DE102012214378B4

DE102012214378B4 - Verfahren zur thermischen Regulierung eines Oxidationskatalysators eines Abgassystems

Info

Publication number: DE102012214378B4
Application number: DE102012214378.5A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Gonze; David B. Brown
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: CN102953791B; CN102953791A; US8621845B2; US20130042597A1; DE102012214378A1

Abstract

Verfahren zur thermischen Regulierung eines Oxidationskatalysators (21, 22) eines Abgassystems (16), umfassend:Freigeben einer Erzeugung von Ammoniak zur Verwendung in Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion (SCR) (20) des Abgassystems (16) während eines Modus mit passiver SCR, wobei der Modus mit passiver SCR einen Betrieb eines Motors (14) mit fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnissen aufweist;Bestimmen, ob das Abgassystem (16) in dem Modus mit passiver SCR arbeitet; undErzeugen eines aktiven Signals für passive SCR, wenn das Abgassystem (16) in dem Modus mit passiver SCR arbeitet; gekennzeichnet durchAktivieren einer elektrischen Heizung eines sich stromabwärts der Katalysatoren (20) für selektive katalytische Reduktion befindlichen Oxidationskatalysators (21, 22) auf Grundlage des aktiven Signals für passive SCR und einer Temperatur des Oxidationskatalysators (21, 22).

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur thermischen Regulierung eines Oxidationskatalysators eines Abgassystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der DE 10 2009 056 460 A1 bekannt.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften DE 103 00 298 A1 und DE 10 2009 020 809 A1 verwiesen.
HINTERGRUND
Während eines Verbrennungszyklus eines Verbrennungsmotors (ICE von engl.: „internal combustion engine“) werden Luft/Kraftstoff-Gemische in Zylinder des ICE geliefert. Die Luft/Kraftstoff-Gemische werden komprimiert und verbrannt, um Ausgangsdrehmoment bereitzustellen. Nach Verbrennung treiben Kolben des ICE Abgase in den Zylindern durch Abgasventilöffnungen hinaus und in ein Abgassystem. Die Abgase können Stickoxide (NO_x), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HCs) enthalten.
Ein Abgasbehandlungssystem des ICE kann einen katalytischen Wandler und einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) aufweisen, um Abgasemissionen zu reduzieren. Als ein Beispiel kann ein Drei-Wege-Katalysatorwandler (TWC von engl.: „three-way catalyst converter“) dazu verwendet werden, NO_x, CO2 und HCs in einem Abgassystem zu reduzieren. Der TWC wandelt NOx in Stickstoff und Sauerstoff, CO zu Kohlendioxid um und oxidiert nicht verbrannte HCs, um Kohlendioxid und Wasser zu erzeugen. Der SCR-Katalysator kann stromabwärts von dem TWC angeordnet sein und kann ferner NOx in dem Abgassystem reduzieren. Ein SCR-Katalysator wandelt NOx in Stickstoff N₂ und Wasser H₂O um.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Verfahren zur thermischen Regulierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele nur zu Zwecken der Veranschaulichung bestimmt sind.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

1 ein Funktionsblockschaubild eines Motorsystems mit einem System zur thermischen Regulierung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
2 ein Funktionsblockschaubild des Systems zur thermischen Regulierung von 1 ist;
3 ein Funktionsblockschaubild eines Motorsteuermoduls mit einem Modul zur thermischen Steuerung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
4 ein Funktionsblockschaubild eines Steuermoduls für passive SCR gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
5 ein Logikflussdiagramm eines Verfahrens zur thermischen Steuerung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Verbrennungsmotor (ICE) kann mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden, um den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und den Betriebswirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu verbessern. Je magerer der Verbrennungsmotor betrieben wird, um so weniger Kraftstoff wird verbraucht und um so effizienter arbeitet der Verbrennungsmotor. Ein Abgasbehandlungssystem des Verbrennungsmotors kann einen katalytischen Wandler sowie kaskadierte Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion (SCR) aufweisen, um Abgasemissionen zu reduzieren. Die SCR-Katalysatoren können stromabwärts von dem TWC angeordnet sein und NO_x in dem Abgassystem reduzieren.
Ammoniak, das in den SCR-Katalysatoren gespeichert ist, reduziert NO_x in dem Abgassystem. Das in den SCR-Katalysatoren gespeicherte Ammoniak kann durch Betrieb des Abgassystems in einem Modus mit passiver SCR vorgesehen werden. Während des Modus mit passiver SCR wird ein Verbrennungsmotor mit einem fetten Gemisch oder einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben, das geringer als ein stöchiometrisches Verhältnis (z.B. geringer als 14,7:1) ist. Während fetter Abgasbetriebsbedingungen kann der katalytische Wandler NOx zu Stickstoff umwandeln und erzeugt Ammoniak und Kohlenmonoxid (CO). Das Ammoniak wird von den SCR-Katalysatoren gespeichert und von den SCR-Katalysatoren während magerer Abgasbedingungen verwendet, um NO_x in Stickstoff und Sauerstoff umzuwandeln. Das Ammoniak wird an die SCR-Katalysatoren ohne die Verwendung eines Harnstoffdosierkreislaufs geliefert. Dies minimiert Systemkomponenten.
Da gespeichertes Ammoniak in einem SCR-Katalysator freigesetzt werden kann, falls die SCR-Temperaturen ansteigen, werden, wenn die ersten SCR-Temperaturen 400°C überschreiten, die kaskadierten SCR-Katalysatoren (mehrere seriell verschaltete SCR-Katalysatoren) anstelle eines einzelnen SCR-Katalysators verwendet. Dies kann in Motorabgassystemen mit großen Temperaturdifferenzprofilen auftreten. Die Verwendung mehrerer SCR-Katalysatoren verhindert, dass Ammoniakoxidationskatalysatoren stromabwärts von den SCR-Katalysatoren erreicht. Je näher ein SCR-Katalysator an dem Verbrennungsmotor ist, um so größer ist die Temperatur des SCR-Katalysators. Ammoniak, das von einem stromaufwärtigen SCR-Katalysator freigesetzt wird, der sich bei einer Temperatur von größer als 400°C befindet, kann durch einen stromabwärtigen Katalysator, der sich bei einer Temperatur von weniger als 400°C befindet, absorbiert werden.
Ein Oxidationskatalysator kann stromabwärts von den kaskadierten SCR-Katalysatoren enthalten sein, um das während des Modus mit passiver SCR erzeugte CO zu oxidieren. Eine durchschnittliche Anspringtemperatur (Aktivierungstemperatur), bei der ein Oxidationskatalysator typischerweise zu funktionieren beginnt, beträgt etwa 200 - 350°C. Ein Oxidationskatalysator, der in ein Abgassystem stromaufwärts eines SCR-Katalysators eingesetzt ist, kann Ammoniak in NO_x umwandeln. Falls der Oxidationskatalysator eine wesentliche Distanz von dem Verbrennungsmotor angeordnet ist, kann die Temperatur des Oxidationskatalysators auf eine Temperatur abnehmen, die kleiner als die Aktivierungstemperatur ist. Dies kann während des Modus mit passiver SCR und/oder während Betriebsbedingungen mit leichter Last (z.B. Stadtfahrt) auftreten. Infolgedessen kann der Oxidationskatalysator möglicherweise das produzierte CO nicht oxidieren.
Nachfolgend offenbarte Implementierungen behalten die Oxidationskatalysatoren während eines Betriebs in einem Modus mit passiver SCR bei einer aktiven Temperatur.
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu bestimmt, die Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Zu Zwecken der Klarheit sind in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen zur Identifizierung ähnlicher Elemente verwendet. Die hier verwendete Formulierung „zumindest eines aus A, B und C“ ist so auszulegen, dass ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen Oder gemeint ist. Es sei zu verstehen, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in verschiedener Reihenfolge ohne Änderung der Grundsätze der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden können.
Der hier verwendete Begriff „Modul“ kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine elektronische Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein Field Programmable Gate Array (FPGA); einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), der Code ausführt; andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination einiger oder alle der obigen, wie in einem System-on-Chip betreffen, Teil davon sein oder umfassen. Der Begriff „Modul“ kann einen Speicher (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) aufweisen, der durch den Prozessor ausgeführten Code speichert.
