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TECHNISCHES GEBIET
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Der hier beschriebene Gegenstand bezieht sich allgemein auf die Emissionsregelung in Brennkraftmaschinen und speziell auf die Regelung von CO- und NOx-Emissionen in einer Brennkraftmaschine.
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HINTERGRUND
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Brennkraftmaschinen werden idealerweise in einer Weise betrieben, dass die Verbrennungsmischung Luft und Brennstoff in den genauen relativen Anteilen enthält, die für eine stöchiometrische Verbrennungsreaktion erforderlich sind. Eine mit fetter Verbrennung betriebene Maschine kann mit einer stöchiometrischen Menge von Brennstoff oder einem geringen Überschuss an Brennstoff betrieben werden, während eine mit magerer Verbrennung betriebene Maschine, verglichen mit der zur stöchiometrischen Verbrennung erforderlichen Menge, mit überschüssigem Sauerstoff (O2) betrieben wird. Der Betrieb einer Brennkraftmaschine im mageren Modus kann Drosselverluste vermindern und Nutzen aus den höheren Kompressionsverhältnissen ziehen und dadurch Verbesserungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und Effizienz ergeben. Andererseits sind fett betriebene Maschinen relativ einfach, zuverlässig und stabil und passen sich gut an sich ändernde Belastungen an.
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Um Emissionsstandards zu erfüllen, benutzen viele fett verbrennende Brennkraftmaschinen Untersysteme zur nicht-selektiven katalytischen Reduktion (NSCR), die auch als Dreiweg-Katalysator bekannt sind. Diese Untersysteme verringern Emissionen an Stickstoffoxiden NO und NO2 (kollektiv NOx), Kohlenmonoxid (CO) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) zusammen mit anderen regulierten Emissionen. Dreiweg-Katalysatoren haben hohe Reduktionswirksamkeiten und sie sind wirtschaftlich, erfordern jedoch eine enge Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Maschine, um Emissionsstandards zu erfüllen. Diese Standards werden manchmal in Gramm Emissionen pro Brems-Pferdestärken-Stunde (g/bhp-hr) bzw. Nutzleistung angegeben.
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Früher war die Emissionsregelung beim fetten Verbrennen mit einem Katalysator nur unter O2-Anzeige sowohl an der Eingabe- als auch der Ausgabestelle des Katalysator-Untersystems möglich. In solchen Systemen hält ein auf das Luft/Brennstoff-Verhältnis eingestelltes Regel-Untersystem kontinuierlich einen konstanten O2-Gehalt im Abgas aufrecht. Der Zielwert für den konstanten O2-Gehalt (der O2-Spannungssollwert) war statisch. Gelegentlich gestatteten diese Regelsysteme eine größere Variation von Emissionen über variierende Betriebs- und Umgebungsbedingungen sowie Verschiebungen im Betriebsfenster des Katalysators als optimal ist. Der Grund ist, dass man zum Erreichen geringer NOx- und CO-Emissionsniveaus nicht einfach den O2-Spannungssollwert bei einem einzigen Wert festsetzen kann. Der optimale O2-Spannungssollwert für die Emissionseinhaltung variiert, neben anderen Bedingungen, in Abhängigkeit von der Belastung, der Geschwindigkeit, den Umgebungsbedingungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieben einer Brennkraftmaschine über einen Bereich von Betriebsbedingungen bereitgestellt, wobei die Brennkraftmaschine mindestens einen O2-Sensor aufweist. Das Verfahren dieses Aspektes schließt das Betreiben der Maschine bei einem anfänglichen O2-Spannungssollwert und das automatische Einstellen des O2-Spannungssollwertes auf einen neuen O2-Spannungssollwert ein, um Emissionen zu verringern.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Verbessern der Emissions-Leistungsfähigkeit einer Brennkraftmaschine über einen Bereich von Betriebsbedingungen bereitgestellt. Das System dieses Aspektes schließt ein Katalysator-Untersystem zum Behandeln von Abgas aus der Brennkraftmaschine, einen O2-Sensor, der stromaufwärts vom Katalysator-Untersystem angeordnet ist, und einen NOx-Sensor ein, der in dem Abgas angeordnet ist. Das System dieses Aspektes schließt auch ein Regel-Untersystem ein, das Daten von dem O2-Sensor und dem NOx-Sensor erhält und automatisch einen O2-Spannungssollwert auf einen neuen Spannungssollwert einstellt, um Emissionen zu verringern.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Regelsystem zum Regeln von Emissionen im Abgas in einer Brennkraftmaschine bereitgestellt. Das Regelsystem dieses Aspektes schließt mindestens ein Untersystem, das einen O2-Spannungssollwert regelt, mindestens ein Untersystem, das NOx-Emissionen im Maschinenabgas misst und mindestens ein Untersystem ein, das einen Lambda-Durchlauf initiiert, um einen optimalen O2-Spannungssollwert zu bestimmen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Regeln von Emissionen im Abgas einer Brennkraftmaschine bereitgestellt. Das Verfahren dieses Aspektes schließt das Messen von NOx-Emissionen, das Initiieren eines Lambda-Durchlaufes zum Bestimmen eines O2-Spannungssollwertes, bei dem NOx-Emissionen bei der neuen Betriebsbedingung die NOx-Emissionsstandards erfüllen, und das Betreiben der Brennkraftmaschine bei dem neuen O2-Spannungssollwert ein.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden computerlesbare Medien bereitgestellt. Die computerlesbaren Medien dieses Aspektes bieten Instruktionen, die bei der Ausführung durch ein Regelmodul, das Emissionen im Abgas einer Brennkraftmaschine regelt, das Regelmodul veranlasst, NOx-Emissionen zu messen, einen Lambda-Durchlauf zum Bestimmen eines O2-Spannungssollwertes zu initiieren, bei dem NOx-Emissionen bei der neuen Betriebsbedingung NOx-Emissionsstandards erfüllen, und die Brennkraftmaschine bei dem neuen O2-Spannungssollwert betreiben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die folgende Beschreibung der Zeichnung soll in keiner Weise einschränkend sein und sollte auch nicht dahingehend interpretiert werden.
