.
Eine Spätverbrennungskohlenwasserstoffreformierung erfordert eine Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum. Eine Nachverbrennungskohlenwasserstoffreformierung kann durch Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum verwirklicht werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Nachverbrennungskohlenwasserstoffreformierung durch Kraftstoffeinspritzung direkt in das Nachbehandlungssystem, zum Beispiel in den Abgasstrom zwischen dem Brennraum und dem Wasserstoff bildenden Katalysator oder direkt auf den Wasserstoff bildenden Katalysator, verwirklicht werden. Im Kontext von Kraftstoffeinspritzungen direkt in das Nachbehandlungssystem wird das AFR in dem Brennraum von den Kraftstoffeinspritzungen in das Nachbehandlungssystem nicht beeinflusst, doch das Gesamt-AFR, das eine Fähigkeit beschreibt, Wasserstoff auf dem Wasserstoff bildenden Katalysator zu erzeugen, bleibt eine Funktion des gesamten Kraftstoffs, der sowohl in den Brennraum als auch direkt in den Abgasstrom eingespritzt wird.
Das Reformieren von Kohlenwasserstoffen an einem Katalysator ist exotherm und kann erhebliche Wärme erzeugen. Die Temperatur des Katalysators wird vorzugsweise überwacht oder geschätzt, um den Katalysator vor einer Übertemperaturbedingung zu schützen. Ein beispielhaftes Verfahren kann beruhend auf relevanten Parametern, die vorzugsweise Katalysatortemperatur umfassen, zwischen Einspritzung in den Verbrennungszyklus und Einspritzung nach dem Verbrennungszyklus wechseln. Dieser Katalysator zum Bilden von Wasserstoff ist stromaufwärts des Katalysators, der zum Bilden von Ammoniak genutzt wird, angeordnet, kann aber entweder als separate Vorrichtung oder als Katalysator in der gleichen unitären Nachbehandlungsvorrichtung vorliegen. Ferner sind Katalysatorauslegungen bekannt, die Wasserstoff selbst bei Vorhandensein von molekularem Sauerstoff erzeugen, was den Wirkungsgrad von Wasserstofferzeugung durch Verringern der Notwendigkeit, zusätzlichen Kraftstoff zum vollständigen Abbauen von Sauerstoff einzuspritzen, verbessert.

10 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Anordnung von Katalysatoren in einem Nachbehandlungssystem zum Verwirklichen von Erzeugung von Ammoniak zur Verwendung in einer SCR-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Antriebsstrang 300 umfasst einen Motor 310, einen Katalysator 320 der Stufe 1, einen Katalysator 330 der Stufe 2, einen Katalysator 340 der Stufe 3 und einen Katalysator 350. der Stufe 4. Ein Abgasstrom kommt vom Motor 310 her und bewegt sich durch die vier Katalysatoren fort. Der Antriebsstrang 300 ist wie abgebildet für Spätverbrennungskohlenwasserstoffreformierung optimiert, wie vorstehend beschrieben wurde. Jeder Katalysator fördert eine andere Reaktion gemäß Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Bei der beispielhaften Konfiguration von 10 wird der Katalysator 320 der Stufe 1 so gewählt, dass er Ammoniakerzeugung gemäß Gleichung 1 fördert, der Katalysator 330 der Stufe 2 wird so gewählt, dass er gemäß einem normalen Betrieb eines TWC den Betrieb fördert, der Katalysator 340 der Stufe 3 ist eine SCR-Vorrichtung, die Ammoniak speichert und nutzt, um es mit NOx zu reagieren, und der Katalysator 350 der Stufe 4 wird genutzt, um aus der SCR-Vorrichtung entweichendes überschüssiges Ammoniak zu beseitigen. Der Katalysator der Stufe 1 kann nahe dem Motor, zum Beispiel in einer mit einem Abgaskrümmer fluidverbundenen Vorrichtung, genutzt werden. Eine beispielhafte Auswahl von Katalysatoren in den verschiedenen Stufen ist in Tabelle 1 zusammengefasst: Tabelle 1

Katalytische Vorrichtung	Bezeichnung	Katalysatormetall (PGM, CU, Fe)	Washcoat (Zir oder Zeo)	Bevorzugtes Substrat (Metall/Keramik)
Stufe 1	NH₃-Erzeugung	PGM/möglicherweise Nicht-PGM	Aluminiumoxidbasiert	Cordierit
Stufe 2	TWC	PGM	Aluminiumoxid mit OSC	Cordierit
Stufe 3	SCR	Fe oder Cu	Zeo	Cordierit
Stufe 4	NH3-Beseitigung	PGM	Aluminiumoxid	Cordierit

Auf diese Weise können Katalysatoren verwendet werden, um Ammoniak durch Spätverbrennungskohlenwasserstoffreformierung in einem Nachbehandlungssystem zu erzeugen und verwenden.

Die vorstehenden Katalysatoren, die in 10 genutzt werden, umfassen den Katalysator der Stufe 1 zum Fördern der durch Gleichung 1 beschriebenen Reaktion, um Ammoniak zu erzeugen. Es versteht sich, dass bei der Spätverbrennungskohlenwasserstoffreformierung der Katalysator der Stufe 1 zusätzlich katalysierendes Material umfassen kann, um eine Reformierung von aus dem Motor austretenden unverbrannten Kohlenwasserstoffen und eine sich ergebende Bildung von molekularem Wasserstoff zu fördern. Ferner kann ein derartiger Katalysator verwendet werden, um eine strikte Nachverbrennungs-Kohlenwasserstoffreformation als eine alternative Wasserstofferzeugungsstrategie in einem Nachbehandlungssystem zu unterstützen, das eine Spätverbrennungskohlenwasserstoffreformierung verwendet. Eine solche Konfiguration, die entweder mit Spät- oder Nachverbrennungskohlenwasserstoffreformierung einsetzbar ist, kann eine Katalysatorkonfiguration ergeben, wie sie durch Tabelle 2 beschrieben ist: Tabelle 2

Katalytische Vorrichtung	Bezeichnung	Katalysatormetall (PGM, CU, Fe)	Washcoat (Zir oder Zeo)	Bevorzugtes Substrat (Metall/ Keramik)
Stufe 1	HC-Reformieren und NH₃-Erzeugung	PGM	Aluminiumoxidbasiert	Cordierit
Stufe 2	TWC	PGM	Aluminiumoxid mit OSC	Cordierit
Stufe 2	TWC	PGM	Aluminiumoxid mit OSC
Stufe 3	SCR	Fe oder Cu	Zeo	Cordierit
Stufe 4	NH3-Beseitigung	PGM	Aluminiumoxid	Cordierit

Auf diese Weise genutzt kann ein Nachbehandlungssystem zwischen gleichzeitiger Spät- oder Nachverbrennungsreformierung von Kohlenwasserstoffen wechseln oder diese umfassen, um molekularen Wasserstoff zur Unterstützung der Erzeugung von Ammoniak entstehen zu lassen.
Wie vorstehend erläutert kann eine zweite Einspritzung genutzt werden, um NOx und Wasserstoff unabhängig voneinander zu erzeugen. Wie in 3 und 4 beschrieben beeinflusst AFR bei einer Verbrennung mit Einzeleinspritzung gleichzeitig die NOx- und Wasserstofferzeugungswerte. Tests haben aber gezeigt, dass Verbrennung in dem Brennraum gemäß bekannten Verfahren und Zeiten für die erste Einspritzung NOx im Wesentlichen in Beziehung zu dem AFR zu dem Zeitpunkt erzeugt, wenn die Verbrennung zu diesem Zeitpunkt erfolgt. Unter erneutem Bezug auf 3 und 4 als beispielhafte Bedingungen, die während dieser Verbrennung vorliegen können, führt ein höheres AFR zu größerer NOx-Erzeugung. Dieses NOx bleibt, sobald es erzeugt ist, in dem Abgasstrom, bis es in dem Nachbehandlungssystem reagiert wird. 11 graphisch beispielhafte Testergebnisse gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, die die Erzeugung von molekularem Wasserstoff durch eine zweite Einspritzung umfassen. Eine Testvorrichtung nach 11 wurde bei einer Baseline-Bedingung betrieben, die einen einzigen Einspritzvorgang, 1000 U/min, 3,0 bar und ein AFR von 22:1 umfasst, wobei das System Motoremissionen erbrachte, die in etwa 65 ppm NO und etwa 550 ppm molekularen Wasserstoff umfassten. Die gleiche Testvorrichtung ist in 11 mit geteilten Einspritzungen betrieben dargestellt, wobei die Kombination der geteilten Einspritzungen ein Gesamt-AFR (gemessen) ergeben. Testbedingungen für den Test mit geteilter Einspritzung umfassen die Baseline-Bedingungen, wobei zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt wurde, um das gemessene Gesamt-AFR entstehen zu lassen. Es sind zwei Einspritzzeiten dargestellt und können mit einem beispielhaften Öffnen eines Auslassventils bei in etwa 140° nach dem OT verglichen werden. Die Einspritzzeiten, die durch EOI2 gemessen werden, steuern, wie die Reformierung der Kohlenwasserstoffe erfolgt, zum Beispiel durch Beeinflussen, wie viel Reformierung als Spätverbrennungsreformierung erfolgt und wie viel Reformierung als Nachverbrennungsreformierung erfolgt. In den beispielhaften Daten von 11 bleiben die NOx-Emissionen von der Baseline weitgehend unbeeinflusst, während sich die Wasserstoffemissionen abhängig von dem Gesamt-AFR stark ändern. Wie in 3 und 4 angedeutet, stellt 11 eine große Zunahme des molekularen Wasserstoffs dar, der erzeugt wird, wenn das Gesamt-AFR abnimmt. Abhängig von der Wasserstoffmenge, die gemäß dem erzeugten Ammoniak erforderlich ist, und der Verfügbarkeit der anderen Reaktionskomponenten, zum Beispiel NOx und CO gemäß der beispielhaften Reaktion von Gleichung 1, können Testergebnisse, wie sie in 11 dargestellt sind, als Faktor genutzt werden, um beruhend auf Wasserstofferzeugung ein erwünschtes Gesamt-AFR zu wählen.