Der Begriff „Code“, wie oben verwendet ist, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode aufweisen und kann Programme, Routinen, Funktionen, Klassen und/oder Objekte betreffen. Der Begriff „gemeinsam genutzt“, wie oben verwendet ist, bedeutet, dass einiger oder der gesamte Code von mehreren Modulen unter Verwendung eines einzelnen (gemeinsam genutzten) Prozessors ausgeführt werden kann. Zusätzlich kann einiger oder der gesamte Code von mehreren Modulen durch einen einzelnen (gemeinsam genutzten) Speicher gespeichert werden. Der Begriff „Gruppe“, wie oben verwendet ist, bedeutet, dass einiger oder der gesamte Code von einem einzelnen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Prozessoren ausgeführt werden kann. Zusätzlich kann einiger oder der gesamte Code von einem einzelnen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Speichern gespeichert werden.
Die Vorrichtungen und Verfahren, die hier beschrieben sind, können durch ein oder mehrere Computerprogramme implementiert sein, die durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden. Die Computerprogramme umfassen prozessorausführbare Anweisungen, die an einem nicht flüchtigen konkreten computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten aufweisen. Nicht beschränkende Beispiele des nicht flüchtigen konkreten computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtige Speicher, Magnetspeicher und optische Speicher.
Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht zur Beschränkung bestimmt. Wie hier verwendet ist, können Singularformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ dazu bestimmt sein, genauso die Pluralformen zu enthalten, sofern es der Kontext nicht anderweitig deutlich angibt. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „einschließlich“ und „mit“ sind inklusive und legen daher die Anwesenheit festgelegter Merkmale, Aufgaben, Betriebsabläufe, Elemente und/oder Komponenten fest, schließen jedoch nicht die Anwesenheit oder den Zusatz eines oder mehrerer anderer Merkmale, Aufgaben, Betriebsabläufe, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen daraus aus. Die Verfahrensschritte, Prozesse sowie Betriebsabläufe, die hier beschrieben sind, sind nicht so auszulegen, dass sie ihre Ausführung in der bestimmten Reihenfolge, die diskutiert oder veranschaulicht ist, unbedingt erfordern, sofern sie nicht als Reihenfolge der Ausführung speziell festgelegt ist. Es sei auch zu verstehen, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
Obwohl die Begriffe erstes, zweites, drittes, etc. hier dazu verwendet sein können, verschiedene Elemente, Komponenten und/oder Vorrichtungen zu beschreiben, sollen diese Elemente, Komponenten und/oder Vorrichtungen nicht durch diese Begriffe beschränkt sein. Diese Begriffe können nur dazu verwendet werden, ein Element, eine Komponente oder eine Vorrichtung von einem anderen Element, einer anderen Komponente oder einer anderen Vorrichtung zu unterscheiden. Die Begriffe, wie „erstes“, „zweites“ und andere numerische Begriffe, wenn sie hier verwendet sind, implizieren keine Abfolge oder Reihenfolge, sofern es durch den Kontext nicht deutlich angegeben ist. Somit kann ein erstes Element, eine erste Komponente oder eine erste Vorrichtung, wie nachfolgend diskutiert ist, als ein zweites Element, eine zweite Komponente oder eine zweite Vorrichtung bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
In den 1 und 2 sind ein Motorsystem 10 und ein System 12 zur thermischen Regulierung gezeigt. Das Motorsystem 10 ist ein Fahrzeugsystem für geringe Emissionen, das ein System 12 zur thermischen Regulierung und einen Motor 14 mit einem Abgassystem 16 aufweist. Das Abgassystem 16 weist einen katalytischen Wandler (CC) 18, kaskadierte Katalysatoren 20 für selektive katalytische Reduktion (SCR) und einen oder mehrere Oxidationskatalysatoren (es sind zwei Oxidationskatalysatoren 21, 22 gezeigt) auf. Bei dem gezeigten Beispiel weisen die Oxidationskatalysatoren einen elektrisch beheizten Oxidationskatalysator (EHC) 21 und einen nicht elektrisch beheizten oder passiven Oxidationskatalysator (OXI) 22 auf. Das System 12 zur thermischen Regulierung behält die Temperaturen des CC 18, der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 und der Oxidationskatalysatoren oberhalb jeweiliger Anspring- und/oder minimaler aktiver Betriebstemperaturen.
Die Temperaturen des CC 18 und der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 werden beibehalten, während ein Betrieb des Motors 14 mit mageren Vor-VerbrennungsLuft- und Kraftstoff-(Luft/Kraftstoff)-Verhältnissen zugelassen wird. Die Temperaturen der Oxidationskatalysatoren werden während eines Betriebs in einem Modus mit passiver SCR beibehalten. Während des Modus mit passiver SCR wird das Ammoniak in den kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 wieder aufgefüllt. Zum Wiederauffüllen des Ammoniaks kann der Motor 14 mit fetten Luft/Kraftstoffverhältnissen (d.h. Verhältnissen von weniger als einem stöchiometrischen Verhältnis (z.B. 14,7:1) für eine vorbestimmte Zeitperiode, bis die NOx-Niveaus unter vorbestimmten Schwellen liegen, oder periodisch betrieben werden. Als eine Alternative und/oder zusätzlich zum Betrieb des Motors 14 mit fetten Luft/Kraftstoffverhältnissen kann die Nachkraftstoffeinspritzung ausgeführt werden und/ oder Kraftstoff kann in das Abgassystem 16 eingespritzt werden. Der CC 18 wandelt den Kraftstoff in dem Abgas um, um Ammoniak und CO zu erzeugen. Das Ammoniak wird durch die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 absorbiert. Der Oxidationskatalysator oxidiert im aktivierten Zustand das überschüssige erzeugte CO.
Temperaturen des Motors 14 und/oder der Abschnitte des Abgassystems 16 (mit Ausnahme des CC 18 und der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20) können auf Temperaturen von kleiner als die Anspring- und/oder der minimalen aktiven Betriebstemperaturen abnehmen, wenn der Motor 14 mit mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen arbeitet. Ein magerer Motorbetrieb und reduzierte Motorbetriebstemperaturen reduzieren Wärmeverluste und verbessern die Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Temperaturen des Abgassystems 16 (mit Ausnahme der Oxidationskatalysatoren) können bei Betrieb in dem Modus mit passiver SCR auf Temperaturen abnehmen, die kleiner als eine Anspring- oder minimale aktive Betriebstemperatur sind.
Das Motorsystem 10 weist den Motor 14 auf, der ein Luft/Kraftstoffgemisch verbrennt, um Antriebsmoment zu erzeugen. Obwohl das Motorsystem 10 als ein funkengezündeter Direkteinspritzmotor gezeigt ist, ist das Motorsystem 10 als ein Beispiel vorgesehen. Das System 12 zur thermischen Regulierung kann an verschiedenen anderen Motorsystemen implementiert sein, wie Schichtlade-Motorsystemen, Saugrohreinspritzsystemen, Motorsystemen mit homogener Kompressionszündung (HCCI) etc. Schichtlade-Motorsysteme können Direkteinspritz-Motorsysteme betreffen, bei denen Kraftstoff bei Eintritt in die Zylinder eines Motors gezündet wird.
Während des Betriebs tritt Luft in den Motor 14 durch Durchgang durch einen Luftfilter 23 ein und kann in einen Turbolader 24 gezogen werden. Der Turbolader 24, wenn enthalten, komprimiert die frische Luft. Je größer die Kompression ist, um so größer ist der Ausgang des Motors 14. Die komprimierte Luft gelangt durch einen Luftkühler 25, wenn enthalten, vor Eintritt in einen Ansaugkrümmer 26. Luft in dem Ansaugkrümmer 26 wird in Zylinder 28 verteilt. Kraftstoff kann direkt in die Zylinder 28 durch Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 30 eingespritzt werden. Zündkerzen 32 zünden Luft/Kraftstoff-Gemische in den Zylindern 28. Die Verbrennung der Luft/Kraftstoff-Gemische erzeugt Abgas. Das Abgas verlässt die Zylinder 28 in das Abgassystem 16.
Das System 12 zur thermischen Regulierung weist das Abgassystem 16 und ein Motorsteuermodul (ECM) 40 auf. Das Abgassystem 16 umfasst den CC 18, die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20, die Oxidationskatalysatoren, das ECM 40 und einen Abgaskrümmer 42. Bei dem gezeigten Beispiel weist das Abgassystem 16 in der folgenden Reihenfolge auf: den Abgaskrümmer 42, eine erste Abgasleitung 124, eine zweite Abgasleitung 126, den CC 18, eine dritte Abgasleitung 128, die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20, die Oxidationskatalysatoren (z.b. die Oxidationskatalysatoren 21, 22) und eine vierte Abgasleitung 131.