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1 ist eine Darstellung eines Beispiels eines Brennkraftmaschinensystems gemäß einer Ausführungsform.
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2 ist ein Diagramm, das den Einfluss von Betriebsbedingungen auf ein Fenster veranschaulicht, innerhalb dessen NOx-Emissionsvorschriften erfüllt werden (Erfüllungsfenster).
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3 ist ein Fließbild, das ein Verfahren einer Ausführungsform zeigt.
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4 ist ein Diagramm, das das Betriebsprinzip einer Ausführungsform veranschaulicht.
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5 ist ein Fließbild, das ein Verfahren einer Ausführungsform zeigt.
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6 ist ein Diagramm, das das Betriebsprinzip einer Ausführungsform zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In 1 ist ein Brennkraftmaschinensystem 1 mit verbesserten Emissions-Regelungsmöglichkeiten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Brennkraftmaschinensystem 1 schließt eine linke Zylinderbank 3 und eine rechte Zylinderbank 5 ein. Die linke Zylinderbank 3 schließt eine Vielzahl von Zylindern 7, 9, 11, 13, 15 und 17 ein. Die rechte Zylinderbank 5 schließt eine Vielzahl von Zylindern 19, 21, 23, 25, 27 und 29 ein. Obwohl das Brennkraftmaschinensystem 1 in dieser Ausführungsform mit zwölf Zylindern veranschaulicht ist, kann irgendeine Anzahl von Zylindern (1, 2, 4, 8, 14, 16 usw.) benutzt werden. Das Brennkraftmaschinensystem 1 schließt auch ein Schwungrad 31 ein.
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Das Brennkraftmaschinensystem 1 schließt auch einen rechten Regulator 33, der mit der rechten Zylinderbank 5 verbunden ist, und einen linken Regulator 35 ein, der mit der linken Zylinderbank 3 verbunden ist. Der rechte Regulator 33 regelt die Strömung von Luft und Treibstoff zur rechten Zylinderbank 5 und der linke Regulator 35 regelt die Strömung von Luft und Brennstoff zur linken Zylinderbank 3. Ein Regulator ist eine Vorrichtung, die die Betriebsparameter eines Systems bestimmt und aufrechterhält, üblicherweise innerhalb gewisser vorgeschriebener oder vorgegebener Grenzen. Der rechte Regulator 33 und der linke Regulator 35 stellen das Luft/Brennstoff-Verhältnis in der rechten Zylinderbank 5 bzw. der linken Zylinderbank 3 ein. Obwohl die in 1 veranschaulichte Ausführungsform sich auf einen Regulator bezieht, kann irgendeine Vorrichtung oder eine Kombination von Vorrichtungen eingeschlossen sein, die dazu benutzt werden kann, das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu regeln, wie z.B. elektronische Brennstoff-Injektionsvorrichtungen, Vergaser und Ähnliche.
