DE102013113647B4 - METHOD OF CONTROLLING A DRIVE TRAIN FOR THE PRODUCTION OF AMMONIA IN A THREE-WAY CATALYST - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs, der einen Verbrennungsmotor (10, 300, 600) mit mehreren Zylindern (20) und ein Abgasnachbehandlungssystem (15) umfasst, das eine Vorrichtung (220) für selektive katalytische Reduktion aufweist, die Ammoniak als ein Reduktionsmittel verwendet, wobei das Verfahren umfasst:Abreichern von Sauerstoff von einem Ammoniakerzeugungskatalysator (630, 632), der zwischen dem Motor (10) und der Vorrichtung (220) für selektive katalytische Reduktion angeordnet und mit der Mehrzahl der Zylinder (20) verbunden ist, umfassend, dass für die Zylinder (20) ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit einem Betriebsbereich von stöchiometrisch zu fett gewählt wird;nach einem Abreichern von Sauerstoff von dem Ammoniakerzeugungskatalysator (630, 632) Auslösen eines Ammoniakerzeugungszyklus, umfassend:kooperatives Betreiben einer Mehrzahl der Zylinder (20), wobei ein Anteil der Mehrzahl von Zylindern (20) bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in einem ersten Bereich von stöchiometrisch zu fett betrieben wird, der förderlich ist, um NOx zu erzeugen, und wobei ein verbleibender Anteil der Mehrzahl der Zylinder (20) bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in einem zweiten Bereich, der ein fetteres Luft/Kraftstoff-Verhältnis als der erste Bereich aufweist, betrieben wird, der förderlich ist, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen; undVerwenden des Ammoniakerzeugungskatalysators (630, 632), um Ammoniak zu erzeugen.A method for controlling a powertrain that includes an internal combustion engine (10, 300, 600) having multiple cylinders (20) and an exhaust aftertreatment system (15) that includes a device (220) for selective catalytic reduction that uses ammonia as a reductant, wherein the method comprising:depleting oxygen from an ammonia production catalyst (630, 632) disposed between the engine (10) and the selective catalytic reduction device (220) and connected to the plurality of cylinders (20), comprising that for the cylinders (20) are selected with an air/fuel ratio having an operating range from stoichiometric to rich;after depleting oxygen from the ammonia production catalyst (630, 632), initiating an ammonia production cycle comprising:operating a plurality of the cylinders (20) cooperatively, wherein a proportion of the plurality of cylinders (20) operate at air/fuel ratios in a first range of stoichiometry trically operated too rich that is conducive to producing NOx and wherein a remaining proportion of the plurality of cylinders (20) at air/fuel ratios in a second region having a richer air/fuel ratio than the first region comprises, is operated, which is conducive to generate molecular hydrogen; and using the ammonia production catalyst (630, 632) to produce ammonia.
Description
Diese Offenbarung betrifft die Steuerung einer Nachbehandlung von NOx-Emissionen bei Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs.This disclosure relates to control of aftertreatment of NOx emissions in internal combustion engines, and more particularly to a method of controlling a powertrain.
Die Emissionssteuerung ist ein wichtiger Faktor beim Motorenbau und der Motorsteuerung. Stickoxide (NOx), ein bekanntes Nebenprodukt einer Verbrennung, werden durch in der Motoransaugluft vorhandene Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle erzeugt, die sich bei den hohen Verbrennungstemperaturen abspalten. Raten der NOx-Erzeugung folgen bekannten Beziehungen zu dem Verbrennungsprozess, wobei zum Beispiel höhere Raten der NOx-Erzeugung mit höheren Verbrennungstemperaturen und einem längeren Einwirken der höheren Temperaturen auf die Luftmoleküle in Verbindung stehen.Emission control is an important factor in engine design and engine control. Nitrogen oxides (NOx), a well-known by-product of combustion, are produced when nitrogen and oxygen molecules present in the engine intake air separate at high combustion temperatures. Rates of NOx creation follow known relationships to the combustion process, for example, higher rates of NOx creation are associated with higher combustion temperatures and longer exposure of air molecules to the higher temperatures.
Sobald NOx-Moleküle in dem Brennraum erzeugt werden, können sie in beispielhaften Vorrichtungen, die im Stand der Technik innerhalb der breiteren Kategorie der Nachbehandlungsvorrichtungen bekannt sind, zurück zu Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen umgewandelt werden. Ein Durchschnittsfachmann wird aber verstehen, dass Nachbehandlungsvorrichtungen zum großen Teil von Betriebsbedingungen abhängig sind, beispielsweise der von Abgasstromtemperaturen gesteuerten Vorrichtungsbetriebstemperatur und dem Luft/ Kraftstoff-Verhältnis des Motors. Zudem umfassen Nachbehandlungsvorrichtungen Materialien wie Katalysatorbetten, die infolge von Nutzung im Laufe der Zeit und Einwirken von hohen Temperaturen für Beschädigung oder Degradation anfällig sind.Once NOx molecules are created in the combustion chamber, they can be converted back to nitrogen and oxygen molecules in example devices known in the art within the broader category of aftertreatment devices. However, one of ordinary skill in the art will understand that aftertreatment devices are dependent in large part on operating conditions, such as device operating temperature controlled by exhaust stream temperatures and engine air/fuel ratio. In addition, aftertreatment devices include materials such as catalyst beds that are susceptible to damage or degradation as a result of usage over time and exposure to high temperatures.