Als ein Beispiel kann der CC 18 einen Drei-Wege-Katalysator (TWC) aufweisen. Der CC 18 kann Stickoxide NOx reduzieren, Kohlenmonoxid (CO) oxidieren und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und flüchtige organische Verbindungen oxidieren. Der CC 18 oxidiert das Abgas auf Grundlage eines Nachverbrennungs-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem Abgassystem 16. Der Betrag an Oxidation erhöht die Temperatur des Abgases. Die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 werden dazu verwendet, NO_x über Ammoniak weiter zu reduzieren, das in den kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 absorbiert ist. Die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 wandeln NO_x in Stickstoff N₂ und Wasser H₂O um.
Optional führt ein AGR-Ventil (nicht gezeigt) einen Anteil des Abgases zurück in den Ansaugkrümmer 26. Der Rest des Abgases wird in den Turbolader 24 geführt, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine unterstützt die Kompression der frischen Luft, die von dem Luftfilter 23 aufgenommen wird. Abgas strömt von dem Turbolader 24 zu dem CC 18.
Das System 12 zur thermischen Regulierung kann in verschiedenen Moden arbeiten, einschließlich dem Modus mit passiver SCR, einem Oxidationskatalysatorheizmodus, einem CC-Heizmodus, einem SCR-Heizmodus, einem Magerbetriebsmodus (oder Temperaturbeibehaltungsmodus), etc. Die Moden können über das ECM 40, ein Modul 60 zur thermischen Steuerung und/oder ein Modul 62 zur Steuerung passiver SCR ausgelöst und gesteuert werden. Das Modul 60 zur thermischen Steuerung und das Steuermodul 62 für passive SCR können als Teil des ECM 40 integriert sein. Das Modul 60 zur thermischen Steuerung kann das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR aufweisen. Die Steuermodule 60, 62 sind Teil des Systems zur thermischen Regulierung 12 und sind nachfolgend mit Bezug auf die 3 - 5 weiter beschrieben.
Während des Modus mit passiver SCR wird Ammoniak erzeugt, um die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 zu regenerieren. Während gewisser Betriebsbedingungen können Temperaturen der Oxidationskatalysatoren (z.B. der Oxidationskatalysatoren 21, 22) unter eine vorbestimmte Oxidationsschwelle THR_OXI abnehmen. Die bestimmten Bedingungen können einen Betrieb unter geringen Lasten, wie Stadtfahrt, aufweisen. Thermische Energie, die durch den Motor 14 erzeugt wird, wird während Leichtlastbedingungen reduziert, was eine Abnahme der Temperaturen der Oxidationskatalysatoren auf Temperaturen unterhalb einer minimalen aktiven Betriebstemperatur bewirken kann. Das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR aktiviert den Oxidationskatalysatorheizmodus, um zumindest einen der Oxidationskatalysatoren aufzuheizen und damit die Oxidationskatalysatoren zumindest bei der minimalen aktiven Betriebstemperatur zu halten.
Einer oder mehrere der Oxidationskatalysatoren (z.B. der EHC 21) können über eine Heizschaltung 64 elektrisch beheizt werden. Die Heizschaltung 64 ergänzt eine Erhitzung der Oxidationskatalysatoren, die durch das Abgassystem 16 vorgesehen wird. Als ein Beispiel kann die Heizschaltung 64 mit dem stromaufwärtigsten der Oxidationskatalysatoren (z.B. dem elektrisch beheizten Katalysator (EHC) 21) verbunden sein und diesen erhitzen. Die anderen Oxidationskatalysatoren (z.B. der Oxidationskatalysator OXI 22) können aufgrund von erhitztem Abgas, das durch den stromaufwärtigsten der Oxidationskatalysatoren gelangt, und/oder Strahlungswärmeübertragung von dem EHC 21 erhitzt werden. Der EHC 21 nimmt einen gewählten Strom und/oder eine gewählte Spannung von der Katalysatorheizschaltung 64 auf.
Die Katalysatorheizschaltung 64 umfasst einen oder mehrere Anschlüsse. Bei dem gezeigten Beispiel sind zwei Anschlüsse vorgesehen; ein Lieferanschluss 66 und eine Masse oder ein Rückführanschluss 68. Bei dem gezeigten Beispiel kann der EHC 21 als ein Widerstandselement zwischen den Anschlüssen 66, 68 dienen und Strom von dem Lieferanschluss 66 aufnehmen. Die Temperatur des EHC 21 steigt, während Strom an den Lieferanschluss 66 geliefert wird. Dies erlaubt das Anheben des EHC 21 auf ein Funktions- oder aktive Temperatur (z.B. ≥ einer Katalysatoranspringtemperatur). Es können verschiedene Spannungspegel an die Anschlüsse 66, 68 angelegt werden, wie 12 V - 42 V. Es können Spannungspegel, die größer als 42 V sind, verwendet werden. Die an die Anschlüsse 66, 68 gelieferte Leistung kann von einer Leistungsquelle stammen, die Hybridfahrzeugbatterien, Batterien vom Plug-In-Typ und/oder Lithiumionenbatterien aufweist.
Die minimale aktive Betriebstemperatur und/oder die beibehaltene Temperatur der Oxidationskatalysatoren können 200 - 350°C betragen. Beispielsweise können die minimale Betriebstemperatur und/oder die beibehaltene Temperatur 250°C sein. Die vorbestimmte Oxidationsschwelle THR_OXI kann größer oder gleich einer minimalen aktiven Betriebstemperatur der Oxidationskatalysatoren sein.
Während des CC-Heizmodus wird der CC 18 auf zumindest eine CC-Anspringtemperatur (z.B. 200 - 350°C) erhitzt. Bei einer Implementierung wird der CC 18 auf zumindest 250°C erhitzt. Das ECM 40 und/oder das Modul 60 zur thermischen Steuerung können das Vorverbrennungs-Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors 14 auf ein stöchiometrisches Verhältnis einstellen, während die Zündung nach spät verstellt wird, um den CC 18 zu heizen. Dies erlaubt ein Übertragen von Wärme von dem Motor 14 in das Abgassystem 16 und ein Erhitzen des CC 18. Der Zündzeitpunkt kann beispielsweise von einem Zündzeitpunkt, der dem oberen Totpunkt (OT) zugeordnet ist, und/oder einem gegenwärtig eingestellten Zündzeitpunkt verzögert sein, um den Zündfunken nach spät zu verstellen. Der gegenwärtig eingestellte Zündzeitpunkt kann vor oder nach dem OT liegen.
Während des SCR-Heizmodus werden die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 auf zumindest eine aktive Temperatur (z.B. 200 - 350°C) erhitzt. Bei einer Implementierung werden die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 auf zumindest 225°C erhitzt. Das ECM 40 und/oder das Modul 60 zur thermischen Steuerung können eine Nachkraftstoffeinspritzung ausführen und/oder Kraftstoff in das Abgassystem 16 einspritzen, um die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 zu erhitzen. Eine Nachkraftstoffeinspritzung kann ein Einspritzen von Kraftstoff in die Zylinder 28 nach einer Zündung von Luft/Kraftstoff-Gemischen in den Zylindern 28 und vor Ansaughüben der Zylinder 28 umfassen. Dies erlaubt, dass Kraftstoff in das Abgassystem 16 gelangt. Eine Kohlenwasserstoff-(HC-)Einspritzeinrichtung 70 (in 2 gezeigt) kann dazu verwendet werden, Kraftstoff direkt in das Abgassystem 16 einzuspritzen. Das Modul 60 zur thermischen Steuerung kann einer Kraftstoffpumpe 72 signalisieren, Kraftstoff an die HC-Einspritzeinrichtung 70 zu liefern. Die HC-Einspritzeinrichtung 70 kann Kraftstoff in das Abgassystem 16 beispielsweise zwischen dem Motor 14 und dem CC 18 einspritzen, wie gezeigt ist.
Der Kraftstoff, der an das Abgassystem 16 über Nachkraftstoffeinspritzung und/oder über die HC-Einspritzeinrichtung 70 bereitgestellt wird, kann beispielsweise in dem CC 18 gezündet werden. Thermische Energie, die durch die Zündung des Kraftstoffs erzeugt wird, heizt die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20. Die Nachkraftstoffeinspritzung und/oder Einspritzung über die HC-Einspritzeinrichtung 70 können durch ein Nacheinspritzungssteuermodul 74 des Moduls zur thermischen Steuerung 60 gesteuert werden. Der SCR-Heizmodus braucht nicht ausgeführt zu werden, während der CC-Heizmodus ausgeführt wird.