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Verbunden mit der rechten Zylinderbank 5 und der linken Zylinderbank 3 ist ein Leitungssystem 37, das die Abgase aus dem Brennkraftmaschinensystem 1 befördert. Das Leitungssystem 37 schließt ein linkes Leitungsrohr 38, in dem mindestens ein linker O2-Sensor 39 angeordnet ist, und ein rechtes Leitungsrohr 40 ein, in dem mindestens ein rechter O2-Sensor 41 angeordnet ist. Der linke O2-Sensor 39 und der rechte O2-Sensor 41 (auch als Lambda-Sensoren bekannt) sind elektronische Vorrichtungen, die den Anteil von O2 in dem Abgas innerhalb der Leitungen 38, 40 messen und in Realzeit bestimmen, ob das Luft/Brennstoff-Verhältnis einer Verbrennungsmaschine fett oder mager ist. Information von dem linken O2-Sensor 39 und dem rechten O2-Sensor 41 kann benutzt werden, indirekt das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen mag nur ein O2-Sensor benutzt werden. Zu den Arten von verfügbaren O2-Sensoren gehören Konzentrationszell-(Zirkoniumdioxidsensoren), Oxidhalbleiter-(TiO2-Sensoren) und elektrochemische O2-Sensoren (den Strom begrenzende Sensoren). Die Sensoren messen typischerweise die O2-Konzentration nicht direkt, sondern vielmehr den Unterschied zwischen der Sauerstoffmenge in dem Abgas und der Sauerstoffmenge in einer Bezugsprobe. Fette Mischungen verursachen eine O2-Anforderung. Diese Anforderung resultiert in einem Aufbau von Spannung aufgrund des Transportes von O2-Ionen durch eine Sensorschicht. Eine magere Mischung resultiert in einer geringen Spannung, da es einen O2-Überschuss gibt.
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Abgase aus dem Brennkraftmaschinensystem 1 werden durch das rechte Leitungsrohr 40 und das linke Leitungsrohr 38 in eine katalytische Kammer 43 befördert, die einen Katalysator zur Reduktion von NOx- und CO-Emissionen enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Katalysator ein Dreiweg-Katalysator sein, wie er üblicherweise für Anwendungen in Brennkraftmaschinen eingesetzt wird. Der Katalysator wandelt CO-, NOx- und VOC-Emissionen durch Reduktion und Oxidation unter Erzeugung von Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser um. Dreiweg-Katalysatoren sind wirksam, wenn die Maschine innerhalb eins engen Bandes von Luft/Brennstoff-Verhältnissen nahe der Stöchiometrie betrieben wird. Die Umwandlungswirksamkeit des Katalysators nimmt signifikant ab, wenn die Maschine außerhalb dieses Bandes von Luft/Brennstoff-Verhältnissen betrieben wird. Bei magerem Maschinenbetrieb gibt es einen Überschuss an O2 und die Reduktion von NOx ist nicht begünstigt. Unter fetten Bedingungen verbraucht Brennstoff den gesamten verfügbaren O2 in dem Abgas vor dem Katalysator, was Oxidationsreaktionen weniger wahrscheinlich macht.
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Ein NOx-Sensor 45 ist stromabwärts von der katalytischen Kammer 43 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen kann der NOx-Sensor stromaufwärts der katalytischen Kammer 43 angeordnet sein (wenn ein Katalysator benutzt wird) oder es können mehrere NOx-Sensoren benutzt werden. NOx-Sensoren sind Vorrichtungen, die Stickstoffoxide in Verbrennungsumgebungen, wie einem Brennkraftmaschinensystem 1, nachweisen. Zur Anpassung zum Einsatz in einem Brennkraftmaschinensystem 1 ist eine Vielzahl verschiedener Sensoren verfügbar. So gibt es z.B. eine Vielzahl elektrochemischer Festkörpersensoren einschließlich Festelektrolyt-(potentiometrische und amperemetrische) und halbleitende Arten.
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Der NOx-Sensor 45, der rechte O2-Sensor 41, der linke O2-Sensor 39, der rechte Regulator 33 und der linke Regulator 35 sind alle an ein Emissionsregel-Modul 47 gekoppelt. Das Emissionsregel-Modul 47 kann als ein Mikroprozessor und als ein Speicher oder als eine Software bereitgestellt sein, die in anderer Weise innerhalb anderer Prozessoren oder elektronischer Systeme bereitgestellt oder eingebettet sein kann, die mit dem Brennkraftmaschinensystem 1 oder in anderen bekannten Formen verbunden sind. Das Emissionsregel-Modul 47 kann in verschiedenen Ausführungsformen Instruktionen einschließen, die durch ein oder mehrere Computervorrichtungen ausführbar sind. Solche Instruktionen können von Computerprogrammen zusammengestellt oder interpretiert sein, die unter Benutzung einer Vielfalt bekannter Programmierungssprachen und/oder -techniken erzeugt sind, einschließlich, ohne Einschränkung und entweder allein oder in Kombination, JavaTM, C, C++, Visual Basic, Java Script, Perl usw. Im Allgemein empfängt ein Prozessor (z.B. ein Mikroprozessor) Instruktionen, z.B. von einem Speicher, einem computerlesbaren Medium usw., und führt diese Instruktionen aus, wodurch ein oder mehrere Prozesse ausgeführt werden, einschließlich eines oder mehrerer der hierin beschriebenen Prozesse. Solche Instruktionen und anderen Daten können unter Benutzung einer Vielfalt bekannter computerlesbarer Medien gespeichert und übertragen werden.