Wie zwischen den Datensätzen von 11 demonstriert weist die Einspritzzeit der zweiten Einspritzung, die als Wert eines Einspritzungsendes (EOI2) ausgedrückt ist, eine Wirkung auf die Wasserstoffproduktion auf. Die 12 und 13 veranschaulichen graphisch beispielhafte Ergebnisse einer Variation von EOI2 bezüglich Wasserstoffproduktion und Wasserstoffproduktion pro inkementeller Zunahme an Kraftstoff gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Testergebnisse der 12 und 13 wurden mit derselben oder einer ähnlichen Testvorrichtung erzeugt, wie die Testergebnisse von 11. 12 zeigt eine Wasserstoff- und NO-Erzeugung bei zwei unterschiedlichen gemessenen AFR-Werten. Wie vorstehend beschrieben wird das Auftreten von Spät- oder Nachverbrennungskohlenwasserstoffreformierung signifikant durch die Zeiten der beispielhaften beschriebenen zweiten Einspritzung und den Zustand des Brennraums gesteuert. Eine beispielhafte Bedingung umfasst ein Öffnen des Auslassventils an einem gewissen Punkt, zum Beispiel in einer Motorkonfiguration 140° nach dem OT. Eine bei oder nach dem Öffnen des Auslassventils erfolgende Kraftstoffeinspritzung wird wahrscheinlich zunehmend als HC-Anteil in dem Abgas aus dem Motor austreten. Die Daten von 12, die durch Reformierung im Zylinder entstandenen molekularen Wasserstoff veranschaulichen, geben eine abnehmende Reformierung im Zylinder wieder, wenn EOI2 später im Verbrennungszyklus verzögert wird. Nicht gezeigt ist in 12 der HC-Anteil des Abgasstroms, der als Nachverbrennungskohlenwasserstoffreformierung zu reformieren ist. 13 zeigt eine Wasserstofferzeugung pro inkrementalem Kraftstoffzunahme bei zwei unterschiedlichen AFR-Werten. Eine Analyse von Testergebnissen, wie zum die beispielhaften 12 und 13, kombiniert mit anderen Daten bezüglich des Wirkungsgrads von Wasserstoffproduktion bei verschiedenen Betriebspunkten kann als Faktor genutzt werden, um die zeitliche Steuerung der zweiten Einspritzung zu wählen.
Wie vorstehend beschrieben wirkt sich das AFR während der Verbrennung nach dem ersten Einspritzvorgang vorrangig auf die NOx-Produktion aus, und das Gesamt-AFR als Ergebnis des ersten und zweiten Einspritzvorgangs wirkt sich vorrangig auf die Wasserstoffproduktion aus. 14 stellt graphisch beispielhafte Ergebnisse von Wasserstofferzeugung, NO-Erzeugung und Wasserstofferzeugung pro inkrementalem Kraftstoffzunahme für ein festes Gesamt-AFR über eine sich ändernde zweite Einspritzmenge gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Die Testbedingungen umfassen ein festes Gesamt-AFR von 14:1, eine feste erste Einspritzung von 9,3 mg/Zyklus, einen Wert am Ende einer ersten Einspritzung (EOI1) von 210° vor dem OT und einen EOI2-Wert von 80° nach dem OT. Eine Modulation der zweiten Einspritzmenge während des Tests umfasst das Verändern von Kraftstoff- und Luftmengen während der Testprobenpunkte, um das feste Gesamt-AFR beizubehalten. Die Wasserstoffproduktion gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren mit geteilter Einspritzung hängt stark von der Kraftstoffmenge ab, die bei Fehlen von Sauerstoff reformiert wird. Wie in den Daten von 14 offensichtlich ist, ändert sich, wenn mehr Kraftstoff in dem zweiten Einspritzvorgang eingespritzt wird, das sich ergebende AFR bei der Verbrennung nach der ersten Einspritzung entsprechend der zusätzlichen Luft, die eingespritzt werden muss, um das feste Gesamt-AFR beizubehalten, was zu einem kleinen Anstieg der NOx-Produktion führt. Wenn ferner mehr Kraftstoff in dem zweiten Einspritzvorgang reformiert wird, nehmen die Wasserstoffproduktion und Wasserstoffproduktion pro inkrementalem Anstieg des Kraftstoffs ab.
Eine Analyse von Testergebnissen, wie die beispielhafte 14, kann als Faktor genutzt werden, um eine Einspritzmenge der zweiten Einspritzung zu wählen.
Der Betrieb eines Motors bei leichter Last in Antriebssträngen, die in der Lage sind, unter mageren Bedingungen oder mit hohen AFR-Werten zu laufen, kann bei einem Verbrennungszyklus mit einziger Einspritzung zu höheren AFR-Werten führten. Das Abwandeln eines solchen Betriebs mit einer zweiten Einspritzung, um Wasserstoff bei niedrigeren AFR-Werten zu produzieren, kann unter solchen Bedingungen, bei denen die Kraftstoffmenge, die zum Erreichen des niedrigeren Gesamt-AFR erforderlich wäre, unerwünscht hoch ist, untragbar sein. 15 und 16 stellen graphisch beispielhafte Wirkungen von sich änderndem AFR in einer Verbrennung mit einer einzigen Einspritzung bei zwei Motorlasten dar, wobei sie die Wirkungen von Motorlast auf Wasserstofferzeugung, NOx, Erzeugung und Wasserstofferzeugung pro inkrementalem Kraftstoffzunahme gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen. Die Testergebnisse von 15 und 16 wurden unter Bedingungen erzeugt, die 2.000 U/min, Zündung bei einem Verbrennungsklopfgrenzwert und einem Wert am Ende der Einspritzung (EOI) von 220° vor dem OT umfassten. Wie in den beispielhaften Daten von 15 dargestellt schwanken Wasserstoff- und NOx-Produktion abhängig von Motorlast. 16 stellt eine Wasserstofferzeugung und -schwankung beruhend auf Motorlast dar. Für die Wirkungen von Motorlast auf Wasserstoff-, NOx-Produktion und Wasserstoffproduktion pro inkrementalem Anstieg des Kraftstoffs bei hierin beschriebenen Verfahren mit geteilter Einspritzung können ähnliche Graphen erzeugt werden, und eine Analyse dieser Graphen kann als Faktor genutzt werden, um Wirkungen von Motorlast auf das Ablaufen von Ammoniakerzeugungszyklen und das Ablaufen von geteilten Einspritzvorgängen zu schätzen. Prädiktive Daten, die den erwarteten Betrieb des Antriebsstrangs beschreiben, einschließlich externer Informationen wie 3D-Karteninformationen, Verkehrsinformationen, Fahrergewohnheiten und andere Einzelheiten, die von Fernsystemen und von Onboarddiagnose-Vorrichtungen zur Verfügung gestellt werden, wie Straßenerfassung, Verkehrserfassung oder andere Systeme, können zusätzlich genutzt werden, um Motorbetrieb zu prognostizieren und Ammoniakerzeugungszyklen zu Zeiten ablaufen zu lassen, bei denen die Motorlast am günstigsten ist, um erforderliche Bestandteile für die Reaktion zum Entstehenlassen von Ammoniak effizient entstehen zu lassen. Zum Beispiel kann eine lange Steigung bei einer projizierten Fahrtstrecke als Gelegenheit genutzt werden, Ammoniak zu produzieren statt Ammoniak unter ebenen oder Gefällebedingungen mit niedriger Last zu erzeugen. Ferner kann der projizierte Motorbetrieb genutzt werden, um zwischen Spät- und Nachverbrennungskohlenwasserstoffreformierung zu wählen. Zum Beispiel könnte sich das Fahren bei Autobahngeschwindigkeiten bei einem bestimmten Antriebsstrang in der Nachverbrennungsreformierung als effizienter erwiesen, wogegen sich stockender Verkehr bei dem gleichen Antriebsstrang bei Spätverbrennungsreformierung als effizienter erweisen könnte. Solche Muster können bestimmt und in einem Steuermodul vorprogrammiert werden, oder alternativ oder zusätzlich könnte der Betrieb eines bestimmten Antriebsstrangs im Laufe der Zeit durch Verwendung von neuronalen Netzen, maschinelles Einlernen von Algorithmen oder andere adaptive Verfahrensweisen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, adaptiv entwickelt werden.
Zu beachten ist, dass die beispielhafte Konfiguration von 10 die verschiedenen Stufen als separate Katalysatoren darstellt, doch die unterschiedlichen Katalysatoren in einer einzelnen Vorrichtung unterschiedlich miteinander gruppiert sein können. 17–21 zeigen schematisch verschiedene beispielhafte Ausführungsformen, bei denen hierin beschriebene Katalysatoren in einem Nachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung angeordnet sein können. 17 stellt eine Anordnung von 4 Stufen von Katalysatoren, einschließlich einer Partikelfiltervorrichtung mit Katalysatoren der Stufe 1 und Stufe 2, die an Einlass- bzw. Auslasskanälen des Filters beschichtet sind, dar. 18 stellt eine Anordnung von 4 Stufen von Katalysatoren dar, mit Katalysatoren der Stufe 1 und Stufe 2, die auf ein einzelnes Element mit einer einzelnen Vorrichtung beschichtet sind. 19 stellt eine Anordnung von 4 Stufen von Katalysatoren dar, wobei die Katalysatoren der Stufe 1 unmittelbar nach und in einer einzelnen Vorrichtung mit einem Partikelfilter angeordnet sind. 20 stellt eine Anordnung ähnlich zu 19 dar, mit der Ausnahme, dass der Katalysator der Stufe 1 sich in dem Partikelfilter befindet, zum Beispiel als Oberflächenbeschichtung in der Vorrichtung. 21 stellt eine Anordnung von 4 Stufen von Katalysatoren dar, wobei ein Katalysator von Stufe 3, der eine Rolle eines SCR ausübt, in einem Partikelfilter angeordnet ist. Zusätzlich zu den veranschaulichten Ausführungsformen können Vorrichtungen, die einen Katalysator der Stufe 3 verwenden, typischerweise unitär einen Katalysator der Stufe 4 umfassen, um Ammoniakschlupf zu beseitigen. Beispielhafte Ausführungsformen, die in den 17–21 gezeigt sind, sind zu Zwecken der Veranschaulichung möglicher Anordnungen offenbart, in denen Katalysatoren der Stufe 1 bis Stufe 4 verwendet werden können. Es versteht sich aber für einen Durchschnittsfachmann, dass diese Ausführungsformen nicht die einzigen Anordnungen sind, bei denen diese Katalysatoren genutzt werden können, und diese Offenbarung soll nicht auf die hierin beschriebenen bestimmten Ausführungsformen beschränkt sein.