Während des Magerbetriebsmodus betreiben das ECM 40 und/oder das Modul 60 zur thermischen Steuerung den Motor 14 mit mageren Vorverbrennungs-Luft/Kraftstoff-Verhältnissen. Der CC-Heizmodus, der SCR-Heizmodus und/oder der Oxidationskatalysatorheizmodus brauchen nicht ausgeführt werden, während der Magerbetriebsmodus ausgeführt wird.
Das ECM 40, das Modul 60 zur thermischen Steuerung und/oder das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR können das Motorsystem 10 und das System 12 zur thermischen Regulierung auf Grundlage von Sensorinformation steuern. Die Sensorinformation kann direkt über Sensoren und/oder indirekt über Algorithmen, Modelle und/oder Tabellen, die in dem Speicher 71 gespeichert sind, erhalten werden. Einige beispielhafte Sensoren 80 zur Bestimmung von Abgasströmungsniveaus, Abgastemperaturniveaus, Abgasdruckniveaus, Katalysatortemperaturen, Sauerstoffniveaus, Ansaugluftdurchfluss, Ansaugluftdruck, Ansauglufttemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl, AGR, etc. sind bekannt. Abgasströmungssensoren 82, Abgastemperatursensoren 83, Abgasdrucksensoren 85, Katalysatortemperatursensoren 86, ein Umgebungstemperatursensor 87, ein Sauerstoffsensor 88, ein AGR-Sensor 90, ein Ansaugluftströmungssensor 92, ein Ansaugluftdrucksensor 94, ein Ansauglufttemperatursensor 96, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 98 und ein Motordrehzahlsensor 99 sind gezeigt.
Ein erster Abgasströmungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 100 kann mit der zweiten Abgasleitung 126 und stromaufwärts von dem CC 18 verbunden sein. Ein zweiter Abgasströmungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 102 kann mit der dritten Abgasleitung 128 stromabwärts von dem CC 18 verbunden sein. Ein erster Katalysatortemperatursensor 104 kann mit dem CC 18 verbunden sein. Ein dritter Abgasströmungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 106 kann mit einer vierten Abgasleitung 129 stromabwärts von einem oder mehreren der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 verbunden sein. Ein oder mehrere Katalysatortemperatursensoren können mit den kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 und mit den Oxidationskatalysatoren verbunden sein. Als ein Beispiel ist ein zweiter Katalysatortemperatursensor 110 gezeigt und mit einem der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 verbunden.
Ein vierter Abgasströmungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 112 kann mit einer fünften Abgasleitung 131 verbunden sein. Ein dritter Katalysatortemperatursensor 114 kann beispielsweise mit einem der Oxidationskatalysatoren verbunden sein. Der dritte Katalysatortemperatursensor 114 kann mit dem stromabwärtigsten der Oxidationskatalysatoren verbunden sein.
Ein erster NO_x-Sensor 133 kann mit der zweiten Abgasleitung 128 verbunden sein. Ein zweiter NO_x-Sensor 135 kann mit der vierten Abgasleitung 131 verbunden sein. Es kann eine beliebige Anzahl von NO_x-Sensoren in das Abgassystem 16 integriert sein. Die NO_x-Sensoren detektieren NO_x-Niveaus in dem Abgassystem 16. Die NO_x-Sensoren können sich an anderen Stellen befinden, als denen, die für die Sensoren 133, 135 gezeigt sind. Das ECM 40, das Modul 60 zur thermischen Steuerung und/oder das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR können den Betrieb des Systems zur thermischen Steuerung 12 und des Motors 14 auf Grundlage der Information von den Sensoren 80, 100, 102, 104, 106, 110, 112, 114, 133 und 135 steuern.
Nun auch Bezug nehmend auf 3 ist das ECM 40 mit dem Modul 60 zur thermischen Steuerung gezeigt. Das Modul 60 zur thermischen Steuerung weist das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuermodul 116 auf. Das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR kann den Modus mit passiver SCR und/oder den Oxidationsheizmodus auf Grundlage eines oder mehrerer Sensorsignale und/oder eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals aktivieren. Die Sensorsignale können beispielsweise zumindest Temperatursignale T2 und T4 - T7 (118, 119) von den Sensoren 102, 106, 110, 112, 114 und die Stickstoffsignale NO_x1, NO_x2 (120, 122) von den Sensoren 133, 135 aufweisen. Das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR kann ein Anforderungssignal REQ für einen Modus mit passiver SCR (137) erzeugen, um den Modus mit passiver SCR freizugeben und/oder zu aktivieren.
Das Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuermodul 116 steuert Luft/Kraftstoff-Verhältnisse des Motors 14 und kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal erzeugen, das ein gegenwärtiges Luft/Kraftstoffverhältnis und/oder einen Betrieb in dem fetten Modus, dem mageren Modus und/oder dem stöchiometrischen Modus angeben kann. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuermodul 116 kann die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse des Motors 14 auf Grundlage des Anforderungssignals für Modus mit passiver SCR REQ steuern. Das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR ist weiter unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben.
Das Modul 60 zur thermischen Steuerung kann auch ein CC-Temperaturüberwachungsmodul 150, ein CC-Vergleichsmodul 152 und ein CC-Temperatursteuermodul 154 aufweisen. Das CC-Temperaturüberwachungsmodul 150 kann eine Betriebs- und/oder Durchschnittstemperatur (CC-Temperatur) T_CC (156) und/oder ein aktives Volumen CC_AV (158) des CC 18 bestimmen. Das aktive Volumen CC_AV betrifft das Volumen des CC 18, das aktiv ist (d.h. eine Temperatur besitzt, die größer als eine Anspringtemperatur ist). Die CC-Temperatur T_CC und/oder ein aktives Volumen CC_AV können beispielsweise auf Grundlage von Temperatursignalen T1 - T3 (160 - 164) von den Sensoren 100, 102, 104, einem Motormodul, einem Algorithmus, etc. bestimmt werden.
Als ein Beispiel kann das CC-Temperaturüberwachungsmodul 150 die CC-Temperatur T_CC und/oder das aktive Volumen CC_AV unter Verwendung eines ersten thermischen Modells und auf Grundlage von Motorparametern und/oder Abgastemperaturen schätzen, von denen einige nachfolgend in Bezug auf die Gleichungen 1 und 2 beschrieben sind. Das CC-Temperaturüberwachungsmodul kann die CC-Temperatur T_CC direkt über die Sensoren 100, 102, 104 bestimmen. Das erste thermische Modell kann Gleichungen aufweisen, wie Gleichungen 1 und 2: $T_{CC} = f {\begin{array}{l} F_{CCRate}, S_{ENG}, {CC}_{Mass}, {CC}_{IMP}, T_{EXH}, DC \\ E_{RunTime}, E_{Load}, T_{AMB}, CAM, SPK \end{array}}$
${CC}_{AV} = f {\begin{array}{l} T_{CC}, F_{CCRate}, S_{ENG}, {CC}_{Mass}, {CC}_{IMP}, T_{EXH}, DC \\ E_{RunTime}, E_{Load}, T_{AMB}, CAM, SPK \end{array}}$
F_CCRate ist der Abgasdurchfluss durch den CC 18, der eine Funktion des Luftmassenstroms und der Kraftstoffmenge, die an die Zylinder 28 geliefert werden, sein kann. Der Luftmassenstrom kann durch einen Luftmassenstromsensor, wie dem Ansaugluftströmungssensor 92 bestimmt werden. S_ENG ist die Drehzahl des Motors 14 (d.h. Rotationsdrehzahl einer Kurbelwelle des Motors 14). DC ist das Einschaltverhältnis des Motors 14. CC_Mass ist die Masse des CC 18. CC_IMP ist der Widerstand oder die Impedanz des CC 18. E_RunTime ist die Zeit, die der Motor 14 aktiviert (EIN) ist. E_Load ist die gegenwärtige Last an den Motor 14. T_EXH kann eine Temperatur des Abgassystems 16 betreffen und basiert auf einem oder mehreren der Sensoren 100, 102, 104. T_amb ist die Umgebungstemperatur. CAM ist die Nockenphaseneinstellung des Motors 14. SPK ist der Zündzeitpunkt. Die CC-Temperatur T_CC und/oder das aktive Volumen CC_AV können auf einem oder mehreren der Motorsystemparameter, die in den Gleichungen 1 und 2 vorgesehen sind, und/oder anderen Motorsystemparametern basieren.