Moderne Motorsteuerverfahren verwenden verschiedene Betriebsstrategien, um die Verbrennung zu optimieren. Manche Betriebsstrategien, die die Verbrennung hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit optimieren, umfassen magere, örtlich begrenzte oder geschichtete Verbrennung in dem Brennraum, um die Kraftstoffladung zu verringern, die zum Erreichen der von dem Zylinder geforderten Arbeitsleistung und zum Steigern von Motorwirkungsgrad nötig ist, zum Beispiel durch Betrieb in einem ungedrosselten Zustand, was Ansaugluftpumpverluste verringert. Während die Temperaturen in dem Brennraum in Verbrennungstaschen hoch genug werden können, um signifikante Mengen an NOx zu erzeugen, kann die gesamte Energieabgabe des Brennraums, insbesondere die von dem Motor durch den Abgasstrom abgegebene Wärmeenergie, gegenüber normalen Werten stark verringert sein. Solche Bedingungen können für Abgasnachbehandlungsstrategien eine Herausforderung darstellen, da wie vorstehend erwähnt die Nachbehandlungsvorrichtungen häufig eine erhöhte Betriebstemperatur erfordern, die von der Abgasstromtemperatur gesteuert wird, um zum Behandeln von NOx-Emissionen angemessen zu arbeiten.Modern engine control methods use various operating strategies to optimize combustion. Some operating strategies that optimize combustion for fuel economy include lean, localized, or stratified combustion in the combustion chamber to reduce the fuel charge needed to achieve the workload required of the cylinder and increase engine efficiency, for example, by running in an unthrottled state, which reduces intake air pumping losses. While temperatures within the combustion chamber in combustion pockets can become high enough to produce significant amounts of NOx, the overall energy output of the combustion chamber, particularly the heat energy released from the engine through the exhaust stream, can be greatly reduced from normal levels. Such conditions can pose a challenge to exhaust aftertreatment strategies because, as noted above, the aftertreatment devices often require an elevated operating temperature, controlled by the exhaust stream temperature, to perform adequately to treat NOx emissions.
Es sind zum Beispiel Nachbehandlungsvorrichtungen bekannt, die chemische Reaktionen verwenden, um Bestandteile in dem Abgasstrom zu behandeln. Eine beispielhafte Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (‚SCR‘, kurz vom engl. Selective Catalytic Reduction). Bekannte Verwendungen einer SCR-Vorrichtung verwenden aus Harnstoffeinspritzung gewonnenen Ammoniak, um NOx zu behandeln. An einem Katalysatorbett in der SCR gespeichertes Ammoniak reagiert mit NOx, vorzugsweise in einem erwünschten Anteil von NO und NO2, und erzeugt günstige Reaktionen zum Behandeln des NOx. Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst einen bevorzugten Anteil von NO zu NO2 von eins zu eins und ist als schnelle SCR-Reaktion bekannt. Es ist bekannt, bei Dieselanwendungen einen Dieseloxidationskatalysator (DOC, kurz vom engl. „Diesel Oxidation Catalyst“) stromaufwärts der SCR zu betreiben, um NO zu NO2 für bevorzugte Behandlung in der SCR umzuwandeln. Eine ständige Verbesserung der Abgasnachbehandlung erfordert präzise Informationen bezüglich NOx-Emissionen in dem Abgasstrom, um eine wirksame NOx-Reduktion zu erreichen, beispielsweise das Dosieren der richtigen Menge von Harnstoff basierend auf überwachten NOx-Emissionen.For example, aftertreatment devices are known that use chemical reactions to treat constituents in the exhaust stream. An example device includes a Selective Catalytic Reduction ('SCR') device. Known uses of an SCR device use ammonia derived from urea injection to treat NOx. Ammonia stored on a catalyst bed in the SCR reacts with NOx, preferably at a desired level of NO and NO 2 , and produces favorable reactions to treat the NOx. An exemplary embodiment includes a preferred ratio of NO to NO 2 of one to one and is known as a fast SCR reaction. It is known to operate a Diesel Oxidation Catalyst (DOC) upstream of the SCR in diesel applications to convert NO to NO 2 for preferential treatment in the SCR. Continuous improvement of exhaust gas aftertreatment requires precise information regarding NOx emissions in the exhaust stream in order to achieve effective NOx reduction, for example dosing the right amount of urea based on monitored NOx emissions.