Ferner versteht sich, dass die Nachbehandlungssysteme in vielen aus dem Stand der Technik bekannten Konfigurationen verwirklicht sein können und die chemische Reaktion, die zum Entstehenlassen von Ammoniak genutzt wird, eine Anzahl von Formen annehmen kann, die unterschiedliche Katalysatoren und unterschiedliche Betriebsbedingungen erfordern. Zum Beispiel werden andere Vorrichtungen in dem Abgasstrom eines Benzinmotors, zum Beispiel eine TWC-Vorrichtung, und eines Dieselmotors, zum Beispiel eine DOC-Vorrichtung, genutzt. Die beispielhafte Konfiguration von 10 stellt einen Weg dar, mit dem die Erzeugung von Ammoniak innerhalb eines Nachbehandlungssystems erreicht werden kann, wobei diese Offenbarung nicht dazu bestimmt ist, auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt zu sein. Ferner sind andere Reaktionen bekannt, die genutzt werden können, um Ammoniak zu produzieren. Zum Beispiel umfasst eine andere Reaktion, die genutzt werden kann, die folgende. 2,5H₂ + NO → NH₃ + H₂O [2]
Diese Reaktion hat den Vorteil, dass sie vom Vorhandensein von CO unabhängig ist, erfordert aber molekularen Wasserstoff in höheren Mengen. Eine andere beispielhafte Reaktion, die genutzt werden kann, um Ammoniak zu produzieren, umfasst die folgende. Ba(NO₃)₂ + 8H₂ → 2NH₃ + BaO + 5H₂O [3]
Die Nutzung dieser Reaktion erfordert eine Vorrichtung, die Barium umfasst. Wie einem Durchschnittsfachmann bewusst ist, ist Barium in Vorrichtungen, die einen PGM-Katalysator verwenden, beispielsweise einen TWC, einen DOC oder bestimmte LNT-Vorrichtungen, bekanntermaßen nicht vorhanden, wird aber bekanntermaßen in den meisten LNT-Vorrichtungen verwendet, bei denen Barium zum Speichern des NOx während eines mageren Betriebs verwendet wird. Es versteht sich ferner, dass jede dieser Reaktionen unterschiedliche Katalysatoren und Antriebsstrang-Betriebs-bedingungen für einen normalen Betrieb erfordern kann. Zudem ändern die unterschiedlichen Verhältnisse von NO und molekularem Wasserstoff das AFR, das zum effizienten Betreiben eines Ammoniakerzeugungszyklus erforderlich ist.
Die Katalysatorauslegung umfasst Verfahren und Präferenzen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielhafte Katalysatoren, die in der TWC-Auslegung genutzt werden, die wie vorstehend in Verbindung mit Tabelle 1 beschrieben zum Produzieren von Ammoniak infolge einer in Gleichung 1 beschriebenen Reaktion genutzt werden, umfassen vorzugsweise einen platin- und palladiumbasierten Katalysator (PGM-Katalysator), doch kann das Verfahren mit bestimmten Nicht-PGM-Katalysatoren genutzt werden, die in der Lage sind, die erforderliche Reaktion zu erzeugen. Der Katalysator kann in einer motornahen Katalysatorvorrichtung oder einer so genannten „Pup”-Katalysatorvorrichtung integriert sein, die nahe dem Abgaskrümmer des Motors positioniert ist, oder kann in einem separaten Vorrichtung genutzt werden.
Ammoniakerzeugungszyklen können nach Bedarf genutzt werden, um der SCR-Vorrichtung Ammoniak zu liefern. Ein Verfahren umfasst periodische Ammoniakerzeugungszyklen. Bei der Alternative kann θNH₃ durch Verfahren geschätzt werden, die oben beschrieben und verwendet sind, um Ammoniakerzeugungszyklen nach Bedarf zu planen. Ammoniakerzeugungszyklen, die einen stöchiometrischen oder fetten Betrieb des Motors verwenden, können so geplant werden, dass sie Zeiträume verwenden, bei denen dieser Betrieb bereits gemäß Antriebsstrangleistungsforderungen erforderlich ist. Ein magere Betrieb eines Motors, insbesondere ein magerer Betrieb, der Verbrennungsverfahren ausnutzt, beispielsweise Betriebsarten mit homogener Kompressionszündung oder Schichtladung, erfolgt typischerweise bei niedrigeren Lasten und niedrigeren Motordrehzahlen. Ein magerer Betrieb wird zum Beispiel häufig bei Autobahnfahrt genutzt, wobei der Motor in einem stabilen Betrieb genutzt wird, um Drehzahlen beizubehalten. Ein fetter Betrieb wird genutzt, wo magerer Betrieb nicht möglich oder bevorzugt ist. Zum Beispiel wird fetter Betrieb häufig in Fällen von Beschleunigung genutzt, wobei das Erzeugen von Kraft, die zum Beschleunigen eines Fahrzeugs erforderlich ist, hohe Motorlasten erfordert, und das Durchlaufen von Zuständen des Getriebebetriebsbereich Motordrehzahlen erfordert, die hohe Motordrehzahlen einschließen. Das Überwachen der Motornutzung kann das Auslösen eines Ammoniakerzeugungszyklus als Reaktion auf einen Wechsel zu einem fetten Betriebsmodus ermöglichen. Zusätzlich oder alternativ kann die Prognose der Motornutzung statistisch oder koordiniert mit einer 3D-Kartenvorrichtung erfolgen, wobei die Ammoniakproduktion beruhend auf erwarteter Motornutzung, die bereits hohe Motordrehzahlen oder -lasten erfordert, prädiktiv ausgelöst wird.
Durch die vorstehenden Verfahren erzeugtes Ammoniak kann an einem Katalysator in einer SCR-Vorrichtung gespeichert werden, die mit einer Ammoniakspeicherfähigkeit gewählt ist. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, hängt die Speicherung von Ammoniak an einem Katalysator von einer Anzahl von Eigenschaften des Abgasstroms ab, zum Beispiel von T_BETT und SV. Erhöhte Katalysatorbetttemperaturen oder erhöhte Geschwindigkeiten des Abgasstroms in der SCR-Vorrichtung verursachen Schlupf. Ammoniakerzeugungszyklen können prädikativ beruhend auf vorhergesagten Bereichen von T_BETT und SV angesetzt werden, die zum Beibehalten des gespeicherten Ammoniaks förderlich sind. T_BETT kann gemessen oder gemäß einem Modell vorhergesagt werden. Ein beispielhafter Ausdruck von T_BETT kann durch die folgende funktionelle Beziehung gegeben werden. T_BETT = f(T₁, T₂, M_{DOT_ABG}, T_UMG, SCR_GEOMETRIE) [4]
T₁ beschreibt die Temperatur des stromaufwärts der SCR-Vorrichtung gemessenen Abgasstroms, und T₂ beschreibt die Temperatur des stromabwärts der SCR-Vorrichtung gemessenen Abgasstroms. M_{DOT_ABG} beschreibt einen Massendurchsatz von Abgas durch die SCR-Vorrichtung und kann beruhend auf dem Betrieb des Motors geschätzt oder modelliert werden. T_UMG beschreibt eine Temperatur von Umgebungsbedingungen zu dem Abgassystem und kann direkt gemessen oder beruhend auf in üblicher Weise gemessenen Werten, beispielsweise der Ansauglufttemperatur, ermittelt werden. SV kann analog gemäß M_{DOT_ABG} und SCR-Geometrie vorhergesagt werden. Auf diese Weise kann Ammoniakproduktion zu Zeiten verwirklicht werden, bei denen ein übermäßiger Schlupf das Ammoniak nicht vorhersehbar aus der SCR-Vorrichtung abbaut.
Motordrehzahlen und -lasten sind für Ammoniakerzeugungszyklen wichtig. Zudem kann Motorbetrieb hohe Temperatur und hohe Massedurchflüsse in dem Abgasstrom hervorrufen. Die sich ergebenden Bedingungen in dem Abgasstrom aus dem Betrieb des Motors können zu Betriebsbedingungen, die verschwenderische Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff erfordern, oder zu Bedingungen führen, die einen übermäßigen Schlupf in der SCR hervorrufen, was einen Abbau von Ammoniak bewirkt. Hybridantriebsstränge, die einen Motor und andere Drehmomenterzeugungsvorrichtungen umfassen, können aber einem Antriebssystem ein erforderliches Ausgangsdrehmoment liefern, während sie das Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Vorrichtungen des Antriebsstrangs modulieren. Andere Drehmomenterzeugungsvorrichtungen können eine elektrische Maschine oder Maschinen umfassen, die in einem Drehmomenterzeugungsmotormodus oder einem Energierückgewinnungsgeneratormodus arbeiten können. Solche elektrische Maschinen sind mit einer Energiespeichervorrichtung funktionell verbunden, die in der Lage ist, elektrische Energie zu den elektrischen Maschinen zu liefern oder sie von diesen zu erhalten und zu speichern. Auf diese Weise kann der Motorbetrieb von dem erforderlichen Ausgangsdrehmoment abgekoppelt sein, um den Wirkungsgrad von Ammoniakerzeugung und -speicherung in einem Nachbehandlungssystem zu verbessern. Zum Beispiel kann man das Motordrehmoment das erforderliche Ausgangsdrehmoment überschreiten lassen, wobei stöchiometrischer oder fetter Motorbetrieb genutzt wird, der für Ammoniakproduktion bei hoher Last förderlich ist, und das das erforderliche Ausgangsdrehmoment übersteigende Motordrehmoment kann durch eine elektrische Maschine wieder zur Energiespeichervorrichtung zurückgeführt werden. Auf diese Weise kann zusätzlicher Kraftstoff, der zum Generieren von Wasserstoff genutzt wird, gespeicherte Energie erzeugen statt in dem Nachbehandlungssystem als Wärme vollständig abgeführt zu werden. In einem anderen Beispiel können unter Betrieb bei hoher Last, zum Beispiel bei einem Fahrzeug, das einen schweren Gegenstand unter Bedingungen weiter geöffneter Drosselklappe eine längere Steigung hinaufzieht, Abgastemperaturen, die sich aus dem Betrieb des Motors bei hoher Last ergeben, einen übermäßigen Schlupf in der SCR-Vorrichtung erzeugen. Eine elektrische Maschine oder elektrische Maschinen können genutzt werden, um einen Teil des erforderlichen Ausgangsdrehmoments zu liefern, wodurch die von dem Motor geforderte Last verringert wird, was den Betrieb des Motors bei einem Getriebezustand ermöglicht, der eine niedrigere Motordrehzahl erlaubt, und sich ergebende Temperaturen in dem Abgas verringert. Auf diese Weise kann ein Hybridantriebsstrang genutzt werden, um Ammoniakproduktion und -speicherung zu fördern.
Die hierin beschriebenen Verfahren erwägen die Produktion von Ammoniak durch Ammoniakerzeugungszyklen, die Bestandteile des Abgasstroms verwenden, um eine Nachbehandlung von NOx in einer SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten. Es versteht sich, dass diese Verfahren getrennt von Harnstoffeinspritzung verwendet werden können, wobei die beschriebenen Verfahren das gesamte erforderliche Ammoniak liefern. Alternativ können die hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden, um ein Harnstoffeinspritzungssystem zu ergänzen, was den Bereich des Systems zwischen erforderlichem Füllen eines Harnstoffspeichertanks vergrößert, während es aufgrund von verfügbarer Harnstoffeinspritzung bei Bedarf einen vollen Bereich von Motor- und Antriebsstrangbetrieb ohne signifikante Überwachung von Ammoniakerzeugungszyklen und aktueller Speicherkapazität zulässt.