Das CC-Vergleichsmodul 152 vergleicht die CC-Temperatur T_CC mit einer Katalysatoranspringtemperatur T_LO (166) und/oder das aktive Volumen CC_AV mit einer ersten Katalysatorschwelle CC_THR (168). Die Katalysatoranspringtemperatur TLO und die erste Katalysatorschwelle CC_THR können vorbestimmt und in dem Speicher 71 gespeichert sein. Das CC-Vergleichsmodul 152 erzeugt ein erstes Vergleichssignal C1 (170), das angibt, ob die CC-Temperatur T_CC größer als die Katalysatoranspringtemperatur T_LO ist und/oder ob das aktive Volumen CC_AV größer als die erste Katalysatorschwelle CC_THR ist
Das CC-Temperatursteuermodul 154 bestimmt auf Grundlage des ersten Vergleichssignals C1, ob in dem CC-Heizmodus gearbeitet wird. Das CC-Temperatursteuermodul 154 kann in dem CC-Heizmodus arbeiten, wenn die CC-Temperatur T_CC kleiner als die Katalysatoranspringtemperatur T_LO ist und/oder wenn das aktive Volumen CCAV kleiner als die erste Katalysatorschwelle CC_THR ist. Das CC-Temperatursteuermodul 154 kann ein stöchiometrisches Signal STOICH (171) und/oder ein Spätverstellungszündsignal RET (172) erzeugen und/oder einstellen, um anzufordern, dass der Motor 14 mit stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnissen arbeitet und dass der Zündzeitpunkt des Motors 14 nach spät verstellt ist.
Das stöchiometrische Signal STOICH kann an das Modul 104 zur Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses geliefert werden. Das Modul 104 zur Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses weist ein Luftsteuermodul 176 und ein Kraftstoffsteuermodul 178 auf. Das Luftsteuermodul 176 erzeugt ein Luftsteuersignal THR (180) auf Grundlage des stöchiometrischen Signals STOICH. Das Luftsteuersignal THR kann z.B. an ein Drosselaktuatormodul 182 geliefert werden, um eine Position einer Drosselplatte zu steuern und die Menge an Luft, die an die Zylinder 28 geliefert wird, einzustellen. Das Kraftstoffsteuermodul 178 erzeugt ein Kraftstoffsteuersignal FUEL (184) auf Grundlage des stöchiometrischen Signals STOICH. Das Kraftstoffsteuersignal FUEL kann an ein Kraftstoffaktuatormodul 185 geliefert werden, um die Menge an Kraftstoff, die an die Zylinder 28 geliefert wird, einzustellen. Das Kraftstoffaktuatormodul 185 kann den Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 30 steuern.
Jedes System, das einen Motorparameter variiert, kann als ein Aktuator bezeichnet werden, der einen Aktuatorwert empfängt. Beispielsweise kann das Drosselaktuatormodul 182 als ein Aktuator bezeichnet werden und die Drosselöffnungsfläche kann als der Aktuatorwert bezeichnet werden. Das Drosselaktuatormodul 182 kann eine Drosselöffnungsfläche durch Einstellen eines Winkels einer Klappe eines Drosselventils erreichen. Das Drosselaktuatormodul 182 kann die Position des Drosselventils unter Verwendung einer oder mehrerer Drosselpositionssensoren (nicht gezeigt) überwachen. Das Luftsteuermodul 176 kann ein Soll-Flächensignal an das Drosselaktuatormodul 182 auf Grundlage des stöchiometrischen Signals STOICH ausgeben. Das Drosselaktuatormodul 182 regelt dann das Drosselventil, um die Soll-Drosselfläche zu erzeugen.
Das Spätverstellungszündfunkensignal RET kann an ein Zündfunkensteuermodul 186 geliefert werden, das ein Zündfunkensteuer- (oder -Zeitpunkt-) Signal SPARK (187) auf Grundlage des Spätverstellungszündfunkensignal RET erzeugen kann. Das Zündfunkensteuersignal SPARK kann an ein Zündfunkenaktuatormodul 188 geliefert werden. Das Zündfunkenaktuatormodul 188 kann als ein Aktuator bezeichnet werden, während ein entsprechender Aktuatorwert beispielsweise die Größe der Zündspätverstellung relativ zu einem Zylinder-OT und/oder eine gegenwärtige Zündzeit eines Zylinders sein kann. Das Zündaktuatormodul 188 steuert einen Betrieb der Zündkerzen 32.
Das Modul 60 zur thermischen Steuerung umfasst ferner ein SCR-Temperaturüberwachungsmodul 190, ein SCR-Vergleichsmodul 191 und ein SCR-Temperatursteuermodul 192. Das SCR-Temperaturüberwachungsmodul 190 kann eine Betriebs- und/oder Durchschnittstemperatur (SCR-Temperatur) T_SCR (193) und/oder ein aktives Volumen SCR_AV (194) der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 bestimmen. Das aktive Volumen SCRAV betrifft das Volumen der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20, das aktiv ist (d.h. eine Temperatur besitzen, die größer als die Anspringtemperatur ist). Die SCR-Temperatur T_SCR und/oder ein aktives Volumen SCR_AV können beispielsweise auf Grundlage von Temperatursignalen T3-T5 (164, 195, 196) von den Sensoren 102, 106, 110, einem Motormodell, einem Algorithmus, etc. bestimmt werden.
Als ein Beispiel kann das SCR-Temperaturüberwachungsmodul 190 die SCR-Temperatur T_SCR und/oder das aktive Volumen SCR_AV 3 unter Verwendung eines zweiten thermischen Modells und auf Grundlage von Motorparametern und/oder Abgastemperaturen schätzen, von denen einige nachfolgend in Bezug auf die Gleichungen 3 und 4 beschrieben sind. Das SCR-Temperaturüberwachungsmodul 190 kann die SCR-Temperatur T_SCR direkt über die Sensoren 102, 106, 110 bestimmen. Das zweite thermische Modell kann Gleichungen aufweisen, wie Gleichungen 3 und 4. $T_{SCR} = f {\begin{array}{l} F_{SCRRate}, S_{ENG}, {SCR}_{Mass}, {SCRE}_{IMP}, T_{EXH}, DC, \\ E_{RunTime}, E_{Load}, T_{AMB}, CAM, SPK \end{array}}$
${CC}_{AV} = f {\begin{array}{l} T_{SCR}, F_{SCRRate}, S_{ENG}, {SCR}_{Mass}, {SCR}_{IMP}, T_{EXH}, DC, \\ E_{RunTime}, E_{Load}, T_{AMB}, CAM, SPK \end{array}}$
F_SCRRate ist der Abgasdurchfluss durch die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20, der eine Funktion des Luftmassenstroms und der Kraftstoffmenge, die an die Zylinder 28 geliefert werden, sein kann. SCR_Mass ist die Masse der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20. SCR_IMP ist ein Widerstand oder die Impedanz der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20. T_EXH kann eine Temperatur des Abgassystems 16 betreffen und basiert auf einem oder mehreren der Sensoren 102, 106, 110. Die SCR-Temperatur T_SCR und/oder das aktive Volumen SCR_AV können auf einem oder mehreren der Motorsystemparameter, die in den Gleichungen 3 und 4 vorgesehen sind, und/oder anderen Motorsystemparametern basieren.
Das SCR-Vergleichsmodul 191 vergleicht die SCR-Temperatur T_SCR mit einer aktiven Temperatur T_ACT (197) und/oder das aktive Volumen SCR_AV (198) mit einer zweiten Katalysatorschwelle SCR_THR. Die aktive Temperatur T_ACT und/oder das aktive Volumen SCR_AV können vorbestimmt und in dem Speicher 71 gespeichert sein. Das SCR-Vergleichsmodul 191 erzeugt ein zweites Vergleichssignal C2 (199), das angibt, ob die SCR-Temperatur T_SCR größer als die aktive Temperatur T_ACT ist und/oder ob das aktive Volumen SCR_AV größer als die zweite Katalysatorschwelle SCR_THR ist.
Das SCR-Temperatursteuermodul 192 kann Teil des Nacheinspritzsteuermoduls 68 sein und bestimmt auf Grundlage des zweiten Vergleichssignals C2, ob in dem SCR-Heizmodus gearbeitet wird. Das SCR-Temperatursteuermodul 192 kann in dem SCR-Heizmodus arbeiten, wenn die SCR-Temperatur T_SCR kleiner als die aktive Temperatur T_ACT ist und/oder wenn das aktive Volumen SCR_AV kleiner als die zweite Katalysatorschwelle SCR_THR ist. Das SCR-Temperatursteuermodul 192 kann ein Nacheinspritzsignal POST (200) erzeugen und/oder einstellen, um zu fordern, dass der Motor 14 eine Nacheinspritzung ausführt und/oder dass die HC-Einspritzeinrichtung 70 Kraftstoff direkt in das Abgassystem 16 einspritzt.