Zusätzlich sind andere Nachbehandlungsvorrichtungen zum Behandeln von Bestandteilen in dem Abgasstrom bekannt. Bei Benzinanwendungen werden insbesondere Dreiwegekatalysatoren (‚TWC‘, kurz vom engl. „Three Way Catalysts“) verwendet, um Bestandteile zu behandeln. Mager-NOx-Fallen („NOx-Fallen“) verwenden Katalysatoren, die eine gewisse Menge an NOx speichern können, und es wurden Motorsteuerungstechnologien entwickelt, um diese NOx-Fallen oder NOx-Adsorber mit kraftstoffeffizienten Motorsteuerungsstrategien zu kombinieren, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern und immer noch annehmbare NOx-Emissionswerte zu erreichen. Eine beispielhafte Strategie umfasst das Verwenden einer Mager-NOx-Falle, um NOx-Emissionen während kraftstoffarmen Betrieben zu speichern, und dann das Spülen des gespeicherten NOx während kraftstoffreichen Motorbetriebsbedingungen mit höherer Temperatur mit herkömmlicher Dreiwegekatalyse zu Stickstoff und Wasser. Dieselpartikelfilter (DPF) halten bei Dieselanwendungen Ruß und Partikelmaterial zurück, und das zurückgehaltene Material wird regelmäßig bei Regenerationsvorgängen hoher Temperatur gespült.Additionally, other aftertreatment devices are known for treating constituents in the exhaust stream. In gasoline applications, in particular, Three Way Catalysts ('TWC') are used to treat components. Lean NOx traps ("NOx traps") use catalysts that can store some amount of NOx, and engine control technologies have been developed to combine these NOx traps or NOx adsorbers with fuel efficient engine control strategies to improve fuel efficiency and still achieve acceptable NOx emission levels. An example strategy includes using a lean NOx trap to store NOx emissions during fuel-lean operations, and then purging the stored NOx during fuel-rich, higher temperature engine operating conditions with conventional three-way catalysis to nitrogen and water. Diesel Particulate Filters (DPF) retain soot and particulate matter in diesel applications, and the retained material is periodically purged during high temperature regeneration processes.
Die Harnstoffeinspritzung in einem Antriebsstrang kann herausfordernd sein. Das Aufrechterhalten von Speicherung und Nachfüllen von Harnstoff kann schwierig sein. Harnstoff ist dafür anfällig, in üblichen Regionen unter normal schwankenden klimatischen Bedingungen zu gefrieren.Urea injection in a powertrain can be challenging. Maintaining storage and replenishment of urea can be difficult. Urea is prone to freezing in common regions under normally varying climatic conditions.
Weiterer Stand der Technik ist in der
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs zu schaffen, mit dem es möglich ist, bei Nachbehandlungssystemem mit SCR-Vorrichtungen, die Harnstoffeinspritzung erfordern, ein Speichern und Nachfüllen von Harnstoff zu vereinfachen.The object of the invention is to create a method for controlling a power train with which it is possible to simplify storage and refilling of urea in aftertreatment systems with SCR devices that require urea injection.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is solved by the subject matter of
Ein Antriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und ein Nachbehandlungssystem, das eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion aufweist, die Ammoniak als ein Reduktionsmittel verwendet. Ein Ammoniakerzeugungszyklus umfasst, dass ein Anteil der Zylinder bei einem Luft/ Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, das förderlich ist, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen, und ein Anteil der Zylinder bei einem Luft/ Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, das förderlich ist, NOx zu erzeugen. Ein Ammoniakerzeugungskatalysator wird zwischen dem Motor und der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion verwendet, um Ammoniak zu erzeugen.A powertrain includes an internal combustion engine having multiple cylinders and an aftertreatment system that includes a selective catalytic reduction device that uses ammonia as a reductant. An ammonia generation cycle includes operating a proportion of the cylinders at an air/fuel ratio conducive to producing molecular hydrogen and operating a proportion of the cylinders at an air/fuel ratio conducive to NOx generate. An ammonia production catalyst is used between the engine and the selective catalytic reduction device to produce ammonia.
Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine schematische Darstellung ist, die einen Verbrennungsmotor, ein Steuermodul und ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; -
2 schematisch ein beispielhaftes Nachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht, das eine Harnstoffdosierkonfiguration umfasst; -
3 graphisch einen beispielhaften Betrieb eines Motors und die resultierende Erzeugung einer Anzahl von chemischen Verbindungen in einem Ammoniak umfassenden Abgasstrom über verschiedene Luft/ Kraftstoff-Verhältnisse gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; -
4 graphisch ein zusätzliches Beispiel eines Betriebs eines Motors und einer resultierenden Erzeugung einer Anzahl von chemischen Verbindungen in einem Ammoniak umfassenden Abgasstrom über verschiedene Luft/ Kraftstoff-Verhältnisse gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; -
5 eine Tabelle von Probereaktionsgemischen, die in den ersten chemischen Reaktor eingebracht wurden, gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; -
6 graphisch Ammoniakerzeugungswerte über einen Bereich von Luft/ Kraftstoff-Verhältnissen und Reaktionstemperaturen gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt; -
7 graphisch Ammoniakwerte gemäß der vorliegenden Offenbarung, die von einem ersten chemischen Reaktor unter Verwendung eines Standardreaktionsgemisches und abgewandelter Reaktionsgemische erzeugt wurden, gegenüber der Temperatur darstellt; -
8 graphisch Ammoniakwerte gemäß der vorliegenden Offenbarung, die von dem ersten chemischen Reaktor unter Verwendung des Standardreaktionsgemisches und eines abgewandelter Reaktionsgemisches erzeugt wurden, gegenüber der Temperatur darstellt; -
9 graphisch vier unterschiedliche beispielhafte Motorsteuerstrategien und sich ergebende Motoremissionen unter einem festen Satz von Betriebsbedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; -
10 schematisch eine beispielhafte bestimmte Ausführungsform eines Antriebstranges, der zur Verwendung der hier beschriebenen Verfahren konfiguriert ist, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; -
11 schematisch eine beispielhafte Anordnung von Katalysatoren in einem Nachbehandlungssystem zum Verwirklichen einer Erzeugung von Ammoniak zur Verwendung in einer SCR-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; -
12 schematisch ein beispielhaftes NOx-Modellmodul gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, das in einem Motorsteuermodul genutzt wird und eine Schätzung von NOx-Erzeugung ermittelt; -
13 graphisch eine beispielhafte Massenanteilverbrennungskurve gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; -
14 graphisch gemäß der vorliegenden Offenbarung einen beispielhaften Zylinderdruck während eines Verbrennungsprozesses veranschaulicht, der gegenüber dem Kurbelwinkel aufgetragen ist; -
15 eine Anzahl von unterschiedlichen, in dem Brennraum schätzbaren Temperaturen gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, die für das Beschreiben des Verbrennungsprozesses wichtig sind; -
16 eine graphische Darstellung von beispielhaften modellierten Ergebnissen gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die standardisierte Wirkungen einer Anzahl von Eingaben zu NOx-Emissionen unter einem vorgegebenen Satz von Bedingungen beschreiben; und -
17 schematisch ein beispielhaftes System darstellt, das eine Schätzung von NOx-Erzeugung generiert, wobei es Modelle in einem neuronalen Netz nutzt, um Schätzungen von NOx-Erzeugung zu generieren, und ein dynamisches Modellmodul umfasst, um NOx-Erzeugungsschätzungen bezüglich der Wirkungen von dynamischen Motor- und Fahrzeugbedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung zu kompensieren.