Ein NOx-Sensor oder ein Sauerstoffsensor erhöhen Kosten und Gewicht eines Fahrzeugs, und solche Sensoren erfordern häufig einen bestimmten Betriebstemperaturbereich, der nach einer gewissen Aufwärmzeit erreicht wird, um funktionsfähig zu sein. Wie vorstehend beschrieben kann ein virtueller NOx-Sensor verwendet werden, um das Vorhandensein von NOx in einem Nachbehandlungssystem zu schätzen. 22 stellt schematisch ein beispielhaftes NOx-Modellmodul gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, das in einem Motorsteuermodul genutzt wird und eine NOx-Erzeugungsschätzung ermittelt. Das beispielhafte NOx-Modellmodul 500 wird in einem NOx-Erzeugungsschätzsystem 510 betrieben und umfasst ein Modellmodul 520 und ein NOx-Schätzmodul 530. Motorsensoreingaben x₁ bis x_n sind Eingaben in das NOx-Modellmodul und können eine Reihe von Faktoren umfassen, einschließlich Temperaturen, Drücke, Motorsteuereinstellungen einschließlich Ventil- und Zündeinstellungen, und andere Messwerte, die einen Verbrennungszustand in dem Brennraum anzeigen. Das Modellmodul 520 erhält diese Eingaben und legt bekannte Beziehungen an, um eine Anzahl von Parametern zu ermitteln, um Verbrennung in dem Brennraum zu beschreiben. Beispiele für diese beschreibenden Parameter umfassen AGR%, der Prozentsatz von Abgas, das in den Brennraum zurückgeleitet wird, um die Steuerung den Verbrennungsprozess zu steuern; ein Luft-Kraftstoff-Ladungsverhältnis (AFR), das das Gemisch von Luft und Kraftstoff beschreibt, das in dem Brennraum vorhanden ist; Verbrennungstemperaturmessgrößen, einschließlich zum Beispiel entweder Verbrennungstemperatur des verbrannten Gases oder mittlere Verbrennungstemperatur; eine Verbrennungszeitmessgröße, die das Fortschreiten der Verbrennung während eines Verbrennungsprozesses verfolgt, zum Beispiel CA50, eine Messung, bei welchem Kurbelwinkel 50% der Masse des ursprünglich in dem Brennraum vorhandenen Kraftstoffs verbrannt sind; und Kraftstoffverteilerrohrdruck, der den Druck von Kraftstoff anzeigt, der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zur Verfügung steht, um in den Brennraum gespritzt zu werden. Diese beschreibenden Parameter können verwendet werden, um in dem Brennraum während des Verbrennungsprozesses vorhandene Bedingungen zu schätzen. Wie vorstehend beschrieben beeinflussen in dem Brennraum vorliegende Bedingungen die Erzeugung von NOx in dem Verbrennungsprozess. Diese beschreibenden Parameter können dem NOx-Schätzmodul 530 zugeführt werden, in dem programmierte Berechnungen die beschreibenden Parameter als Eingaben verwenden, um eine Schätzung der NOx-Erzeugung aufgrund des Verbrennungsprozesses zu erzeugen. Wie jedoch vorstehend beschrieben können Modelle, die eine Variable analysieren, die den Verbrennungsprozess beschreibt, komplexe Berechnungen umfassen, deren Berechnung länger dauert als zum Erzeugen von Echtzeitergebnissen erforderlich ist, die große Mengen an Verarbeitungsfähigkeit erfordern und nur so genau sind, wie es der vorprogrammierte Algorithmus erlaubt. Infolge dieser Herausforderungen und einer Notwendigkeit genauer und rechtzeitiger Information ist die Schätzung von NOx-Erzeugung in einem Motorsteuergerät als Teil einer Nachbehandlungssteuerstrategie derzeit nicht bevorzugt.
Das Überwachen von NOx durch einen virtuellen NOx-Sensor kann das Überwachen des Verbrennungsprozesses erfordern, um die NOx-Produktion des Motors genau zu schätzen. Zusätzlich kann eine genaue Steuerung von mehreren Einspritzungen, wie sie in dem vorstehenden Verfahren beschrieben ist, durch Überwachen des Verbrennungsprozesses unterstützt werden. Es können verschiedene Motorsensoreingaben verwendet werden, um die Parameter zu quantifizieren, die den Verbrennungsprozess beschreiben. Es ist aber schwierig, die in dem Motor erfolgende Verbrennung direkt zu überwachen. Sensoren können Kraftstoffstrom und Luftstrom in den Zylinder detektieren und messen, ein Sensor kann eine bestimmte elektrische Spannung überwachen, die an einer Zündkerze angelegt wird, oder ein Prozessor kann eine Summe von Informationen erfassen, die Bedingungen vorhersagen würden, die zum Erzeugen einer Selbstzündung erforderlich sind, doch sind diese Messwerte für die Verbrennung zusammen lediglich prädiktiv und messen nicht die tatsächlichen Verbrennungsergebnisse. Ein beispielhaftes Verfahren, das tatsächliche Verbrennungsergebnisse misst, nutzt Druckmessungen, die im Brennraum während eines Verbrennungsprozesses genommen werden. Zylinderdruckmesswerte liefern konkrete Messwerte, die Bedingungen in dem Brennraum beschreiben. Beruhend auf einem Verständnis des Verbrennungsprozesses können Zylinderdrücke analysiert werden, um den Zustand des Verbrennungsprozesses in einem bestimmten Zylinder zu schätzen, wobei die Verbrennung bezüglich sowohl der Verbrennungsphasenregelung als auch der Verbrennungsstärke beschrieben wird. Die Verbrennung einer bekannten Ladung bei bekannten Zeiten unter bekannten Bedingungen erzeugt einen vorhersehbaren Druck in dem Zylinder. Durch Beschreiben der Phase und Stärke der Verbrennung bei bestimmten Kurbelwinkeln können die Auslösung und das Fortschreiten eines bestimmten Verbrennungsprozesses als geschätzter Verbrennungszustand beschrieben werden. Durch Schätzen des Zustands des Verbrennungsprozesses für einen Zylinder können Faktoren, die die NOx Erzeugung während des Verbrennungsprozesses beeinflussen, ermittelt und zur Verwendung bei der Schätzung der NOx-Erzeugung verfügbar gemacht werden.
Ein bekanntes Verfahren zum Überwachen von Verbrennungsphasenregelung ist das Schätzen des Massenanteilverbrennungsverhältnisses für einen vorgegebenen Kurbelwinkel beruhend auf bekannten Parametern. Das Massenanteilverbrennungsverhältnis beschreibt, welcher Prozentsatz der Ladung in dem Brennraum verbrannt wurde, und dient als gute Schätzung der Verbrennungsphasenregelung. 23 stellt graphisch eine beispielhafte Massenanteilverbrennungskurve gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel beschreibt die dargestellte Kurve den geschätzten Prozentsatz eines Kraftstoff/Luft-Gemisches in der Ladung, das für diesen Verbrennungsprozess verbrannt wurde. Um als Maß der Verbrennungsphasenregelung verwendet zu werden, ist es bekannt, entweder einen bestimmten interessierenden Massenanteilverbrennungsprozentsatz oder einen bestimmten interessierenden Kurbelwinkel festzustellen. 23 bestimmt CA50% als Kurbelwinkel, bei dem die Massenanteilverbrennung gleich 50% ist. Durch Prüfen dieses bestimmten Maßes über mehrere Verbrennungsprozesse in diesem Zylinder oder über eine Anzahl von Zylindern kann die vergleichsweise Phasenregelung der bestimmten Verbrennungsprozesse beschrieben werden.
Wie vorstehend beschrieben kann die Verbrennungsphasenregelung genutzt werden, um den Zustand eines bestimmten Verbrennungsprozesses zu schätzen. Es wird ein beispielhaftes Verfahren zum Überwachen von Verbrennungsphasenregelung zum Diagnostizieren ineffektiver Verbrennung offenbart, wodurch Verbrennung in einem Motor überwacht wird, Massenanteilverbrennungsverhältnisse für jeden Zylinderverbrennungsprozess erzeugt werden und die Verbrennungsphasenregelung über den Zylindern verglichen werden. Wenn sich die Verbrennungsphase für einen Zylinder bei einem bestimmten Kurbelwinkel für diesen ersten Zylinder um mehr als eine Schwellenphasendifferenz von der Verbrennungsphase für einen anderen Zylinder bei dem gleichen Kurbelwinkel für diesen zweiten Zylinder unterscheidet, kann eine anomale Verbrennung gefolgert werden. Durch dieses Verfahren können viele Quellen anomaler Verbrennung diagnostiziert werden. Wenn zum Beispiel eine bestimmte Bedingung eine frühzeitige Zündung oder Klopfen in dem Brennraum hervorruft, weisen die Zylinderdruckmesswerte andere Werte als die normale Verbrennung auf. Zudem verursachen Kraftstoffanlagen-Einspritzzeitfehler, die eine Einspritzung der Ladung zu falschen Zeiten bewirken, anomale Zylinderdruckmesswerte. Wenn weiterhin ein Zylinder eine Fehlzündung aufweist oder nie Verbrennung erreicht, weisen die Zylinderdruckmesswerte andere Werte als normale Verbrennung auf. Analog können Druckkurven verwendet werden, um andere anomale Verbrennungsbedingungen zu diagnostizieren, beispielsweise Änderungen des Luft/Kraftstoff-Gemisches, Änderungen der Nockenwellenphaseneinstellung und Wartungsstörungen bei zugehörigen Komponenten. Alle solche Diagnosen von Verbrennungsgesundheit haben Auswirkungen auf NOx und können hilfreich sein, um die NOx-Erzeugung zu schätzen.