Das Nacheinspritzsignal POST kann an das Luft/Kraftstoffverhältnissteuermodul 104 und/oder das Kraftstoffsteuermodul 178 geliefert werden. Das Kraftstoffsteuermodul 178 erzeugt das Kraftstoffsteuersignal FUEL auf Grundlage des Nacheinspritzsignals POST. Das Kraftstoffsteuersignal FUEL und/oder ein HC-Einspritzsignal HCINJ (201) können an das Kraftstoffaktuatormodul geliefert werden, um die Menge an Kraftstoff, die an das Abgassystem 16 geliefert wird, einzustellen.
Die Menge an Kraftstoff, die an das Abgassystem 16 während der Nachkraftstoffeinspritzung und/oder durch die HC-Einspritzeinrichtung 70 geliefert wird, kann basierend auf und/oder als eine Funktion der CC-Temperatur T_CC, der SCR-Temperatur T_SCR und/oder den aktiven Volumen CC_AV, SCR_AV beschränkt sein. Dies sieht eine Regelung (mit geschlossenem Regelkreis) des in das Abgassystem 16 eingespritzten Kraftstoffs vor.
Als ein weiteres Beispiel kann die SCR-Temperatur T_SCR auf Grundlage eines Temperaturgradienten über die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 bestimmt werden. Das CC-Temperaturüberwachungsmodul 150 bestimmt einen Temperaturgradienten über die kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 auf Grundlage der Temperatursignale T1, T2 von den Temperatursensoren 102, 106. Beispielsweise kann das Temperaturüberwachungsmodul 150 eine Differenz zwischen dem ersten Temperatursignal T1 und dem zweiten Temperatursignal T2 bestimmen, wie durch Gleichung 5 vorgesehen ist. $GRAD = T 1 - T 2$
Ein Wert eines gewichteten Mittels WA kann als eine Funktion der Temperatursignale T1, T2 erzeugt werden. Als eine Alternative kann der Wert des gewichteten Mittels WA ein gewichtetes Mittel der Temperatursignale T1, T2 sein. Ein Beispiel des Werts des gewichteten Mittels WA wird durch Gleichung 6 bereitgestellt, wobei x ein kalibrierter Wert zwischen 0 und 1 ist. Der kalibrierte Wert x kann beispielsweise auf Grundlage von Thermoelementdaten getesteter und/oder modellierter Katalysatoren kalibriert sein. $WA = [(x) T 1 + (1 - x) T 2]$
Der Wert des gewichteten Mittels WA gibt eine durchschnittliche Temperatur der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 an. Das aktive Volumen SCR_AV der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 kann auf Grundlage der Temperatursignale T1, T2, des Wertes des gewichteten Mittels WA und/oder anderer Parameter bestimmt werden. Das aktive Volumen SCR_AV der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 kann beispielsweise auf Grundlage von Masse, Widerstand und/oder Impedanz der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20, der Umgebungstemperatur, Motordrehzahl, Nockenwellenphaseneinstellung, Zündzeitpunkt, Einschaltverhältnis des Motors, etc. bestimmt sein, wie oben beschrieben ist.
Ein Temperaturgradient über den CC 18 kann ebenfalls bestimmt werden, um die CC-Temperatur T_CC unter Verwendung der Sensoren 100 und 102 zu bestimmen. Das aktive Volumen CC_AV des CC 18 kann auf Grundlage der Temperatursignale der Sensoren 100, 102, des Wertes des gewichteten Mittels, der daraus bestimmt ist, und/oder anderer Parameter (von denen einige oben angegeben sind) bestimmt werden.
Nun auch Bezug nehmend auf 4 ist das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR gezeigt. Das Modul 62 zur Steuerung passiver SCR kann ein Ammoniaküberwachungsmodul 210, ein Freigabemodul 212 für passive SCR und ein Statusmodul 214 für passive SCR aufweisen. Das Ammoniaküberwachungsmodul 210 schätzt Ammoniakspeicherzustände der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20. Die Ammoniakspeicherzustände betreffen Mengen von Ammoniak, die in jedem der kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 gespeichert sind. Das Ammoniaküberwachungsmodul 210 schätzt die Ammoniakspeicherzustände und erzeugt ein Ammoniakstatussignal AM (218) auf Grundlage eines oder mehrerer der NO_x-Signale (z.B. NO_x1, NO_x2) und/oder eines oder mehrerer der Temperatursignale T2, T4, T5 (220). Das Ammoniaküberwachungsmodul 210 kann bei der Bestimmung der Ammoniakspeicherzustände die NO_x-Signale und/oder einen Durchschnitt der NO_x-Signale mit einer oder mehreren NO_x-Schwellen (z.B. der Stickstoffschwelle THR_NOx (221)) vergleichen. Ein Ammoniakstatussignal AM 218 kann Ammoniakniveaus in den kaskadierten SCR-Katalysatoren 20, ob die NO_x-Schwellen überschritten worden sind, etc. angeben. Die NO_x-Schwellen können in dem Speicher 71 gespeichert sein.
Das Freigabemodul 212 für passive SCR kann das Anforderungssignal REQ für passive SCR auf Grundlage des Ammoniakstatussignals AM und/oder eines Zeitsignals TIME (222) erzeugen. Das Zeitsignal TIME kann einen Zeitbetrag angeben, den der Modus mit passiver SCR aktiv gewesen ist. Das Statusmodul 214 für passive SCR kann ein aktives Signal SCR_ACT (224) für passive SCR auf Grundlage des Anforderungssignals REQ für passive SCR und des Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals A/F (226) erzeugen. Das Statusmodul 214 für passive SCR kann überwachen, wann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist und der Modus mit passiver SCR freigegeben ist, um die Zeit in dem Modus mit passiver SCR zu bestimmen. Das Statusmodul 214 für passive SCR kann einen Zeitgeber 230 aufweisen, der die Zeit in dem Modus mit passiver SCR verfolgt. Diese verfolgte Zeit kann über das Zeitsignal TIME angegeben werden. Das Modul zur Steuerung passiver SCR kann ferner ein Oxidationskatalysator-(Oxi-Kat)-Temperaturüberwachungsmodul 232, ein Oxi-Kat-Vergleichsmodul 234 und ein Oxi-Kat-Temperatursteuermodul 236 aufweisen. Das Oxi-Kat-Temperaturüberwachungsmodul 232 kann eine Betriebs- und/oder Durchschnittstemperatur (Oxi-Kat-Temperatur) T_OXI (238) und/oder ein aktives Volumen OXI_AV (240) des einen oder der mehreren Oxidationskatalysatoren (z.B. der Oxidationskatalysatoren 21, 22) bestimmen. Das aktive Volumen OXI_AV betrifft das Volumen des einen oder der mehreren Oxidationskatalysatoren, das aktiv ist (d.h. eine Temperatur besitzt, die größer als eine Anspringtemperatur oder eine minimale aktive Betriebstemperatur ist). Die Oxi-Kat-Temperatur T_OXI und/oder ein aktives Volumen OXI_AV können beispielsweise auf Grundlage von Temperatursignalen T4, T6, T7 (242, 244, 246) von den Sensoren 106, 112, 114, einem Motormodell, einem Algorithmus, etc. bestimmt werden.
Als ein Beispiel kann das Oxi-Kat-Temperaturüberwachungsmodul 232 die Oxi-Kat-Temperatur T_OXI und/oder das aktive Volumen OXI_AV unter Verwendung eines dritten thermischen Modells und auf Grundlage von Motorparametern und/oder Abgastemperaturen schätzen, von denen einige nachfolgend mit Bezug auf die Gleichungen 7 und 8 beschrieben sind. Das Oxi-Kat-Temperaturüberwachungsmodul 232 kann die Oxi-Kat-Temperatur T_OXI über die Sensoren 106, 112, 114 bestimmen. Das dritte thermische Modell kann Gleichungen aufweisen, wie Gleichungen 7 und 8. $T_{OXI} = f {\begin{array}{l} F_{CCRate}, S_{ENG}, {OXI}_{Mass}, {OXI}_{IMP}, T_{EXH}, DC \\ E_{RunTime}, E_{Load}, T_{AMB}, CAM, SPK \end{array}}$
${OXI}_{AV} = f {\begin{array}{l} T_{CC}, F_{CCRate}, S_{ENG}, {OXI}_{Mass}, {OXI}_{IMP}, T_{EXH}, DC \\ E_{RunTime}, E_{Load}, T_{AMB}, CAM, SPK \end{array}}$
F_CCRate kann der Abgasdurchfluss durch die Oxidationskatalysatoren sein, der eine Funktion des Luftmassenstroms und der Kraftstoffmenge sein kann, die an die Zylinder 28 geliefert wird. Der Luftmassenstrom kann durch einen Luftmassenstromsensor bestimmt werden, wie den Ansaugluftstromsensor 92. OXI_MASS ist die Masse der Oxidationskatalysatoren. OXI_IMP ist der Widerstand oder die Impedanz der Oxidationskatalysatoren. T_EXH kann eine Temperatur des Abgassystems 16 betreffen und auf einem oder mehreren der Sensoren 106, 112, 114 basieren. Die Oxi-Kat-Temperatur T_OXI und/oder das aktive Volumen OXI_AV können auf einem oder mehreren der Motorsystemparameter, die in den Gleichungen 7 und 8 vorgesehen sind, und/oder anderen Motorsystemparametern basieren.