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1 12 is a schematic diagram showing an internal combustion engine, a control module, and an exhaust aftertreatment system according to the present disclosure; -
2 schematically illustrates an exemplary aftertreatment system including a urea dosing configuration, according to the present disclosure; -
3 graphically illustrates exemplary operation of an engine and the resulting generation of a number of chemical compounds in an exhaust stream comprising ammonia over various air/fuel ratios, in accordance with the present disclosure; -
4 13 graphically depicts an additional example of operation of an engine and resultant generation of a number of chemical compounds in an exhaust stream comprising ammonia over various air/fuel ratios, in accordance with the present disclosure; -
5 illustrates a table of sample reaction mixtures introduced into the first chemical reactor, in accordance with the present disclosure; -
6 graphically depicts ammonia production values over a range of air/fuel ratios and reaction temperatures, in accordance with the present disclosure; -
7 graphically depicting ammonia levels produced by a first chemical reactor using a standard reaction mixture and modified reaction mixtures versus temperature, in accordance with the present disclosure; -
8th graphically depicting ammonia levels produced by the first chemical reactor using the standard reaction mixture and a modified reaction mixture versus temperature, in accordance with the present disclosure; -
9 graphically illustrates four different example engine control strategies and resulting engine emissions under a fixed set of operating conditions, in accordance with the present disclosure; -
10 12 schematically depicts an exemplary specific embodiment of a powertrain configured to use the methods described herein, in accordance with the present invention; -
11 schematically illustrates an exemplary arrangement of catalysts in an aftertreatment system for realizing generation of ammonia for use in an SCR device according to the present disclosure; -
12 FIG. 12 schematically depicts an exemplary NOx model module utilized in an engine control module and determining an estimate of NOx creation, in accordance with the present disclosure; -
13 graphically illustrates an exemplary mass fraction burn curve, in accordance with the present disclosure; -
14 graphically illustrates an exemplary cylinder pressure plotted against crank angle during a combustion process, in accordance with the present disclosure; -
15 Figure 12 illustrates a number of different temperatures that can be estimated in the combustion chamber that are relevant to describing the combustion process, in accordance with the present disclosure; -
16 Figure 12 is a graphical representation of exemplary modeled results describing standardized effects of a number of inputs on NOx emissions under a given set of conditions, in accordance with the present invention; and -
17 12 schematically depicts an example system that generates an estimate of NOx creation using models in a neural network to generate estimates of NOx creation and including a dynamic model module to generate NOx creation estimates related to the effects of dynamic engine and to compensate for vehicle conditions in accordance with the present disclosure.
Der Motor umfasst vorzugsweise einen Viertaktverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der einen Brennraum veränderlichen Volumens, der durch den sich in dem Zylinder zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt hin- und herbewegenden Kolben festgelegt ist, und einen Zylinderkopf, der ein Einlassventil und ein Auslassventil umfasst, enthält. Der Kolben bewegt sich in sich wiederholenden Zyklen hin und her, wobei jeder Zyklus Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Auspufftakt umfasst.The engine preferably comprises a direct injection four-stroke internal combustion engine having a variable volume combustion chamber defined by the piston reciprocating in the cylinder between top dead center and bottom dead center and a cylinder head including an intake valve and an exhaust valve. contains. The piston reciprocates in repetitive cycles, each cycle including intake, compression, power, and exhaust strokes.
Der Motor weist vorzugsweise ein Luft/ Kraftstoff-Betriebsgebiet auf, das vorrangig überstöchiometrisch ist. Ein Durchschnittsfachmann versteht, dass Aspekte der Erfindung auf andere Motorkonfigurationen anwendbar sind, die vorrangig überstöchiometrisch arbeiten, z.B. Magermotoren mit Fremdzündung. Während eines normalen Betriebs des Kompressionszündungsmotors erfolgt ein Verbrennungsvorgang während jedes Motorzyklus, wenn eine Kraftstoffladung in den Brennraum eingespritzt wird, um mit der Ansaugluft die Zylinderladung zu bilden. Die Ladung wird anschließend durch die Wirkung der Verdichtung derselben oder mit dem Auslösen eines Zündfunkens von einer Zündkerze während des Verdichtungstakts verbrannt.The engine preferably has an air/fuel operating regime that is predominantly lean of stoichiometry. One of ordinary skill in the art understands that aspects of the invention are applicable to other engine configurations that operate primarily lean of stoichiometry, e.g., lean-burn spark-ignition engines. During normal operation of the compression ignition engine, a combustion event occurs during each engine cycle when a charge of fuel is injected into the combustion chamber to form the cylinder charge with the intake air. The charge is then burned by the action of its compression or with the initiation of an ignition spark from a spark plug during the compression stroke.