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Ein computerlesbares Medium schließt irgendein Medium ein, das an der Bereitstellung von Daten (z.B. Instruktionen) teilnimmt, die von einem Computer gelesen werden können. Ein solches Medium kann viele Formen annehmen, einschließlich, darauf jedoch nicht beschränkt, nicht-volatile Medien, volatile Medien und Übertragungsmedien. Nicht-volatile Medien schließen, z.B., optische oder magnetische Disketten und andere beständige Speicher ein. Volatile Medien schließen dynamische Speicher mit jederzeit möglichem beliebigem Zugriff zu jeder Speicherzelle (DRAM), der typischerweise einen Hauptspeicher bildet, ein. Übertragungsmedien schließen Koaxialkabel, Kupferdraht und Faseroptik ein, einschließlich der Drähte, die eine Systemsammelleitung umfassen, die mit dem Prozessor verbunden ist. Übertragungsmedien können akustische Wellen, Lichtwellen und elektromagnetische Emissionen einschließen oder übertragen, wie solche, die während Radiofrequenz-(RF) und Infrarot-(IR)Datenkommunikationen erzeugt werden. Übliche Formen computerlesbarer Medien schließen z.B. eine Diskette, eine flexible Diskette, eine Speicherplatte, ein Magnetband oder ein anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, DVD, irgendein anderes optisches Medium, Lochkarten, Papierband, irgendein anderes physisches Medium mit Mustern von Löchern, einen RAM, einen PROM, einen EPROM, einen FLASH-EEPROM oder einen anderen Speicherchip oder eine andere Speicherkartusche, eine Trägerwelle, wie im Folgenden beschrieben, oder irgendein anderes Medium ein, von dem ein Computer lesen kann.
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Das Brennkraftmaschinensystem 1 mit verbesserten Emissions-Regelfähigkeiten kann über einen Bereich von Betriebsbedingungen durch automatisches Einstellen eines Sollwertes eines oder mehrerer O2-Sensoren betrieben werden, wie des linken O2-Sensors 39, des rechten O2-Sensors 41 oder beider. Ein O2-Spannungssollwert ist der Zielwert für O2, den das Emissions-Regelmodul 47 durch Regeln der Brennstoffmenge zu erreichen bestrebt ist, die relativ zur Luftmenge in die Maschine eintritt. Die Brennstoffmenge, die relativ zur Luft in die Maschine eintritt, wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis (AFR) genannt und manchmal als Lambda (λ) ausgedrückt, das das AFR der Maschine relativ zu einem stöchiometrischen AFR ist. Das Brennkraftmaschinensystem 1 bewerkstelligt eine verbesserte Emissions-Leistungsfähigkeit durch Einstellen von Vor-Katalysator-O2-Spannungssollwerten von einem kalibrierten hohen Sollwert bei einer kalibrierten Durchlaufrate bis hinunter zu einem geringen O2-Spannungssollwert bis die NOx-Messungen instabil werden oder eine Dornform annehmen (d.h., die Stabilitäts-Niveauschwelle ist durchbrochen). In einer Ausführungsform kann die Stabilität bestimmt werden durch Messen der NOx-Konzentration über eine gegebene Zeitdauer. Die Durchlaufrate kann mV/s betragen und für jede Maschine spezifisch kalibriert sein. Nachdem die Stabilitätsschwelle durchbrochen ist,. wird der O2-Spannungssollwert bei einer kalibrierten Durchlaufrate nach oben eingestellt, bis das Stabilitätsniveau erzielt ist (NOx-Ablesungen des NOx-Sensors 45 werden wieder stabil).
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Die Prinzipien hinter dem Prozess zum automatischen Einstellen der Sollwerte werden am besten unter Bezugnahme auf 2 verstanden. 2 veranschaulicht ein typisches Katalysatorfenster, das charakteristisch ist in Bezug auf NOx- und CO-Emissionen in einer fett verbrennenden Maschine. In dem Diagramm werden Emissionen, die in g/bhp-hr.volt gemessen sind, gegen λ aufgetragen. In stöchiometrischen Mischungen ist λ = 1, in fetten Mischungen λ<1 und in mageren Mischungen λ > 1.
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Auf der rechten Seite des Diagramms in 2 sind Werte für NOx-Emissionen für einen spezifischen Satz von Bedingungen C1 durch eine kontinuierliche Doppellinie mit darüber liegenden Dreiecken veranschaulicht. Auf der linken Seite des Diagramms sind Werte für CO-Emissionen für Bedingung C1 als eine dicke Linie mit darüber liegenden Rechtecken dargestellt. Ein Erfüllungsfenster wird durch einen rechteckigen schattierten Bereich repräsentiert. Mit einem als A bezeichneten Kreis ist der Bereich hervorgehoben, in dem CO-Emissionen rasch anzusteigen beginnen, wenn Lambda vermindert wird. Dies wird als das fette Knie der Lambdakurve bezeichnet. Mit einem als B bezeichneten Kreis ist der Bereich hervorgehoben, wo NOx-Emissionen rasch zu steigen beginnen, wenn die Lambdawerte zunehmen. Dies wird als das magere Knie der Lambdakurve bezeichnet. Das bevorzugte Betriebsfenster befindet üblicherweise zwischen dem fetten Knie und dem mageren Knie der Lambdakurve.