Es sind viele Verfahren zum Schätzen der Massenanteilverbrennung bekannt. Ein Verfahren prüft Druckdaten aus dem Brennraum, wobei es das Analysieren des Druckanstiegs in dem Raum einschließt, der auf die Verbrennung zurückzuführen ist. Es gibt verschiedene Verfahren, um einen Druckanstieg in einem Zylinder zu quantifizieren, der auf Verbrennung zurückführbar ist. Druckverhältnissteuerung (PRM, kurz vom engl. Pressure Ratio Management) ist ein Verfahren, das auf dem Rassweiler-Ansatz beruht, der besagt, dass die Massenanteilverbrennung durch den anteiligen Druckanstieg aufgrund Verbrennung approximiert werden kann. Die Verbrennung einer bekannten Ladung bei einer bekannten Zeit unter bekannten Bedingungen pflegt einen einheitlich vorhersehbaren Druckanstieg in dem Zylinder zu erzeugen. PRM leitet aus dem Verhältnis eines gemessenen Zylinderdrucks unter Verbrennung bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel (P_ZYL(θ)) zu einem berechneten Zylinderdruck ohne Verbrennung, dem so genannten „motored pressure”, ein Druckverhältnis (PR) ab, wobei sie, wenn in dem Zylinder keine Verbrennung erfolgte, einen Druckwert bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel (P_MOT(θ)) schätzt, was die folgende Gleichung ergibt.
24 veranschaulicht graphisch gemäß der vorliegenden Offenbarung einen beispielhaften Zylinderdruck während eines Verbrennungsprozesses, der gegen Kurbelwinkel aufgetragen ist. P_MOT(θ) weist eine gleichmäßige, inverse Parabelspitze von dem Kolben auf, der eine zurückgehaltene Gastasche ohne Verbrennung verdichtet. Bei dem Kolben am UT sind alle Ventile geschlossen, der Kolben bewegt sich nach oben, wobei das Gas verdichtet wird, der Kolben erreicht bei der Spitze der Druckkurve den OT, und der Druck sinkt, wenn der Kolben von dem OT abfällt. Durch P_ZYL(θ) ist ein Druckanstieg über P_MOT(θ) dargestellt. Die Verbrennungszeiten variieren von Anwendung zu Anwendung. Bei dieser bestimmten beispielhaften Kurve beginnt P_ZYL(θ) um den OT von P_MOT(θ) anzusteigen, was einen Zündvorgang zu einem Zeitpunkt vor dem OT beschreibt. Wenn die Ladung verbrennt, ergeben sich Wärme und Arbeit aus der Verbrennung, was zu einem Druckanstieg in dem Brennraum führt. PR ist ein Verhältnis von P_MOT zu P_ZYL, und P_MOT ist eine Komponente von P_ZYL. Der Nettoverbrennungsdruck (NCP(θ)) ist die Differenz zwischen P_ZYL(θ) und P_MOT(θ) bzw. der Druckanstieg in dem Brennraum, der auf eine Verbrennung bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel zurückzuführen ist. Es versteht sich, dass durch Subtrahieren von eins von PR ein Verhältnis von NCP zu P_MOT wie folgt ermittelt werden kann.
Das durch die vorstehende Gleichung gemessene PR kann daher verwendet werden, um die Stärke der Verbrennung in einem Zylinder direkt zu beschreiben. Das Normalisieren von PR minus eins bei einem Kurbelwinkel (θ) zu einem erwarteten oder theoretischen maximalen PR-Wert minus eins ergibt ein anteiliges Druckverhältnis des Druckanstiegs aufgrund Verbrennung bei Kurbelwinkel (θ) zu dem erwarteten gesamten Druckanstieg aufgrund Verbrennung bei der Beendigung des Verbrennungsprozesses. Diese Normalisierung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
Dieses anteilige Druckverhältnis beschreibt durch Gleichstellen des auf Verbrennung zurückführbaren Druckanstiegs mit dem Fortschreiten von Verbrennung die Massenanteilverbrennung für diesen bestimmten Verbrennungsprozess. Durch Verwenden von PRM können Druckmesswerte von einem Zylinder verwendet werden, um eine Massenanteilverbrennung für diesen Zylinder zu schätzen.
Das vorstehende Verfahren, das PRM nutzt, ist für breite Bereiche von Temperatur, Zylinderladung und Steuerzeiten in Verbindung mit Kompressionszündungsmotoren anwendbar, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass es keine kalibrierten Drucksensoren benötigt. Da PR ein Verhältnis von Drücken ist, kann ein nicht kalibrierter linearer Druckwandler genutzt werden, um Druckdatenmesswerte von jedem Zylinder zu erfassen.
Ein anderes Verfahren zum Schätzen von Massenanteilverbrennung ist das direkte Verwenden des Rassweiler-Ansatzes zum Ermitteln von Massenanteilverbrennung durch Berechnen der gesamten Wärme, die bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel freigesetzt wird. Der Rassweiler-Ansatz nutzt Druckmesswerte von einem Zylinder, um die inkrementale Wärmefreisetzung in dem Zylinder zu approximieren. Dieser Ansatz wird durch die folgende Gleichung gegeben.
Die Massenanteilverbrennung, ein Maß, wie viel der Ladung bei einem bestimmten Kurbelwinkel verbrannt ist, kann durch Ermitteln, welcher Anteil an Wärmefreisetzung für einen Verbrennungsprozess bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel stattgefunden hat, approximiert werden. Die inkrementale Wärmefreisetzung, die durch den Rassweiler-Ansatz ermittelt wird, kann über einen Bereich von Kurbelwinkeln addiert werden, mit der gesamten erwarteten oder theoretischen Wärmefreisetzung für den Verbrennungsprozess verglichen werden und genutzt werden, um die Massenanteilverbrennung zu schätzen. Wenn zum Beispiel 75% der gesamten erwarteten Wärmefreisetzung bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel realisiert wurden, können wir schätzen, dass 75% der Verbrennung für den Zyklus bei diesem Kurbelwinkel stattgefunden hat.
Es können andere Verfahren verwendet werden, um die Massenanteilverbrennung zu schätzen. Ein Verfahren quantifiziert die Änderungsrate von Energie in dem Brennraum aufgrund von Verbrennung durch eine Analyse klassischer Wärmefreisetzungsmaße beruhend auf Analyse der freigesetzten Wärme und erbrachten Arbeit während der Verbrennung der Ladung. Solche Analysen sind auf den ersten Hauptsatz der Thermodynamik abgestellt, der besagt, dass die Nettoänderung von Energie in einem geschlossenen System gleich der Summe der Wärme und Arbeit ist, die dem System zugegeben werden. Angewandt auf einen Brennraum ist der Energieanstieg in dem Brennraum und den eingeschlossenen Gasen gleich der Wärme, die auf die Wände des Raums und die Gase übertragen wird, plus die expansive Arbeit, die durch die Verbrennung durchgeführt wird.
Ein beispielhaftes Verfahren, das diese klassischen Wärmefreisetzungsmaße nutzt, um eine Schätzung der Massenanteilverbrennung zu approximieren, analysiert die Rate der Wärmefreisetzung durch Ladungsverbrennung während des gesamten Verbrennungsprozesses. Diese Rate der Wärmefreisetzung, dQ_ch/dθ, kann über einen Bereich von Kurbelwinkeln integriert werden, um die in Form von Wärme freigesetzte Nettoenergie zu beschreiben. Durch Ableitungen, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind, kann diese Wärmefreisetzung durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
Gamma, γ, umfasst ein Verhältnis von spezifischen Wärmen und wird nominell als das für Luft bei der Temperatur, die denen zum Berechnen des Signal-Bias verwendeten und ohne AGR entspricht, gewählt. Somit ist nominell oder anfänglich γ = 1,365 bei Dieselmotoren und nominell γ = 1,30 bei herkömmlichen Benzinmotoren. Diese können jedoch beruhend auf den Daten von den spezifischen Wärmen für Luft und stöchiometrischen Produkten unter Verwenden einer Schätzung des Äquivalenzverhältnisses Φ und des für die Betriebsbedingung angestrebten AGR-Molanteils und unter Verwenden der Beziehung, dass [γ = 1 + (R/c_v)], wobei R die universale Gaskonstante ist, und des gewichteten Mittels von Luft und Produkteigenschaften durch den folgenden Ausdruck angepasst werden. c_ν(T) = (1,0 – Φ·AGR)·c_νluft(T) + (Φ·AGR)·c_νstöchprod(T) [10]
Der Ausdruck wird bei der Gastemperatur beurteilt, die der für Drücke entspricht, die für die Berechnung von Signalbias genommen werden.
Ob durch das vorstehende Verfahren oder durch ein anderes aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren berechnet kann die Berechnung von Energie, die in dem Verbrennungsprozess bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel freigesetzt wird, mit einer erwarteten oder theoretischen gesamten Energiefreisetzung für den Verbrennungsprozess verglichen werden. Dieser Vergleich ergibt eine Schätzung von Massenanteilverbrennung zur Verwendung beim Beschreiben der Verbrennungsphasenregelung.
Die hierin vorstehend beschriebenen Verfahren werden mühelos reduziert, um wie folgt in einen Mikrocontroller oder eine andere Vorrichtung zur Ausführung während eines laufenden Betriebs eines Verbrennungsmotors programmiert zu werden.
Sobald eine Massenanteilverbrennungskurve für einen bestimmten Verbrennungsprozess erzeugt ist, ist die Kurve brauchbar, um die Verbrennungsphasenregelung für diesen bestimmten Verbrennungsprozess zu beurteilen. Unter erneutem Bezug auf 23 wird ein Bezugspunkt genommen, von dem Schätzungen der Massenanteilverbrennung aus verschiedenen Verbrennungsprozessen verglichen werden. In dieser bestimmten Ausführungsform wird CA50%, das den Kurbelwinkel darstellt, bei dem 50% der Ladung verbrannt sind, gewählt. Es können andere Maße gewählt werden, solange für jeden Vergleich das gleiche Maß verwendet wird.
Die Ermittlung von Massenanteilverbrennungswerten ist eine Vorgehensweise, die aus dem Stand der Technik gut bekannt ist. Auch wenn vorstehend beispielhafte Verfahren zum Ermitteln von Massenanteilverbrennung beschrieben werden, können die hierin offenbarten Verfahren zum Verwenden von Massenanteilverbrennungswerten zum Diagnostizieren von Zylinderverbrennungsproblemen mit jedem Verfahren zum Ermitteln von Massenanteilverbrennung verwendet werden. Es kann jede Vorgehensweise mm Entwickeln von Massenanteilverbrennung genutzt werden, und diese Offenbarung soll nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Verfahren beschränkt sein.
Es gibt weitere Verfahren zum Analysieren von Zylinderdrucksignalen. Es sind Verfahren zum Verarbeiten von komplexen oder verrauschten Signalen und zum Reduzieren derselben zu brauchbaren Informationen bekannt. Ein solches Verfahren umfasst Spektralanalyse durch schnelle Fourier-Transformation (FFT). FFT reduzieren ein periodisches oder sich wiederholendes Signal zu einer Summe von harmonischen Signalen, die zum Umwandeln des Signals in Komponenten seines Frequenzspektrums brauchbar sind. Sobald die Komponenten des Signals bestimmt sind, können sie analysiert werden und es können Informationen von dem Signal genommen werden.