Der Motor ist derart ausgelegt, um über einem breiten Bereich von Temperaturen, Zylinderladung (Luft, Kraftstoff und AGR) und Einspritzvorgängen zu arbeiten. Die hierin beschriebenen Verfahren sind insbesondere für einen Betrieb mit Direkteinspritzmotoren, die überstöchiometrisch arbeiten, geeignet. Die hierin festgelegten Verfahren sind auf mehrere Motorkonfigurationen anwendbar, einschließlich Fremdzündungsmotoren, Kompressionszündungsmotoren, einschließlich solcher, die derart ausgelegt sind, um Strategien mit homogene Kompressionszündung (HCCI, kurz vom engl. Homogeneous Charge Compression Ignition) zu verwenden. Die Verfahren sind auf Systeme anwendbar, die mehrere Kraftstoffeinspritzvorgänge pro Zylinder pro Motorzyklus verwenden, z.B. ein System, das eine Piloteinspritzung für Kraftstoffreformieren, einen Haupteinspritzvorgang für Motorleistung und ggf. eine Nachverbrennungskraftstoffeinspritzung, einen Spätverbrennungskraftstoffeinspritzvorgang für Nachbehandlungssteuerung nutzt, wobei alle derselben Zylinderdruck beeinflussen.The engine is designed to operate over a wide range of temperatures, cylinder charge (air, fuel, and EGR), and injection events. The procedures described herein are ins particularly suitable for operation with direct injection engines that work over-stoichiometrically. The methods set forth herein are applicable to multiple engine configurations, including spark-ignition engines, compression-ignition engines, including those configured to use Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) strategies. The methods are applicable to systems that use multiple fuel injection events per cylinder per engine cycle, e.g. a system that uses pilot injection for fuel reforming, main injection event for engine performance and optionally post combustion fuel injection, retard combustion fuel injection event for aftertreatment control, all affecting the same cylinder pressure.
Erfassungsvorrichtungen sind an oder nahe dem Motor eingebaut, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und Signale zu erzeugen, die mit Motor- und Umgebungsparameter korrelierbar sind. Die Erfassungsvorrichtungen umfassen einen Kurbelwellendrehungssensor, der einen Kurbelwellenwinkelgeber 44 zum Überwachen von Kurbelwellendrehzahl (U/ min) durch Erfassungskanten an den Zähnen des mehrzähnigen Messzahnrads 26 umfasst. Der Kurbelwellensensor ist bekannt und kann z.B. einen Hallgeber, einen induktiven Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfassen. Der Signalausgang von dem Kurbelwellenwinkelgeber 44 (U/ min) wird zu dem Steuermodul 5 eingegeben. Dort gibt es einen Verbrennungsdrucksensor 30, der eine Druckerfassungsvorrichtung umfasst, die derart ausgelegt ist, um Druck im Zylinder (COMB_PR) zu überwachen. Der Verbrennungsdrucksensor 30 umfasst vorzugsweise eine nicht intrusive Vorrichtung, die einen Kraftwandler mit einem ringförmigen Querschnitt umfasst, der derart ausgelegt ist, um an einer Öffnung für eine Glühkerze 28 in den Zylinderkopf eingebaut zu werden. Der Verbrennungsdrucksensor 30 wird zusammen mit der Glühkerze 28 eingebaut, wobei Verbrennungsdruck mechanisch durch die Glühkerze zu dem Sensor 30 übertragen wird. Das Ausgangssignal com_pr des Erfassungselements des Sensors 30 ist proportional zu dem Zylinderdruck. Das Erfassungselement des Sensors 30 umfasst eine piezokeramische oder andere Vorrichtung, die als solche auslegbar ist. Andere Erfassungsvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen Krümmerdrucksensor zum Überwachen von Krümmerdruck (MAP) und barometrischem Umgebungsluftdruck (BARO), einen Luftmassenstrommesser zum Überwachen von Ansaugluftmassenstrom (MAF) und Ansauglufttemperatur (TIN) und einen Kühlmittelsensor 35 (COOLANT). Das System kann einen (nicht gezeigten) Abgassensor zum Überwachen von Zuständen eines oder mehrerer Abgasparameter, z.B. Temperatur, Luft/ Kraftstoff-Verhältnis und Bestandteile, umfassen. Ein Durchschnittsfachmann versteht, dass es andere Erfassungsvorrichtungen und Verfahren für die Zwecke von Steuerung und Diagnose geben kann. Die Fahrereingabe in Form der Fahrerdrehmomentforderung TO_REQ kann typischerweise unter anderen Vorrichtungen durch ein Gaspedal und ein Bremspedal erhalten werden. Der Motor ist vorzugsweise mit anderen (nicht gezeigten) Sensoren zum Überwachen eines Betriebs und für Zwecke der Systemsteuerung ausgestattet. Jede der Erfassungsvorrichtungen ist mit dem Steuermodul 5 signalverbunden, um Signalinformationen zu liefern, die durch das Steuermodul in Informationen umgewandelt werden, die für den jeweiligen überwachten Parameter repräsentativ sind. Es versteht sich, dass diese Konfiguration veranschaulichend, nicht einschränkend ist, wobei sie einschließt, dass die verschiedenen Erfassungsvorrichtungen mit funktionell gleichwertigen Vorrichtungen und Algorithmen austauschbar sind und immer noch in den Schutzumfang der Erfindung fallen.Sensing devices are installed on or near the engine to monitor physical properties and generate signals that can be correlated to engine and environmental parameters. The sensing devices include a crankshaft rotation sensor that includes a