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Ändern sich z.B. Maschinenbelastung, Brennstoffqualität oder Maschinen-Umgebungsbedingungen, dann können die Bedingungen C1 sich, wie in C2, C3 gezeigt, verschieben oder sie verschieben sich in anderer Weise. Ändern sich die Bedingungen von den Bedingungen C1 zu den Bedingungen C2, dann verengt sich der Bereich zwischen der NOx-Kurve (gezeigt als gestrichelte Doppellinien auf der rechten Seite des Diagramms) und der CO-Kurve (gezeigt als durchgezogene Doppellinien auf der linken Seite des Diagramms). Ändern sich die Bedingungen von den Bedingungen C1 zu den Bedingungen C3, dann erweitert sich der Bereich zwischen der NOx-Kurve und der CO-Kurve. Mit sich ändernden Bedingungen können die NOx- und CO-Kurven außerdem nach links oder rechts verschoben werden. Diese Erscheinung macht es sehr schwierig, Emissionen mit einem statischen O2-Spannungssollwert zu regeln.
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3 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Festsetzen eines neuen O2-Spannungssollwertes zur NOx-Erfüllung 50. Das Brennkraftmaschinensystem 1 befindet sich in Betrieb mit einem O2-Start-Spannungssollwert (Verfahrenselement 51). Eine Änderung der Bedingungen wird nachgewiesen (Verfahrenselement 53), wie z.B. eine Änderung in der Belastung, eine Änderung in der Betriebsgeschwindigkeit, eine Änderung in den Umgebungsbedingungen, das Verstreichen eines spezifischen Zeitabschnittes und Ähnliches. An diesem Punkt instruiert das Emissionsregel-Modul 47 eine Verringerung des O2-Spannungssollwertes um einen vorbestimmten Betrag. Die Verminderung des O2-Spannungssollwertes kann aus einer kalibrierten Durchlaufrate bestimmt sein, die für jedes Brennkraftmaschinensystem 1 bestimmt ist. Die kalibrierte Durchlaufrate kann für die Maschine auf der Grundlage der Zeitdauer bestimmt sein, die erforderlich ist, um den(die) O2-Sensor(en) (linker O2-Sensor 39, rechter O2-Sensor 41 oder beide) und den NOx-Sensor 45 zu stabilisieren. Dann können NOx-Emissionen und O2-Konzentrationen gemessen werden (Verfahrenselemente 57 und 59). Eine Bestimmung, ob die NOx-Stabilitätsschwelle durchbrochen wurde, wird dann auf der Grundlage der Werte von Verfahrenselement 57 vorgenommen (Verfahrenselement 61). Wurde die NOx-Stabilitätsschwelle nicht durchbrochen, dann kann der O2-Spannungssollwert wieder um eine vorbestimmte Menge vermindert werden (Verfahrenselement 55). Ist die NOx-Stabilitätsschwelle durchbrochen, dann kann der O2-Spannungssollwert um einen vorbestimmten Betrag erhöht werden (Verfahrenselement 63). Eine Bestimmung der Änderung in den NOx-Emissionen kann dann vorgenommen werden (Verfahrenselement 65) und die O2-Konzentration kann gemessen werden (Verfahrenselement 67). Dann kann eine Bestimmung vorgenommen werden, ob die NOx-Niveaus stabil geworden sind (d.h., die Änderungsrate der NOx-Niveaus ist soweit wie möglich bei 0) (Verfahrenselement 69). Sind die NOx-Niveaus nicht stabil, dann kann der O2-Spannungssollwert wieder um einen vorbestimmten Betrag erhöht werden (Verfahrenselement 63), bis die NOx-Niveaus stabil sind. Um den Stabilitätsteil des Algorithmus auszuführen, mag es erforderlich sein, ein Schema auszuführen, das Filtrieren und Abprall-Zeitgeber benutzt, um anzuzeigen, wann eine Annäherung an das NOx-Knie oder das CO-Knie erfolgt. Der neue O2-Spannungssollwert, bei dem die NOx-Niveaus stabil sind, kann dann gespeichert werden (Verfahrenselement 71). Der O2-Spannungssollwert kann dann um einen kalibrierten Wert entweder nach oben oder nach unten abgeschrägt werden, um einen fetten Sollwert des NOx-Knies in der Lambdakurve aufrechtzuerhalten (Verfahrenselement 73). Der kalibrierte Wert kann für jede Maschine bestimmt werden. An diesem Punkt kann das Verfahren enden (Verfahrenselement 75) und kann beim Nachweis einer Änderung in den Bedingungen oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer wieder begonnen werden. Verfahrenselemente 55–69 umfassen einen mageren Lambda-Durchlauf 77.