Druckmesswerte von den Druckwandlern, die sich in oder in Verbindung mit den Verbrennungszylindern befinden, enthalten Informationen, die direkt mit der in dem Brennraum erfolgenden Verbrennung in Beziehung stehen. Motoren sind aber sehr komplexe Mechanismen, und diese Druckmesswerte können zusätzlich zu einem Maß P_ZYL(θ) eine Vielzahl von Druckschwankungen von anderen Quellen enthalten. Schnelle Fourier-Transformationen (FFT) sind mathematische Verfahren, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind. Ein FFT-Verfahren, das als Spektralanalyse bekannt ist, analysiert ein komplexes Signal und trennt das Signal in seine Bestandteile auf, die als Summe von Oberschwingungen dargestellt werden können. Die Spektralanalyse eines Druckwandlersignals, dargestellt durch f(θ), kann wie folgt dargestellt werden. FFT(f(θ)) = A₀ + (A₁sin(ω₀θ + Φ₁)) + (A₂sin(2ω₀θ + Φ₂)) + ... + (A_Nsin(Nω₀θ + Φ_N)) [11]
Jede Komponente N des Signals f(θ) stellt eine periodische Eingabe an dem Druck in dem Brennraum dar, wobei jedes größer werdende Inkrement N Signale oder höhere Frequenz umfasst. Eine experimentelle Analyse hat gezeigt, dass die durch Verbrennung und den sich durch die verschiedenen Stufen des Verbrennungsprozesses P_ZYL(θ) bewegenden Kolben hervorgerufene Druckschwankung die erste, niedrigste Frequenzoberschwingung zu sein pflegt. Durch Isolieren dieses ersten harmonischen Signals kann P_ZYL(θ) gemessen und beurteilt werden. Wie aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, liefern FFT Informationen bezüglich der Größenordnung und Phase jeder festgestellten Oberschwingung, die als der Term Φ in jeder Oberschwingung der vorstehenden. Gleichung erfasst ist. Der Winkel der ersten Oberschwingung oder Φ₁ ist daher der dominante Term, der die Verbrennungsphasenregelungsinformationen verfolgt. Durch Analysieren der Komponente der FFT-Ausgabe, die mit P_ZYL in Verbindung steht, können die Phasenregelungsinformationen dieser Komponente quantifiziert und entweder mit erwarteter Phasenregelung oder der Phasenregelung anderer Zylinder verglichen werden. Dieser Vergleich erlaubt ein Beurteilen der gemessenen Phasenregelungswerte und die Anzeige einer Warnung, wenn die Differenz größer als eine Schwellenphasenregelungsdifferenz ist, was Verbrennungsprobleme in diesem Zylinder anzeigt.
Durch FFT analysierte Signale werden am effizientesten geschätzt, wenn sich das Eingangssignal bei einem stabilen Zustand befindet. Transiente Wirkungen eines sich ändernden Eingangssignals können Fehler bei den ausgeführten Schätzungen erzeugen. Während Verfahren bekannt sind, um die Wirkungen von transienten Eingangssignalen auszugleichen, werden die hierin offenbarten Verfahren am besten entweder bei Leerlauf oder stabilen, mittleren Motordrehzahlbedingungen ausgeführt, bei denen die Wirkungen von Transienten eliminiert sind. Ein bekanntes Verfahren zum Verwirklichen des Tests in einem annehmbar stabilen Testzeitraum besteht darin, Abtastungen zu nehmen und einen Algorithmus in dem Steuermodul zu verwenden, um die Testdaten, die während eines stabilen Motorbetriebzeitraums genommen werden, entweder für gültig oder ungültig zu erklären.
Zu beachten ist, dass die Testdaten zwar vorzugsweise bei Leerlauf oder stabilem Motorbetrieb genommen werden, doch Informationen, die aus diesen Analysen abgeleitet sind, durch komplexe programmierte Berechnungen oder Motormodelle genutzt werden können, um eine präzisere Motorsteuerung während verschiedener Bereiche von Motorbetrieb zu bewirken. Wenn zum Beispiel Testen und Analyse bei Leerlauf zeigt, dass Zylinder Nummer 4 eine teilweise verstopfte Einspritzvorrichtung aufweist, könnten die Kraftstoffeinspritzzeiten für diesen Zylinder während unterschiedlicher Betriebsbereiche abgewandelt werden, um das wahrgenommene Problem zu kompensieren.
Sobald Zylinderdrucksignale durch FFT analysiert wurden, können Informationen aus dem Drucksignal auf verschiedene Weise verwendet werden, um den Verbrennungsprozess zu analysieren. Zum Beispiel kann das analysierte Drucksignal verwendet werden, um ein anteiliges Druckverhältnis zu erzeugen, wie in den vorstehenden Verfahren erläutert wird, und wird verwendet, um den Prozentsatz der Massenanteilverbrennung zu beschreiben, um das Fortschreiten des Verbrennungsprozesses zu beschreiben.
Sobald ein Maß, beispielsweise Druckmesswerte, verfügbar sind, können andere beschreibende Parameter, die einen Verbrennungsprozess betreffen, berechnet werden. Submodelle, die bestimmte Eigenschaften eines Verbrennungsprozesses beschreiben, können eingesetzt werden, die physikalische Eigenschaften und Beziehungen verwenden, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind, um Zylinderdrücke und andere mühelos verfügbare Motorsensorterme in eine Variable umzuwandeln, die den Verbrennungsprozess beschreibt. Zum Beispiel kann der volumetrische Wirkungsgrad, ein Verhältnis von Luft/Kraftstoff-Ladung, die in den Zylinder strömt, verglichen mit der Aufnahmefähigkeit des Zylinders, durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. η_VE = f(RPM, P_im, ṁ_a) [12]
RPM oder Motordrehzahl ist durch einen Kurbelwellendrehzahlsensor leicht messbar, wie vorstehend beschrieben ist. P_im oder Ansaugkrümmerdruck wird typischerweise mit der Motorsteuerung in Verbindung stehend gemessen und ist ein mühelos verfügbarer Term. ṁ_a oder der Anteil an frischem Luftmassenstrom der in den Zylinder strömenden Ladung ist ebenfalls ein Term, der häufig in dem Luftansaugsystem des Motors gemessen wird, oder kann alternativ aus P_im, Umgebungsluftdruck und bekannten Eigenschaften des Luftansaugsystems mühelos abgeleitet werden. Eine andere Variable, die den Verbrennungsprozess beschreibt und die aus Zylinderdrücken und anderen mühelos verfügbaren Sensormesswerten abgeleitet werden kann, ist das Ladungsströmen in den Zylinder ṁ_c. ṁ_c kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden.
D ist gleich der Verdrängung des Motors. R ist eine Gaskonstante, die aus dem Stand der Technik gut bekannt ist. T_im ist ein Temperaturmesswert von dem Ansaugkrümmer. Eine andere Variable, die den Verbrennungsprozess beschreibt und die von Zylinderdrücken sowie anderen mühelos verfügbaren Sensormesswerten abgeleitet werden kann, ist AGR% bzw. der Prozentsatz von Abgas, der in den Abgasrückführungskreislauf zurückgeleitet wird. AGR% kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden.
Eine noch andere Variable, die den Verbrennungsprozess beschreibt und die aus Zylinderdrücken und anderen mühelos verfügbaren Sensormesswerten abgeleitet werden kann, ist CAx, wobei x gleich einem erwünschten anteiligen Druckverhältnis ist. CAx kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden.
Das Einfüllen des erwünschten anteiligen Druckverhältnisses als Z und das Lösen für θ ergibt CAx. CA50 kann zum Beispiel wie folgt ermittelt werden.
Es können auch verschiedene Temperaturen in dem Brennraum aus Zylinderdrücken und anderen mühelos verfügbaren Sensormesswerten geschätzt werden. 25 stellt eine Anzahl unterschiedlicher Temperaturen dar, die gemäß der vorliegenden Offenbarung in dem Brennraum schätzbar sind und für das Beschreiben des Verbrennungsprozesses hilfreich sind. T_a, die durchschnittliche Temperatur in dem Brennraum, kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden.
P_max ist der maximale Druck, der in dem Brennraum durch den Verbrennungsprozess erreicht wird. PPL ist ein Maß des Kurbelwinkels, bei dem P_max auftritt. V(PPL) ist das Volumen des Zylinders an dem Punkt, an dem P_max auftritt. T_u, die durchschnittliche Temperatur des noch nicht verbrannten oder unverbrannten Teils der Ladung in dem Brennraum, kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden.
ṁ_f ist der Kraftstoffmassenstrom und kann entweder aus einem bekannten Kraftstoffverteilerrohrdruck kombiniert mit bekannten Eigenschaften und dem Betrieb der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen oder aus ṁ_c und ṁ_a ermittelt werden. α und β sind Kalibrierungen, die auf Motordrehzahl und Last beruhen und können experimentell, empirisch, prädiktiv, durch Modellierung oder anderen Techniken entwickelt werden, die adäquat sind, um Motorbetrieb genau vorherzusagen, und es könnten eine Vielzahl von Kalibrierungskurven von dem gleichen Motor für jeden Zylinder und für unterschiedliche Motoreinstellungen, -bedingungen oder -betriebsbereiche verwendet werden. λ_s ist das stöchiometrische Luft/ Kraftstoff-Verhältnis für den bestimmten Kraftstoff und umfasst Werte, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind. T_Abg ist eine gemessene Abgastemperatur. T_im und P_im sind Temperatur- und Druckmesswerte, die an dem Ansaugkrümmer genommen sind. P_max – ΔP beschreibt den Druck in dem Brennraum kurz vor Beginn der Verbrennung. γ ist eine spezifische Wärmekonstante, die vorstehend beschrieben ist. T_b, die durchschnittliche Temperatur des verbrannten Teils der Ladung in dem Brennraum, kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden.
Zu beachten ist, dass die vorstehenden Gleichungen in einem Verfahren, das aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, vereinfacht werden, indem der Wärmeverlust an die Zylinderwand vernachlässigt wird. Verfahren zum Kompensieren dieser Vereinfachung sind aus dem Stand der Technik gut bekannt und werden hierin nicht näher beschrieben. Durch die Verwendung der vorstehend erwähnten Beziehungen und Ableitungen können Zylinderdruck und andere mühelos verfügbare Sensormesswerte verwendet werden, um eine Anzahl von Parametern zu ermitteln, die den überwachten Verbrennungsprozess beschreiben.