Die Aktuatoren sind an dem Motor eingebaut und werden von dem Steuermodul 5 als Reaktion auf Fahrereingaben gesteuert, um verschiedene Leistungsziele zu erreichen. Aktuatoren umfassen eine elektronisch gesteuerte Drosselvorrichtung, die ein Öffnen einer Drosselklappe zu einer angewiesenen Eingabe (ETC) steuert, und mehrere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 12 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in jeden der Brennräume als Reaktion auf eine angewiesene Eingabe (INJ_PW), die alle als Reaktion auf die Fahrerdrehmomentforderung (TO_REQ) gesteuert werden. Es gibt ein Abgasrückführungsventil 32 und einen (nicht gezeigten) Kühler, der die Strömung von außen rückgeführtem Abgas zu dem Motoreinlass als Reaktion auf ein Steuersignal (AGR) von dem Steuermodul steuert. Die Glühkerze 28 umfasst eine bekannte Vorrichtung, die in jedem der Brennräume eingebaut ist, die zur Verwendung mit dem Verbrennungsdrucksensor 30 angepasst ist.The actuators are mounted on the engine and are controlled by the
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 12 ist ein Element eines Kraftstoffeinspritzsystems, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtungen umfasst, die jeweils derart ausgelegt sind, um eine Kraftstoffladung, die eine Kraftstoffmasse umfasst, in einen der Brennräume als Reaktion auf das Anweisungssignal INJ_PW von dem Steuermodul direkt einzuspritzen. Jede der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 12 wird mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff von einem (nicht gezeigten) Kraftstoffverteilersystem versorgt und weist Betriebseigenschaften auf, die eine Mindestpulsweite und einen zugeordneten steuerbaren minimalen und maximalen Kraftstoffdurchfluss umfassen.
Der Motor kann mit einem steuerbaren Ventiltrieb ausgestattet sein, der dazu dient, das Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen jedes der Zylinder, einschließlich eines oder mehrere von Ventilsteuerzeiten, Phaseneinstellung (d.h. zeitliche Steuerung im Verhältnis zu Kurbelwinkel und Kolbenstellung) und Größenordnung von Hub des Ventilöffnens, anzupassen. Ein beispielhaftes System umfasst veränderliche Nockenphaseneinstellung, die auf Kompressionszündungsmotoren, Fremdzündungsmotoren und Motoren mit homogener Kompressionszündung anwendbar ist.The engine may be equipped with a controllable valve train operable to control the opening and closing of intake and exhaust valves of each of the cylinders, including one or more of valve timing, phasing (ie, timing relative to crank angle and piston position), and magnitude of lift of valve opening. An example system includes variable cam phasing applicable to compression-ignition engines, spark-ignition engines, and homogeneous-charge compression-ignition engines.
Das Steuermodul 5 ist vorzugsweise ein digitaler Universalcomputer, der im Allgemeinen einen Mikroprozessor oder einen Hauptprozessor, Speichermedien, die einen nicht flüchtigen Speicher einschließlich Nurlesespeicher (ROM) und elektrisch programmierbaren Festspeicher (EPROM) umfassen, Arbeitsspeicher (RAM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgenerator, einen Analog-Digital(A/ D)-Schaltkreis und Digital-Analog(D/ A)-Schaltkreis sowie Eingangs-/ Ausgangsschaltkreise und -vorrichtungen (E/ A) und geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltkreise umfasst. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, wobei sie residente Programmbefehle und Kalibrierungen umfassen, die in dem nicht flüchtigen Speicher gespeichert sind und zum Vorsehen der jeweiligen Funktionen für jeden Computer ausgeführt werden. Die Algorithmen können während vorab festgelegten Schleifendurchläufe ausgeführt werden, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal pro Schleifendurchlauf ausgeführt wird. Algorithmen werden von der Zentralverarbeitungsseinheit ausgeführt und dienen zum Überwachen von Eingaben von den vorstehend erwähnten Erfassungsvorrichtungen und zum Ausführen von Steuer- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs der Aktuatoren unter Verwendung von vorab festgelegten Kalibrierungen. Schleifendurchläufe werden typischerweise bei regelmäßigen Abständen, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden, während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs durchgeführt. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden.The
Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die vorstehend erwähnten Aktuatoren zu steuern, um den Motorbetrieb, einschließlich Drosselklappenstellung, Kraftstoffeinspritzmasse und -zeiten, AGR-Ventilstellung zum Steuern der Strömung von rückgeführten Abgasen, Glühkerzenbetrieb und Steuerung von Einlass- und/ oder Auslassventilzeiten, Phaseneinstellung und Hub, an derart ausgestatteten Systemen zu steuern. Das Steuermodul ist derart ausgelegt, um Eingabesignale von dem Fahrer (z.B. eine Gaspedalstellung und eine Bremspedalstellung) zum Ermitteln der Fahrerdrehmomentforderung TO_REQ und von den Sensoren, die die Motordrehzahl (U/ min) und Ansauglufttemperatur (TIN) sowie Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen anzeigen, zu empfangen.The