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Das Prinzip hinter dem Verfahren zum Einstellen eines neuen O2-Spannungssollwertes zur NOx-Erfüllung 50 wird am besten unter Bezugnahme auf 4 veranschaulicht. 4 ist eine grafische Darstellung, bei der Messungen von NOx-Konzentrationen (Doppellinie) für variierende O2-Spannungssollwerte (durchgezogene Linie) über die Zeit auftragen sind. Der O2-Spannungssollwert wird mit einer vorbestimmten Rate von einem O2-Ausgangs-Spannungssollwert in dem nach unten geführten Durchlauf des Verfahrens vermindert. Wird der O2-Spannungssollwert vermindert, dann wird eine Stabilitätsschwelle durchbrochen, wenn die NOx-Konzentration nach oben einen Dorn bildet. An diesem Punkt wird der O2-Spannungssollwert mit einer vorbestimmten Rate in dem Durchlauf nach oben erhöht, bis die NOx-Niveaus abnehmen und stabil werden. Der neue O2-Spannungssollwert wird bei dem Niveau festgelegt, bei dem die NOx-Emissionen stabil sind.
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Das Brennkraftmaschinensystem 1 kann zum Betreiben einer Maschine bei einem optimalen O2-Spannungssollwert zur NOx- und CO-Erfüllung benutzt werden. Der NOx-Sensor 45 kann zum Bereitstellen einer Angabe der CO-Konzentration benutzt werden, die als eine Zunahme in der NOx-ppm-Abgabe repräsentiert wird, wenn man sich dem fetten Knie der Lambdakurve nähert. Die CO-Konzentration auf der fetten Seite scheint eine stabile Interferenz im NOx-Sensor 45 zu erzeugen, die zu einer NOx-Anzeige führt. Diese Anomalie wird durch eine Ammoniakerzeugung bei außerordentlich fetten Niveaus verursacht, die als die NOx-Konzentration durch den NOx-Sensor 45 berichtet wird.
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Unter Anwendung eines Algorithmus sowohl eines mageren als auch eines fetten Stabilitätsnachweises mit dieser Anomalie ist es möglich, ein Verfahren zum Einstellen eines neuen O2-Spannungssollwertes zur NOx- und CO-Erfüllung zu entwickeln. Dies erfolgt durch Ausführen eines Lambda-Durchlaufes (d.h. Durchlaufen des O2-Spannungssollwertes), um sowohl Stellen des mageren als auch fetten Knies auf der Lambdakurve zu verifizieren. Der O2-Spannungssollwert kann dann auf einen Wert bei einem Punkt zwischen dem mageren und dem fetten Knie neu eingestellt werden, um im optimalen Teil der Emissionskurve geringere NOx- und CO-Emissionen aus dem Katalysator zu erzielen.
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5 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Einstellen eines neuen O2-Spannungssollwertes zur NOx- und CO-Erfüllung 80, das mit dem Emissionsregel-Modul 47 ausgeführt werden kann. Bei diesem Verfahren wird angenommen, dass das Brennkraftmaschinensystem 1 bei einem O2-Ausgangs-Spannungssollwert arbeitet (Verfahrenselement 81). Nach der Feststellung einer Änderung der Bedingungen (Verfahrenselement 83), kann das Emissionsregel-Modul 47 einen mageren Lambda-Durchlauf (Verfahrenselement 85) (z.B. Durchlaufen des Betriebes der Maschine bis zu einem mageren O2-Spannungssollwert in der Richtung des mageren Knies von 2, was zu einem mageren Maschinen-Lambda führt) initiieren. Der magere Lambda-Durchlauf wird spezifischer als Bezugsziffer 77 in 3 beschrieben. Der magere O2-Spannungssollwert wird in Verfahrenselement 87 gespeichert und es wird ein fetter Lambda-Durchlauf (z.B. Durchlaufen des Betriebes der Maschine bis zu einem fetten O2-Spannungssollwert in der Richtung des fetten Knies von 2, was zu einem fetten Maschinen-Lambda führt) mit einer Zunahme des O2-Spannungssollwertes um einen vorbestimmten Betrag initiiert (Verfahrenselement 89). Die NOx-Emissionen und O2-Konzentrationen werden in den Verfahrenselementen 91 bzw. 93 gemessen. Eine Bestimmung, ob die NOx-Stabilitätsschwelle auf der fetten Seite der Lambdakurve durchbrochen worden ist, wird dann vorgenommen (Verfahrenselement 95). Wie bereits beschrieben, ist die Stabilitätsschwelle durchbrochen, wenn die NOx-Niveaus einen Dorn bilden. Wurde das NOx-Stabilitätsniveau nicht durchbrochen, dann wird der O2-Spannungssollwert wieder um einen vorbestimmten Betrag erhöht (Verfahrenselement 89). Wurde das NOx-Stabilitätsniveau durchbrochen, dann wird ein Durchlauf des O2-Spannungssollwertes nach unten durch Vermindern des O2-Spannungssollwertes um einen vorbestimmten Betrag (Verfahrenselement 97) initiiert. NOx-Emissionen und O2-Konzentrationen werden in den Verfahrenselementen 99 bzw. 101 gemessen. Das Emissionsregel-Modul 47 bestimmt dann, ob die NOx-Niveaus stabil geworden sind (Verfahrenselement 103). Sind die NOx-Niveaus nicht stabil, dann instruiert das Emissionsregel-Modul 47 wieder eine Verringerung des O2-Spannungssollwertes um einen vorbestimmten Betrag (Verfahrenselement 97). Sind die NOx-Niveaus stabil, dann wird der fette O2-Spannungssollwert gespeichert (Verfahrenselement 105) und der O2-Spannungssollwert wird auf ein Niveau zwischen den gespeicherten mageren und reichen O2-Spannungssollwerten eingestellt (Verfahrenselement 107). Die Wiederholung des Verfahrens wird dann vervollständigt (Verfahrenselement 109). Die Verfahrenselemente 89 bis 105 können als der fette Lambda-Durchlauf 111 bezeichnet werden. Die hierin beschriebenen Erhöhungen und Verminderungen des O2-Spannungssollwertes, können um einen vorbestimmten Betrag oder durch eine vorbestimmte Durchlaufrate oder bis der NOx-Sensor eine vorbestimmte Schwellenkonzentration anzeigt oder durch irgendein anderes Verfahren geändert werden.