Als ein weiteres Beispiel kann die Oxi-Kat-Temperatur T_OXI auf Grundlage eines Temperaturgradienten über die Oxidationskatalysatoren (z.B. die Oxidationskatalysatoren 21, 22) bestimmt werden. Das CC-Temperaturüberwachungsmodul 150 bestimmt einen Temperaturgradienten über die Oxidationskatalysatoren auf Grundlage der Temperatursignale T4, T6 von den Temperatursensoren 106, 112. Beispielsweise kann das Oxi-Kat-Temperaturüberwachungsmodul 232 eine Differenz zwischen dem ersten Temperatursignal T4 und dem zweiten Temperatursignal T6 bestimmen, wie durch Gleichung 9 vorgesehen ist. $GRAD = T 4 - T 6$
Ein Wert eines gewichteten Mittels WA kann als eine Funktion der Temperatursignale T4, T6 erzeugt werden. Als eine Alternative kann der Wert des gewichteten Mittels WA ein gewichtetes Mittel der Temperatursignale T4, T6 sein. Ein Beispiel des Wertes des gewichteten Mittels WA ist durch Gleichung 10 vorgesehen, wobei x ein kalibrierter Wert zwischen 0 und 1 ist. Der kalibrierte Wert x kann beispielsweise auf Grundlage von Thermoelementdaten getesteter und/oder modellierter Katalysatoren kalibriert sein. $WA = [(x) T 4 + (1 - x) T 6]$
Der Wert des gewichteten Mittels WA gibt eine durchschnittliche Temperatur der Oxidationskatalysatoren an. Das aktive Volumen OXI_AV der Oxidationskatalysatoren kann auf Grundlage der Temperatursignale T4, T6, des Wertes des gewichteten Mittels WA und/oder anderer Parameter bestimmt werden. Das aktive Volumen OXI_AV der Oxidationskatalysatoren kann beispielsweise auf Grundlage von Masse, Widerstand und/oder Impedanz der Oxidationskatalysatoren, der Umgebungstemperatur, der Motordrehzahl, der Nockenwellenphaseneinstellung, dem Zündzeitpunkt, dem Einschaltverhältnis des Motors, etc. bestimmt sein, wie oben beschrieben ist.
Das Oxi-Kat-Vergleichsmodul 234 kann die Oxi-Kat-Temperatur T_OXI mit einer Katalysatoranspringtemperatur (z.B. der Schwelle THR_OXI (250)) und/oder das aktive Volumen OXI_AV mit einer Katalysatorschwelle AV_THR (252) vergleichen. Die Katalysatoranspringtemperatur THR_OXI und die Katalysatorschwelle AV_THR können vorbestimmt und in dem Speicher 71 gespeichert sein. Das Oxi-Kat-Vergleichsmodul 234 erzeugt ein drittes Vergleichssignal C3 (254), das angibt, ob die Oxi-Kat-Temperatur T_OXI größer als die Katalysatoranspringtemperatur THR_OXI ist und/oder ob das aktive Volumen OXI_AV größer als die Katalysatorschwelle AV_THR ist.
Das Oxi-Kat-Temperatursteuermodul 236 bestimmt, ob in einem Oxidationskatalysatorheizmodus gearbeitet wird, auf Grundlage des dritten Vergleichssignals C3. Das Oxi-Kat-Temperatursteuermodul 236 kann in dem Oxidationskatalysatorheizmodus arbeiten, wenn die Oxi-Kat-Temperatur T_OXI kleiner als die Katalysatoranspringtemperatur THR_OXI ist und/oder wenn das aktive Volumen OXI_AV kleiner als die Katalysatorschwelle OXI_THR ist. Das Oxi-Kat-Temperatursteuermodul 236 erzeugt ein Oxi-Kat-Aktivierungssignal OXIACT (256), um das elektrische Heizen des einen oder der mehreren Oxidationskatalysatoren zu aktivieren.
Das System 12 zur thermischen Regulierung kann unter Verwendung zahlreicher Verfahren betrieben werden, wobei ein beispielhaftes Verfahren durch das Verfahren von 5 vorgesehen ist. In 5 ist ein Verfahren zur thermischen Steuerung gezeigt. Obwohl die folgenden Aufgaben hauptsächlich in Bezug auf die Implementierungen der 1 - 4 beschrieben sind, können die Aufgaben leicht modifiziert werden, um Anwendung auf andere Implementierungen der vorliegenden Offenbarung zu finden. Die Aufgaben können iterativ ausgeführt werden. Das Verfahren kann bei 300 beginnen.
Bei 302 werden Sensorsignale erzeugt. Beispielsweise können die Sensoren 80, 100, 102, 104, 106, 110, 112, 114, 133, 135 jeweilige Sensorsignale erzeugen.
Bei 304 bestimmt das Ammoniaküberwachungsmodul 210, ob Ammoniak zur Verwendung in den kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 erzeugt wird. Das Ammoniaküberwachungsmodul 210 kann diese Entscheidung auf Ammoniakniveaus in den kaskadierten SCRs und/oder NO_x-Niveaus in dem Abgassystem basieren. Das Ammoniaküberwachungsmodul 210 kann die Niveaus von Ammoniak in den kaskadierten SCR-Katalysatoren 20 auf Grundlage eines oder mehrerer der Sensorsignale schätzen, die bei 302 erzeugt sind. Die NO_x-Niveaus können auf Grundlage von Sensorsignalen von den NO_x-Sensoren 133, 135 und/oder direkt und/oder indirekt auf Grundlage von Sensorsignalen von anderen Sensoren (z.B. den Sensoren 80, 100, 102, 104, 106, 110, 112, 114) des Systems zur thermischen Regulierung 12 bestimmt werden. Das Ammoniaküberwachungsmodul 210 vergleicht die geschätzten Ammoniakniveaus und/oder die bestimmten NO_x-Niveaus mit vorbestimmten Schwellen und erzeugt das Ammoniakstatussignal AM.
Bei 306 bestimmt das Statusmodul 214 für passive SCR, ob der Modus mit passiver SCR aktiv ist. Das Statusmodul 214 für passive SCR kann auf Grundlage des Anforderungssignals REQ für Modus mit passiver SCR und/oder eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals A/F, das durch das Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuermodul 116 erzeugt wird, bestimmen, ob der Modus mit passiver SCR aktiv ist. Die Aufgabe 308 wird ausgeführt, wenn der Modus mit passiver SCR nicht aktiv ist, ansonsten wird die Aufgabe 312 ausgeführt.
Bei 308 gibt das Freigabemodul 212 für passive SCR den Modus mit passiver SCR auf Grundlage des Ammoniakstatussignals AM frei (oder löst diesen aus). Der Modus mit passiver SCR kann durch Einstellen eines Flags für passive SCR und/oder durch Erzeugen des Anforderungssignals REQ für Modus mit passiver SCR freigegeben werden.
Bei 310 stellt das Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuermodul 116 Luft/Kraftstoff-Verhältnisse des Motors 14 zum Betrieb in dem fetten Modus ein. Das Modul 60 zur thermischen Steuerung arbeitet in dem Modus mit passiver SCR, wenn der fette Modus aktiv ist und/oder wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuermodul 116 iterativ zwischen dem fetten Modus und dem stöchiometrischen Modus oder dem mageren Modus innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode schaltet. Das Statusmodul 214 für passive SCR kann den Zeitgeber 230 starten, um die Zeit in dem Modus mit passiver SCR zu überwachen und/oder ein Dekrementieren eines Zeitgebers auszulösen, wenn der Modus mit passiver SCR aktiviert ist.