Wie vorstehend beschrieben können Zylinderdruckmesswerte verwendet werden, um einen in dem Brennraum auftretenden Verbrennungszustand zur Verwendung als Faktor beim Schätzen von NOx-Erzeugung zu beschreiben. Wie ebenfalls vorstehend beschrieben sind eine Anzahl anderer Faktoren für das genaue Schätzen von NOx-Erzeugung relevant. 26 ist eine graphische Darstellung von beispielhaften modellierten Ergebnissen, die standardisierte Wirkungen einer Anzahl von Eingaben zu NOx-Emissionen unter einer vorgegebenen Reihe von Bedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Wie vorstehend beschrieben sind Verfahren bekannt, die ein Modellmodul und ein NOx-Schätzmodul verwenden, um NOx-Erzeugung beruhend auf bekannten Eigenschaften eines Motors zu simulieren oder zu schätzen. Das in dieser bestimmten beispielhaften Analyse zum Charakterisieren von NOx-Erzeugung durch einen Verbrennungsprozess genutzte Modell kann durch den folgenden Ausdruck charakterisiert werden. NOx = NNT(Pmax, CA50, CApmax, AGR%, AFR) [20]
Wie in den graphischen Ergebnissen von 26 gezeigt haben eine Anzahl von Faktoren unterschiedliche Wirkungen auf NOx-Erzeugung. Unter dieser bestimmten Reihe von Bedingungen hat AGR% die größte Wirkung auf die NOx-Erzeugung für den modellierten Motor. In diesem Fall senkt durch aus dem Stand der Technik gut bekannte Verfahren das Rückführen einer bestimmten Menge von Abgas durch den AGR-Kreislauf zurück in den Brennraum die adiabatische Flammentemperatur des Verbrennungsprozesses, wodurch die Temperaturen gesenkt werden, denen Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle werden der Verbrennung ausgesetzt werden, und wodurch die Rate der NOx-Erzeugung gesenkt wird. Durch Untersuchen solcher Modelle unter verschiedenen Motorbetriebsbedingungen können dem neuronalen Netz die brauchbarsten Eingaben geliefert werden, um genaue Schätzungen der NOx-Erzeugung vorzusehen. Ferner liefert das Untersuchen solcher Modelle Informationen, die für das Wählen von Eingabedaten zum anfänglichen Einlernen des neuronalen Netzes, für das Verändern von Eingaben und Vorsehen entsprechender Ausgaben zu Sensoreingaben und beschreibenden Parametern, die sich am wahrscheinlichsten auf NOx-Erzeugung auswirken, brauchbar sind.
Durch die vorstehend beschriebenen Verfahren können Schätzungen von NOx-Erzeugung für eine Reihe von Motorsensoreingaben erzeugt werden. Wie für den Durchschnittsfachmann nachvollziehbar ist, wirken Gleichungen und Modellprognosen von Motorbetrieb häufig am effektivsten, wenn der Motor bei oder nahe Dauerleistung arbeitet. Es können aber Beobachtungen und Prognosen bezüglich der Wirkungen von transientem oder dynamischem Motorbetrieb auf Schätzungen der NOX-Erzeugung oder die Genauigkeit derselben gemacht werden. Ein beispielhafter Ausdruck, der ein dynamisches Modell oder ein dynamisches Filtermodul beschreibt, ist durch das Folgende gezeigt: dNOx / dt = f(NOx, y, AGR%, AFR, Ta, RPM) [21] wobei gegenwärtige NOx-Messwerte und eine Ausgabe y von einem eingelernten neuronalen Netz genutzt werden, um eine Änderung der NOx-Erzeugung zu schätzen. Eine solche Änderungsvariable kann verwendet werden, um NOx-Erzeugung inkremental zu schätzen, oder kann verwendet werden, um Schätzungen von NOx-Erzeugung zu prüfen oder zu filtern. 27 stellt schematisch ein beispielhaftes System dar, das eine Schätzung von NOx-Erzeugung erzeugt, wobei es Modelle in einem neuronalen Netz nutzt, um Schätzungen von NOx-Erzeugung zu erzeugen, und ein dynamisches Modellmodul umfasst, um Schätzungen der NOx-Erzeugung bezüglich Wirkungen von dynamischen Motor- und Fahrzeugbedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung auszugleichen [engl. ”to compensated”]. Das NOx-Erzeugungsschätzsystem 400 umfasst ein Modellmodul 410, ein neuronales Netzmodul 420 und ein dynamisches Modellmodul 430. Faktoren, die sich unter den aktuellen Betriebsbedingungen am wahrscheinlichsten auf die Schätzung von NOx-Erzeugung unter dynamischen oder sich ändernden Bedingungen auswirken, können experimentell, empirisch, prädikativ, durch Modellierung oder andere Techniken ermittelt werden, die adäquat sind, um Motorbetrieb genau vorherzusagen. Eingaben bezüglich dieser Faktoren werden dem dynamischen Modellmodul 430 zusammen mit der Ausgabe von dem neuronalen Netzmodul 420 eingespeist, und die Rohausgabe von dem neuronalen Netz kann beruhend auf den projizierten Wirkungen der dynamischen Bedingungen, die durch das dynamische Modellmodul 430 ermittelt werden, angepasst, gefiltert, gemittelt, entpriorisiert oder anderweitig modifiziert werden. Auf diese Weise können die Wirkungen von dynamischen Motor- oder Fahrzeugbetriebsbedingungen bei der Schätzung von NOx-Erzeugung berücksichtigt werden.
Wie vorstehend beschrieben kann die Integration als Tiefpassfilter bei dem Vergleich eines tatsächlichen Umwandlungswirkungsgrads mit einem Fehlfunktionsumwandlungswirkungsgrad verwendet werden. Die erzeugten Daten können häufig unstet, mit einer Anzahl von Spitzen sein. Die Auslegung der verschiedenen Signale, vor allem ein Vergleich der verschiedenen vorhergesagten NOx-Werte zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, ist für Fehlauslegung oder falsche Bestimmungen anfällig. Ein Vergleich der durch Integration erzeugten Datenkurven ist stark vereinfacht, und das Potential für Fehlauslegung oder falsche Bestimmungen ist in einem Vergleich stark verringert.
Wie vorstehend beschrieben kann die Ermittlung des Umwandlungswirkungsgrads hilfreich sein, um Ammoniakerzeugungszyklen zu betreiben. Der Umwandlungswirkungsgrad ist als der Wirkungsgrad beschrieben, mit dem eine Nachbehandlungsvorrichtung NOx zu anderen Molekülen umwandeln kann. Das vorstehend beschriebene beispielhafte Nachbehandlungssystem beschreibt einen gemessenen oder geschätzten NOx-Gehalt des Abgasstroms, der stromaufwärts der analysierten Nachbehandlungsvorrichtung gemessen wird. Dieses Maß an NOx, das in das Nachbehandlungssystem eindringt, kann zu einer beliebigen Zeit t als x(t) beschrieben werden. Das vorstehend beschriebene beispielhafte Nachbehandlungssystem beschreibt einen gemessenen oder geschätzten NOx-Gehalt des Abgasstroms, der stromabwärts der analysierten Nachbehandlungsvorrichtung gemessen wird. Dieses Maß an NOx, das aus dem Nachbehandlungssystem austritt, kann zu einer beliebigen Zeit als y(t) beschrieben werden. Der Umwandlungswirkungsgrad zu einer beliebigen vorgegebenen Zeit durch die folgende Gleichung.
Es versteht sich, dass diese Gleichung den Umwandlungswirkungsgrad zu einem beliebigen Zeitpunkt vorsieht. Solche Momentanmessungen oder -berechnungen sind beruhend auf Signalrauschen fehleranfällig. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Anlegen eines Tiefpassfilters bekannt. Eine Integration von x(t) oder y(t) ergibt eine Beschreibung einer Menge von tatsächlichem NOx, das während eines Zeitraums jeweils in das Nachbehandlungssystem eindringt oder aus diesem austritt. Eine beispielhafte Gleichung zum Ermitteln eines integrierten Umwandlungswirkungsgrads, wobei anomale Messungen in x(t) und y(t) gefiltert werden, kann wie folgt beschrieben werden. η_TATSÄCHLICH(t) = ∫y(t)·dt / ∫y(t)·dt [23]
Auf diese Weise können gemessene oder geschätzte Werte von NOx, das in das Nachbehandlungssystem eindringt oder aus diesem austritt, genutzt werden, um einen geschätzten oder berechneten tatsächlichen Umwandlungswirkungsgrad des Nachbehandlungssystems zu ermitteln.
Eine ordnungsgemäß arbeitende oder frische Nachbehandlungsvorrichtung arbeitet mit einem gewissen maximal erreichbaren Umwandlungswirkungsgrad bei einer vorgegebenen Reihe von Bedingungen. Es versteht sich aber, dass Nachbehandlungsvorrichtungen, insbesondere Vorrichtungen, die einen Katalysator verwenden, im Laufe der Zeit und insbesondere bei Einwirken von hohen Temperaturen einer verschlechterten Leistung unterliegen. Das Feststellen eines Fehlfunktionskatalysators ist beim Beibehalten von niedrigen NOx-Emissionen und fortgesetztem Ermöglichen von kraftstoffeffizienten Motorbetriebsmodi wünschenswert.
Der Umwandlungswirkungsgrad in einer frischen Vorrichtung wird durch eine Reihe von Umwelt- oder Betriebsfaktoren beeinflusst. Der Umwandlungswirkungsgrad für eine beispielhafte SCR kann durch ein Modell ermittelt werden, das durch die folgende Funktion ausgedrückt wird. η = f(T_BETT, SV, θ_NH3, x(t), V_HARNSOFF, ρ_ZELLE) [24]
T_BETT beschreibt die Temperatur des Katalysatorbetts in der SCR. Diese Temperatur kann direkt gemessen werden oder kann beruhend auf Temperatur, Strömgeschwindigkeit und anderen Eigenschaften des Abgasstroms geschätzt werden. SV beschreibt die Raumgeschwindigkeit des Abgases, das durch die SCR-Vorrichtung strömt, und kann als Funktion von Eigenschaften des Abgasstroms, einschließlich Temperatur und Strömgeschwindigkeit, ermittelt werden. SV kann als der durch das Katalysatorvolumen normalisierte Standardvolumenstrom beschrieben werden. θ_NH3 beschreibt eine Menge von Ammoniakspeicherung auf dem Katalysatorbett, und es ist ein ausreichendes Vorhandensein von Ammoniak auf der SCR erforderlich, um die erwünschte NOx-Umwandlungsreaktion zu erreichen. θ_NH3 kann zum Beispiel durch Analysieren von Absorptions- und Desorptionsraten von Ammoniak, NOx-Umwandlungsraten und Oxidationsraten von adsorbiertem Ammoniak geschätzt werden. Wie vorstehend beschrieben beschreibt x(t) das Vorhandensein von NOx in dem Abgasstrom, der in das Nachbehandlungssystem eindringt. Niedrige NOx-Werte werden in einer ordnungsgemäß funktionierenden SCR problemlos reagiert, während NOx-Werte über einem bestimmten Schwellenwert schwieriger zu reagieren sind und niedrigeren Umwandlungswirkungsgraden entsprechen. Ein Beispiel für einen Faktor, der die Behandlung von NOx oberhalb von bestimmten Mengen beschränkt, umfasst ein in einer SCR vorhandenes beschränktes Ammoniak. V_HARNSTOFF beschreibt das Volumen von eingespritztem Harnstoff. Während V_HARNSTOFF ein Vorhandensein von Ammoniak analog zu θ_NH3 beschreibt, umfasst V_HARNSTOFF ein vorhandenes Maß an Harnstoff, der eingespritzt wird, und kann besser einen transienten Indikator für Ammoniak beschreiben, das in der nahen Zukunft erwartungsgemäß vorhanden ist. ρ_ZELLE beschreibt die Dichte von Katalysatormaterial in der SCR und beschreibt daher eine Fähigkeit der SCR, die gewünschte Reaktion zu katalysieren.