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Das Prinzip eines Verfahrens zum Einstellen eines neuen O2-Spannungssollwertes zur NOx- und CO-Erfüllung 80 wird am besten unter Bezugnahme auf 6 veranschaulicht. 6 ist eine grafische Darstellung, in der Messungen der NOx-Konzentrationen (der unteren Kurve) und des O2-Spannungssollwertes (obere durchgezogene Kurve) aufgetragen sind. In der grafischen Darstellung in 6 sind auch das Maschinen-RPM und die Signale zum rechten Regulator 33 und dem linken Regulator 35, bezeichnet als Stepper RB und Stepper LB, veranschaulicht. Eine neue Untersuchung wird durch Vermindern des O2-Spannungssollwertes, bis die Stabilitätsschwelle durchbrochen ist (Dorn in NOx für magere Untersuchung) und dann Erhöhen des O2-Spannungssollwertes initiiert, bis die NOx-Anzeigen wieder stabil werden. Der O2-Spannungssollwert wird dann erhöht, bis die Stabilitätsschwelle durchbrochen ist und dann vermindert, bis die NOx-Niveaus wieder stabil werden. An diesem Punkt hat das Emissionsregel-Modul einen O2-Spannungssollwert, der durch die magere Untersuchung bestimmt ist, und einen O2-Spannungssollwert, der durch die fette Untersuchung bestimmt ist. Diese Werte entsprechen dem fetten Knie und dem mageren Knie der Lambdakurve. Der erwünschte O2-Spannungssollwert für den Betrieb des Brennkraftmaschinensystems 1 würde typischerweise zwischen die beiden O2-Spannungssollwerte fallen und kann wahlweise am Mittelpunkt zwischen diesen O2-Spannungssollwerten eingestellt werden, um im optimalen Teil der Emissionskurve die geringsten Emissionen von NOx und CO aus dem Katalysator zu erzielen.
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Wenn zu irgendeiner Zeit die Lambda-Durchlaufroutine nicht in der Lage ist, das(die) Knie(e) auf der(den) Kurve(n) nachzuweisen, dann kann ein neuer Durchlauf ausgeführt werden, um die Sollwertoptimierung wieder zu versuchen. Gründe für das Nichtnachweisen optimaler Sollwerte könnten einschließen: Änderungen in der Brennstoffzusammensetzung, große Änderungen in der Feuchtigkeit, andere Umgebungsbedingungen oder Verschlechterung der Katalysator-Leistungsfähigkeit. Wahlweise kann das Emissionsregel-Modul 47 programmiert werden, um periodisch den optimalen Sollwert links des Knies wieder herzustellen. Dies erfolgt, da diese optimalen Punkte sich aufgrund von Änderungen in Betriebs- und/oder Umgebungsbedingungen verschieben.
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Das Brennkraftmaschinensystem 1 ergibt eine NOx- und CO-Erfüllung über einen weiteren Bereich von Betriebsbedingungen, einschließlich Umgebungs- und Katalysatorfenster-Verschiebungsbedingungen durch Ausführen eines periodischen automatischen Wiedereinstellens der O2-Spannungssollwerte. Wegen der kontinuierlichen Messungen im Laufe der Zeit kann das Emissionsregel-Modul 47 die Emissions-Leistungsfähigkeit und den Status der Emissionserfüllung eichen. Eine andere Option, die zu dem Emissionsregel-Modul 47 hinzugefügt werden kann, würde die Hinzufügung von Abschaltinstruktionen einschließen, wenn das Brennkraftmaschinensystem 1 die Emissionsregulierungen nicht erfüllt.