Während des Modus mit passiver SCR kann der Motor 14 iterativ zwischen einem Betrieb mit fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnissen (fetter Modus) und einem Betrieb mit entweder stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen (stöchiometrischer Modus) oder mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen (magerer Modus) geschaltet werden. Ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis kann ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis betreffen, das größer als ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis (z.B. 14,7:1) ist. Die iterative Aktivierung und Deaktivierung des fetten Modus erlaubt ein Mischen von Sauerstoff mit Kraftstoff in dem Abgassystem, um zu ermöglichen, dass die Oxidationskatalysatoren (z.B. der EHC 21 und der OXI 22) das CO, das während des Modus mit passiver SCR erzeugt wird, oxidieren können.
Bei 312 bestimmt das Oxi-Kat-Vergleichsmodul 234, ob die Oxi-Kat-Temperatur T_OXI kleiner als die Schwelle THR_OXI und/oder eine Katalysatoranspringtemperatur ist (oder innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches liegt) und/oder ob das aktive Volumen OXI_AV kleiner als die Katalysatorschwelle AV_THR ist. Die Aufgabe 314 wird ausgeführt, wenn die OXI-Temperatur T_OXI kleiner als die Schwelle THR_OXI und/oder die Katalysatoranspringtemperatur ist (oder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches liegt) und/oder wenn das aktive Volumen OXI_AV kleiner als die Katalysatorschwelle AV_THR ist, ansonsten wird Aufgabe 316 ausgeführt.
Bei 314 erhöht und hält das Oxi-Kat-Temperatursteuermodul 236 Temperaturen der Oxidationskatalysatoren (z.B. des EHC 21 und des OXI 22) über Anspring- und/oder minimalen aktiven Betriebstemperaturen während zumindest des Modus mit passiver SCR. Das Oxi-Kat-Temperatursteuermodul 236 kann die Temperatur der Oxidationskatalysatoren auf Temperaturen zur CO-Oxidation erhöhen. Das Oxi-Kat-Temperatursteuermodul 236 kann das Oxi-Kat-Aktivierungssignal OXIACT erzeugen, um ein elektrisches Heizen eines oder mehrerer der Oxidationskatalysatoren zu aktivieren, wie oben beschrieben ist. Die Temperaturen der Oxidationskatalysatoren können auf Grundlage von Sensorsignalen von beispielsweise einem oder mehreren der Sensoren 100, 102, 106, 112, 114 und/oder von anderen Sensoren des Systems 12 zur thermischen Regulierung einstellen. Das Oxi-Kat-Temperatursteuermodul 236 kann ein elektrisches Heizen der Oxidationskatalysatoren beibehalten, bis Temperaturen der Oxidationskatalysatoren über den Anspring- und/oder minimalen aktiven Betriebstemperaturen durch Wärmeübertragung von dem Abgas beibehalten werden.
Bei 316 kann das Oxi-Kat-Temperatursteuermodul 236 ein elektrisches Heizen des/der Oxidationskatalysators(en) deaktivieren. Das Modul 60 zur thermischen Steuerung kann zur Aufgabe 302 bei Beendigung der Aufgabe 316 zurückkehren oder kann bei 320 enden, wie gezeigt ist.
Bei 318 kann das Freigabemodul 212 für passive SCR die Zeit des Zeitgebers und/oder das Zeitsignal TIME mit einer vorbestimmten Periode vergleichen. Die Aufgabe 319 kann ausgeführt werden, wenn die Zeit die vorbestimmte Periode überschreitet und/oder wenn die Zeit auf 0 abnimmt.
Bei 319 kann das Freigabemodul 212 für passive SCR den Modus mit passiver SCR deaktivieren. Das Freigabemodul 212 für passive SCR kann den Status des Flags, der bei 308 gesetzt wird, und/oder das Anforderungssignal REQ für Modus mit passiver SCR ändern. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuermodul 116 kann den fetten Modus deaktivieren und zum Betrieb in einem oder mehreren des mageren und stöchiometrischen Modus zurückkehren. Der Zeitgeber 230 kann bei 319 rückgesetzt werden. Das Modul 60 zur thermischen Steuerung kann mit Aufgabe 316 bei Beendigung der Aufgabe 319 fortfahren.
Die oben beschriebenen Aufgaben sind als illustrative Beispiele gemeint; die Aufgaben können sequentiell, synchron, simultan, kontinuierlich, während überlappender Zeitperioden oder in einer unterschiedlichen Reihenfolge abhängig von der Anwendung ausgeführt werden. Auch brauchen eine oder mehrere der Aufgaben nicht ausgeführt zu werden. Beispielsweise braucht die Aufgabe 318 nicht ausgeführt zu werden.
Die oben beschriebenen Implementierungen erlauben die Erfüllung von CO-Emissionsstandards, erlauben die Maximierung eines mageren Kraftstoffbetriebs und verwenden eine minimale elektrische Leistung zur Ergänzung einer Heizung von Abgassystemkatalysatoren. Ein magerer Kraftstoffbetrieb tendiert zur Verringerung von Abgassystemtemperaturen. Wenn die Katalysatoren bei Temperaturen von größer als der Anspring- oder minimalen aktiven Betriebstemperatur gehalten werden, ist ein magerer Kraftstoffbetrieb maximiert.

Claims

Verfahren zur thermischen Regulierung eines Oxidationskatalysators (21, 22) eines Abgassystems (16), umfassend: Freigeben einer Erzeugung von Ammoniak zur Verwendung in Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion (SCR) (20) des Abgassystems (16) während eines Modus mit passiver SCR, wobei der Modus mit passiver SCR einen Betrieb eines Motors (14) mit fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnissen aufweist; Bestimmen, ob das Abgassystem (16) in dem Modus mit passiver SCR arbeitet; und Erzeugen eines aktiven Signals für passive SCR, wenn das Abgassystem (16) in dem Modus mit passiver SCR arbeitet; gekennzeichnet durch Aktivieren einer elektrischen Heizung eines sich stromabwärts der Katalysatoren (20) für selektive katalytische Reduktion befindlichen Oxidationskatalysators (21, 22) auf Grundlage des aktiven Signals für passive SCR und einer Temperatur des Oxidationskatalysators (21, 22).
Verfahren zur thermischen Regulierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bestimmen von Niveaus von Stickoxid (NO_X) in dem Abgassystem (16); Erzeugen eines Ammoniakstatussignals auf Grundlage der NO_X-Niveaus; und Freigeben des Modus mit passiver SCR auf Grundlage des Ammoniakstatussignals.
Verfahren zur thermischen Regulierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: Schätzen von Ammoniakniveaus in den SCR-Katalysatoren (20); Erzeugen eines Ammoniakstatussignals auf Grundlage der Ammoniakniveaus; und Freigeben des Modus mit passiver SCR auf Grundlage des Ammoniakstatussignals.
Verfahren zur thermischen Regulierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: Erzeugen von Ammoniak in dem Abgassystem (16) durch Betrieb des Motors (14) mit den fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnissen auf Grundlage eines Freigabesignals; und Erzeugen des Freigabesignals auf Grundlage zumindest eines von Stickstoffniveaus in dem Abgassystem (16) und Ammoniakniveaus in den SCR-Katalysatoren (20).
Verfahren zur thermischen Regulierung nach Anspruch 4, ferner mit einem Schalten zwischen einem Betrieb in einem fetten Modus und einem Betrieb in einem mageren Modus oder einem stöchiometrischen Modus, wenn der Modus mit passiver SCR aktiv ist.
Verfahren zur thermischen Regulierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bestimmen der Temperatur des Oxidationskatalysators (21, 22); und Vergleichen der Temperatur des Oxidationskatalysators (21, 22) mit einer vorbestimmten Schwelle; Erzeugen eines Vergleichssignals auf Grundlage des Vergleichs zwischen der Temperatur des Oxidationskatalysators (21, 22) und der vorbestimmten Schwelle; und Aktivieren einer elektrischen Heizung eines Oxidationskatalysators (21, 22) auf Grundlage des Vergleichssignals.
Verfahren zur thermischen Regulierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bestimmen eines aktiven Volumens des Oxidationskatalysators (21, 22); Vergleichen des aktiven Volumens des Oxidationskatalysators (21, 22) mit einer vorbestimmten Schwelle; und Erzeugen eines Vergleichssignals auf Grundlage des Vergleichs zwischen dem aktiven Volumen des Oxidationskatalysators (21, 22) und der vorbestimmten Schwelle; und Aktivieren einer elektrischen Heizung eines Oxidationskatalysators (21, 22) auf Grundlage des Vergleichssignals.
Verfahren zur thermischen Regulierung nach Anspruch 1, ferner mit einem Aktivieren einer elektrischen Heizung des Oxidationskatalysators (21, 22), wenn der Modus mit passiver SCR aktiv ist und die Temperatur des Oxidationskatalysators (21, 22) kleiner als eine vorbestimmte Schwelle ist.