Das vorstehende Modell, das den Umwandlungswirkungsgrad beschreibt, umfasst Faktoren, die bei einem normalen Betrieb einer SCR angenommen oder bestätigt werden können. Dadurch kann das Modell vereinfacht werden, wodurch eine zum Analysieren von Umwandlungswirkungsgrad durch das Modell erforderliche Verarbeitungslast verringert wird. Zum Beispiel kann V_HARNSTOFF durch Betrieb des Harnstoffdosiermoduls überwacht werden, und bei V_HARNSTOFF-Werten in einem bestimmten Sollbereich sollten die sich ergebenden Umwandlungswirkungsgradberechnungen unbeeinflusst bleiben. In manchen Ausführungsformen wird V_HARNSTOFF so gesteuert, dass es im Wesentlichen direkt proportional zu x(t) ist. Ferner kann θ_NH3 in manchen Ausführungsformen beruhend auf V_HARNSTOFF, überwachten Eigenschaften des Abgasstroms und der SCR, beispielsweise der Temperatur, und x(t) geschätzt werden. Bei θ_NH3-Werten in einem normalen Bereich kann θ_NH3 auf einen Teil des funktionellen Modells, der von T_BETT abhängig ist, reduziert werden. Ein Wert für x(t), wie er vorstehend beschrieben ist, kann durch einen stromaufwärts befindlichen NOx-Sensor oder einen virtuellen NOx-Sensor überwacht werden. ρ_ZELLE ist eine Eigenschaft der SCR-Vorrichtung und ist ein bekannter Wert. Aufgrund dieser bekannten oder schätzbaren Faktoren kann der Umwandlungswirkungsgrad für eine beispielhafte SCR durch ein vereinfachtes Modell ermittelt werden, das durch die folgende Funktion ausgedrückt wird. η = f(T_BETT, SV, θ_NH3) [25]
Auf diese Weise kann der Umwandlungswirkungsgrad der SCR durch Halten anderer Faktoren in bekannten oder kalibrierten Bereichen präzis als Onboard-Diagnosefunktion ermittelt werden.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen derselben beschrieben. Dritten können beim Lesen und Verstehen der Beschreibung weitere Abwandlungen und Änderungen einfallen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die bestimmte(n) Ausführungsformen) beschränkt sein, die als die beste Methode offenbart ist/sind, die zum Ausführen dieser Offenbarung erwogen wird/werden, sondern die Offenbarung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen derselben beschrieben. Dritten können beim Lesen und Verstehen der Beschreibung weitere Abwandlungen und Änderungen einfallen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die bestimmten) Ausführungsform(en) beschränkt sein, die als die beste Methode offenbart ist/sind, die zum Ausführen dieser Offenbarung erwogen wird/werden, sondern die Offenbarung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs, der einen Verbrennungsmotor (10), der einen Brennraum (34) enthält, und ein Nachbehandlungssystem (15) umfasst, das eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (220) enthält, die Ammoniak als ein Reduktionsmittel verwendet, wobei das Verfahren umfasst: selektives Auslösen eines Ammoniakerzeugungszyklus, umfassend: Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum vor einem primären Verbrennungsvorgang zu einem kalibrierten Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem überstöchiometrischen Bereich beruhend auf einer Erzeugung von NOx in dem Brennraum, und Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum nach dem primären Verbrennungsvorgang, das eine Reformierung des eingespritzten Kraftstoffs in dem Brennraum zur Folge hat, beruhend auf einem Gesamt-Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem unterstöchiometrischen Bereich und einer resultierenden Erzeugung von molekularem Wasserstoff; und Verwenden einer Katalysatorvorrichtung zwischen dem Motor und der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, um Ammoniak zu erzeugen dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierung des eingespritzten Kraftstoffs in dem Brennraum unvollständig ist; und dass das Verfahren ferner umfasst, dass ein Anteil des eingespritzten Kraftstoffs an einem Wasserstoff bildenden Katalysator zwischen dem Motor und der Katalysatorvorrichtung reformiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reformierung des eingespritzten Kraftstoffs in dem Brennraum und das Reformieren des Anteils des eingespritzten Kraftstoffs an einem Wasserstoff bildenden Katalysator durch Einstellen einer zeitlichen Steuerung einer Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum nach dem primären Verbrennungsvorgang gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum nach dem primären Verbrennungsvorgang, das eine Reformierung des eingespritzten Kraftstoffs in dem Brennraum zur Folge hat, selektiv ausgeführt wird; wobei das Verfahren ferner umfasst, dass eingespritzter Kraftstoff an dem Wasserstoff bildenden Katalysator selektiv reformiert wird; und wobei zwischen dem selektiven Reformieren von eingespritztem Kraftstoff in dem Brennraum und dem selektiven Reformieren von eingespritztem Kraftstoff an dem Wasserstoff bildenden Katalysator ausgewählt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das selektive Reformieren von eingespritztem Kraftstoff an dem Wasserstoff bildenden Katalysator umfasst, dass Kraftstoff in den Brennraum oder in das Nachbehandlungssystem eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gesamt-Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem unterstöchiometrischen Bereich auf einer Erzeugung eines angestrebten Verhältnisses von Wasserstoffmolekülen zu NO-Molekülen basiert, wobei insbesondere das angestrebte Verhältnis von Wasserstoffmolekülen zu NO-Molekülen zwischen 3:1 und 5:1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Auslösen des Ammoniakerzeugungszyklus auf einer geschätzten Ammoniakspeicherung in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (220) basiert, und/oder wobei das selektive Auslösen des Ammoniakerzeugungszyklus auf einer Motorlast basiert, wobei insbesondere das selektive Auslösen des Ammoniakerzeugungszyklus auf Grundlage der Motorlast prädiktiv auf Grundlage von prädiktiven Daten geplant wird, die einen erwarteten Betrieb des Antriebsstrangs beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Antriebsstrang ferner einen Hybrid-Antriebsstrang umfasst, der eine ein elektrisches Drehmoment erzeugende Vorrichtung umfasst; und wobei das Verfahren ferner umfasst, dass eine Motorlast zu einer bevorzugten Motorlast während des Ammoniakerzeugungszyklus moduliert wird, und/oder wobei der Antriebsstrang ferner einen Hybrid-Antriebsstrang umfasst, der eine ein elektrisches Drehmoment erzeugende Vorrichtung umfasst; und wobei das Verfahren ferner umfasst, dass eine Motorlast zu einer bevorzugten Motorlast auf Grundlage dessen moduliert wird, dass ein Ammoniakschlupf in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei das Gesamt-Luft/Kraftstoff-Verhältnis so eingestellt ist, dass molekularer Wasserstoff mit einem angestrebten Verhältnis zu der Erzeugung von NOx erzeugt wird; und wobei das selektive Auslösen des Ammoniakerzeugungszyklus auf einem Ammoniakgebrauch in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion basiert.
Vorrichtung zur Steuerung eines Antriebsstrangs, der einen Verbrennungsmotor (10), der einen Brennraum (34) enthält und eine Abgasströmung emittiert, und ein Nachbehandlungssystem (15) aufweist, das eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (220) aufweist, die Ammoniak als ein Reduktionsmittel verwendet, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Ammoniakerzeugungskatalysator in dem Nachbehandlungssystem zwischen dem Motor und der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, der eine Erzeugung von Ammoniak aus molekularem Wasserstoff und in der Abgasströmung vorhandenem NO erleichtert; und ein Steuermodul (5, 205), das derart konfiguriert ist, dass: ein Ammoniakerzeugungszyklus selektiv ausgelöst wird, umfassend ein: Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum vor einem primären Verbrennungsvorgang zu einem kalibrierten Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf Grundlage der Erzeugung von NOx in dem Brennraum, und Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum nach dem primären Verbrennungsvorgang auf Grundlage eines Gesamt-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem Brennraum und resultierende Erzeugung des molekularen Wasserstoffs aus einer Reformierung des eingespritzten Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoff bildender Katalysator in dem Nachbehandlungssystem zwischen dem Motor und dem Ammoniakerzeugungskatalysator vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum (34) nach dem primären Verbrennungsvorgang eine zeitliche Steuerung der Einspritzung aufweist, um eine Reformierung in dem Brennraum zu unterstützen, und/oder ferner umfassend ein Direkteinspritz-Kraftstoffeinspritzsystem, und/oder wobei die Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (220) nahe einem Partikelfilter angeordnet ist, und/oder ferner mit einem Harnstoffeinspritzsystem; und wobei das Steuermodul (5, 205) ferner derart konfiguriert ist, dass es das Harnstoffeinspritzsystem und den Ammoniakerzeugungszyklus koordiniert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Steuermodul (5, 205) ferner derart konfiguriert ist, dass ein Ammoniakgebrauch in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (220) überwacht wird; und wobei das selektive Auslösen des Ammoniakerzeugungszyklus auf der Überwachung des Ammoniakgebrauchs in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion basiert, wobei insbesondere das Überwachen des Ammoniakgebrauchs in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion ein Schätzen einer Ammoniakspeicherung in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion umfasst, und/oder wobei das Überwachen des Ammoniakgebrauchs in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion ein Schätzen eines Ammoniakschlupfs in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion umfasst, und/oder wobei das Überwachen des Ammoniakgebrauchs in der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion ein Überwachen eines NOx-Durchbruchs an der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion vorbei umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei insbesondere der Wasserstoff bildende Katalysator nahe einem Partikelfilter angeordnet ist, oder wobei der Ammoniakerzeugungskatalysator und der Wasserstofferzeugungskatalysator in einer unitären Vorrichtung angeordnet sind, wobei insbesondere die unitäre Vorrichtung ein Partikelfilter ist.