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Während die oben beschriebenen und/oder hierin beanspruchten Verfahren und Vorrichtungen mit Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurden, sollte für den Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden und Äquivalente für Elemente davon eingesetzt werden können, ohne den Umfang der oben beschriebenen und/oder hierin beanspruchten Verfahren und Vorrichtungen zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen an den obigen Lehren vorgenommen werden, um an eine besondere Situation anzupassen, ohne ihren Umfang zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die oben beschriebenen und/oder hierin beanspruchten Verfahren und Vorrichtungen nicht auf die offenbarte Ausführungsform zur Ausführung dieser Erfindung beschränkt werden sondern, dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Umfang der beabsichtigten Ansprüche fallen. Der Gebrauch der Begriffe erste, zweite usw. bezeichnet keine Reihenfolge der Wichtigkeit, sondern die Begriffe erste, zweite werden benutzt, um ein Element vom Anderen zu unterscheiden. Weiter sollte betont werden, dass eine Vielfalt von Computerplattformen und Regelmodulen und Betriebssystemen vorgesehen ist.
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Gewisse Ausführungsformen von Verfahren und Systemen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine über einen Bereich von Betriebsbedingungen werden offenbart. Eine Ausführungsform eines Verfahrens schließt das Betreiben der Maschine bei einem anfänglichen O2-Spannungssollwert und das automatische Einstellen des O2-Spannungssollwertes auf einen neuen O2-Spannungssollwert zum Vermindern von Emissionen ein. In gewissen Ausführungsformen wird ein Regelsystem zum Regeln von Emissionen bei einer Innenverbrennung bereitgestellt. Das Regelsystem schließt mindestens ein Untersystem ein, das einen O2-Spannungssollwert regelt, mindestens ein Untersystem, das NOx-Emissionen im Maschinenabgas misst, und mindestens ein Untersystem, das einen Lambda-Durchlauf initiiert, um einen optimalen O2-Spannungssollwert zu bestimmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschinensystem
- 3
- linke Zylinderbank
- 5
- rechte Zylinderbank
- 7
- linker Zylinder
- 9
- linker Zylinder
- 11
- linker Zylinder
- 13
- linker Zylinder
- 15
- linker Zylinder
- 17
- linker Zylinder
- 19
- rechter Zylinder
- 21
- rechter Zylinder
- 23
- rechter Zylinder
- 25
- rechter Zylinder
- 27
- rechter Zylinder
- 29
- rechter Zylinder
- 31
- Schwungrad
- 33
- rechter Regulator
- 35
- linker Regulator
- 37
- Leitungssystem
- 38
- linkes Leitungsrohr
- 39
- linker O2-Sensor
- 40
- rechtes Leitungsrohr
- 41
- rechter O2-Sensor
- 43
- katalytische Kammer
- 45
- NOx-Sensor
- 47
- Emissionsregel-Modul
- 50
- Verfahren zum Einstellen eines O2-Sollwertes zur NOx-Erfüllung
- 51
- O2-Startsollwert
- 53
- Nachweisen einer Bedingungsänderung
- 55
- vorbestimmte Verminderung des O2-Sollwertes
- 57
- Bestimmen einer Änderung in NOx-Emissionen
- 59
- Messen der O2-Konzentration
- 61
- NOx-Stabilitätsschwelle durchbrochen?
- 63
- Erhöhen des O2-Sollwertes um einen vorbestimmten Betrag
- 65
- Messen von NOx-Emissionen
- 67
- Messen der O2-Konzentration
- 69
- NOx-Niveau stabil?
- 71
- Speichern des neuen O2-Sollwertes
- 73
- Abschrägen des neuen O2-Sollwertes
- 75
- Ende
- 77
- magerer Lambda-Durchlauf
- 80
- Verfahren zum Einstellen eines O2-Sollwertes zur NOx- und CO-Erfüllung
- 81
- O2-Startsollwert
- 83
- Nachweisen von einer Änderung der Bedingungen
- 85
- Ausführen eines mageren Lambda-Durchlaufes
- 87
- Speichern des mageren O2-Sollwertes
- 89
- Erhöhen des O2-Sollwertes um einen vorbestimmten Betrag
- 91
- Messen von NOx-Emissionen
- 93
- Messen der O2-Konzentration
- 95
- NOx-Stabilitätsschwelle durchbrochen?
- 97
- Vermindern des O2-Sollwertes um einen vorbestimmten Betrag
- 99
- Messen der NOx-Emission
- 101
- Messen der O2-Konzentration
- 103
- NOx-Niveaus stabil?
- 105
- Speichern des fetten O2-Sollwertes
- 107
- Festlegen des O2-Sollwertes zwischen dem mageren und dem fetten O2-Sollwert
- 109
- Ende
- 111
- fetter Lambda-Durchlauf