Ammoniak als Reduktionsmittel kann wie vorstehend beschrieben durch Einspritzung von Harnstoff in das Nachbehandlungssystem eingebracht werden. Das Speichern und Beibehalten von ausreichenden Harnstoffwerten in einem mobilen oder verbrauchereigenen Antriebsstrang kann aber problematisch sein. Ein Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass Ammoniak ein bekanntes Nebenprodukt der Verbrennung und des Nachbehandlungsprozesses ist. Bekannte Verfahren optimieren den Verbrennungsprozess und die Verwendung von Nachbehandlungsvorrichtungen, um das Vorkommen von Ammoniak zu verringern, um nicht eine andere Substanz entstehen zu lassen, die umgewandelt werden muss. Es wird ein Verfahren offenbart, um stattdessen den Betrieb des Verbrennungstaktes selektiv abzuschwächen und Nachbehandlungsvorrichtungen zu verwenden, die für das regelmäßige Erzeugen von Ammoniak in einem Ammoniakerzeugungszyklus förderlich sind, und dieses Ammoniak für anschließende NOx-Umwandlung zu speichern.Ammonia as a reductant can be introduced into the aftertreatment system by injecting urea as described above. However, storing and maintaining sufficient urea levels in a mobile or consumer powertrain can be problematic. One of ordinary skill in the art will understand that ammonia is a known byproduct of the combustion and aftertreatment process. Known methods optimize the combustion process and the use of after-treatment devices to reduce the occurrence of ammonia in order not to create another substance that needs to be converted. A method is disclosed to instead selectively mitigate the operation of the combustion cycle and use aftertreatment devices conducive to generating ammonia periodically in an ammonia generation cycle and storing that ammonia for subsequent NOx conversion.
Ammoniak kann in einer Katalysatorvorrichtung, beispielsweise einer TWC-Vorrichtung, erzeugt werden. Ein solches Erzeugen von Ammoniak (NH3) ergibt sich aus einem beispielhaften Umwandlungsprozess, der durch die folgende Gleichung beschrieben wird.
Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass diese Umwandlung erfordert, dass molekularer Sauerstoff von dem Katalysator abgebaut wird, bevor NO mit dem molekularen Wasserstoff reagiert. Überschüssiger Sauerstoff ist häufig vorhanden, wenn der Verbrennungsmotor in mageren Betriebsmodi betrieben wird, wobei das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis (AFR) überstöchiometrisch oder mit Luftüberschuss betrieben wird. Dadurch erfordert das Verwenden eines wählbaren Ammoniakerzeugungszyklus die Steuerung des AFR auf einen Wert, der ermittlungsgemäß Sauerstoff in dem Abgasstrom abbaut. Weiterhin erleichtern die Wahl eines AFR in den stöchiometrischen und fetten Betriebsbereichen weiterhin die Erzeugung von Ammoniak, zum Beispiel durch Erzeugen von NO und H2 in geeigneten Mengen. In der vorstehenden beispielhaften Gleichung ist ein ideales Verhältnis von 1,5 zu eins offensichtlich. Basierend auf der Umgebung, die durch den Katalysator und andere Reaktionen vorgesehen wird, die in der Nachbehandlungsvorrichtung auftreten, kann aber ein anderes tatsächliches Verhältnis eine optimale Produktion von Ammoniak bewirken. Es wurde ermittelt, dass ein beispielhafter Testwert, der einen bestimmten beispielhaften Katalysator nutzt, bei einem Verhältnis zwischen drei und fünf Wasserstoffmolekülen zu einem NO-Molekül optimal wirkt. Die Wahl eines Katalysators, der niedrigere Verhältnisse von Wasserstoff zu NO ermöglicht, sind bevorzugt, da der Wasserstoffbedarf direkt mit einer Menge an Kraftstoff in Verbindung steht, die aufgebraucht werden muss, um eine Ammoniakerzeugung zu ermöglichen. Eine Kalibrierung gemäß Testergebnissen oder eine Modellierung gemäß Verfahren, die ausreichen, um den Betrieb des Verbrennungstaktes und der Nachbehandlungsprozesse und Umwandlungen genau zu schätzen, kann genutzt werden, um ein AFR zu wählen, das zum Steuern eines Ammoniakerzeugungszyklus hilfreich ist. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass eine CO-Anwesenheit ebenfalls berücksichtigt werden muss, um die vorstehend beschriebene Reaktion zu fördern.One of ordinary skill in the art will recognize that this conversion requires molecular oxygen to be removed from the catalyst before NO reacts with the molecular hydrogen. Excess oxygen is often present when the internal combustion engine is operated in lean operating modes where the air/fuel ratio (AFR) is lean of stoichiometry or with excess air. As such, using a selectable ammonia generation cycle requires controlling the AFR to a value that is determined to deplete oxygen in the exhaust stream. Furthermore, choosing an AFR in the stoichiometric and rich operating regions further facilitates the production of ammonia, for example by producing NO and H 2 in appropriate amounts. In the example equation above, an ideal ratio of 1.5 to one is evident. However, based on the environment provided by the catalyst and other reactions occurring in the aftertreatment device, a different actual ratio may effect optimal production of ammonia. It has been determined that an example test level utilizing a particular example catalyst performs optimally at a ratio of between three and five hydrogen molecules to one NO molecule. Choosing a catalyst that allows for lower hydrogen to NO ratios is preferred because hydrogen demand is directly related to an amount of fuel that must be consumed to enable ammonia production. Calibration according to test results or modeling according to methods sufficient to accurately estimate operation of the combustion cycle and aftertreatment processes and conversions can be used to choose an AFR that is helpful in controlling an ammonia production cycle. One of ordinary skill in the art will recognize that CO presence must also be taken into account in order to promote the reaction described above.
Der Ablauf eines Ammoniakerzeugungszyklus kann gemäß einer Anzahl von Faktoren gesteuert oder gewählt werden, die die Ammoniaknutzung in der SCR-Vorrichtung beeinflussen, einschließlich geschätzte Ammoniakspeicherung an dem Katalysator, geschätzter oder detektierter Ammoniakschlupf, geschätzter oder detektierter NOx-Durchbruch an der SCR-Vorrichtung vorbei und Motorbetrieb, der für den Betrieb in einem Ammoniakerzeugungszyklus förderlich ist. Das Überwachen dieser Faktoren kann durch Überwachen einer Anzahl von Eingaben, einschließlich Motorbetrieb, Abgaseigenschaften und NOx-Umwandlungswirkungsgrad in der SCR-Vorrichtung, verwirklicht werden. Es hat sich gezeigt, dass Zeiträume einer Motorbeschleunigung normalerweise höhere Werte von NOx und Wasserstofferzeugung sowie ein AFR näher zu stöchiometrisch umfassen. Solche Zeiträume, die für Ammoniakerzeugung förderlich sind, können genutzt werden, um einen intrusiven Betrieb eines Ammoniakerzeugungszyklus unter weniger förderlichem Motorbetrieb zu minimieren. Die Länge des Betriebs eines Ammoniakerzeugungszyklus schwankt abhängig von der erforderlichen Ammoniakerzeugung, den Einzelheiten des eingesetzten Systems und dem jeweiligen Betrieb des Motors.The timing of an ammonia generation cycle can be controlled or selected according to a number of factors affecting ammonia utilization in the SCR device, including estimated ammonia storage at the catalyst, estimated or detected ammonia slip, estimated or detected NOx breakthrough past the SCR device, and Engine operation conducive to operation in an ammonia generation cycle. Monitoring of these factors can be accomplished by monitoring a number of inputs including engine operation, exhaust gas characteristics, and NOx conversion efficiency in the SCR device. Periods of engine acceleration have been found to typically include higher levels of NOx and hydrogen production, and AFR closer to stoichiometric. Such periods of time that are conducive to ammonia production can be used to induce intrusive operation of an ammonia production cycle under less favorable engine conditions drive to minimize. The length of operation of an ammonia production cycle will vary depending on the ammonia production required, the details of the system employed, and the particular operation of the engine.
Molekulare Wasserstofferzeugung, die für die Erzeugung von Ammoniak erforderlich ist, kann durch den Verbrennungsprozess in dem Motor auftreten. Die Verbrennung in einem AFR-reichen Umfeld, in dem molekularer Sauerstoff knapp ist, pflegt erhöhte Werte molekularen Wasserstoffs zu erzeugen. Die Wasserstofferzeugung kann infolge eines Verbrennungstaktes mit einer einzigen Einspritzung erfolgen, wobei sich die Wasserstoffentstehung aus einem primären Verbrennungsvorgang ergibt, der dem Motor Arbeitsleistung liefert.Molecular hydrogen production required for ammonia production can occur through the combustion process in the engine. Combustion in an AFR-rich environment where molecular oxygen is scarce tends to produce elevated levels of molecular hydrogen. Hydrogen production may occur as a result of a single injection combustion cycle, with hydrogen production resulting from a primary combustion process that provides work to the engine.
Sowohl Wasserstofferzeugung als auch NOx-Erzeugung in einem Verbrennungstakt mit Einzeleinspritzung können auf unterschiedliche Weise moduliert werden.
Es ist bekannt, dass Motoren, die Direkteinspritzung verwenden, Verfahren zum Einspritzen präziser Mengen an Kraftstoff in dem Brennraum zu ausgewählten Zeiten des Verbrennungstaktes durch ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Direkteinspritzung umfassen. Der Fachmann erkennt, dass eine Direkteinspritzung, die mit einem geeigneten Steuermodul gekoppelt ist, eine Steuerung über Verbrennungseigenschaften innerhalb eines Zylinders von Verbrennungstakt zu Verbrennungstakt und eine Steuerung über Verbrennungseigenschaften von Zylinder zu Zylinder ermöglicht.Engines using direct injection are known to include methods for injecting precise amounts of fuel into the combustion chamber at selected times of the combustion cycle through a direct injection fuel injection system. Those skilled in the art will recognize that direct injection coupled to an appropriate control module allows for control over combustion characteristics within a cylinder from combustion cycle to combustion cycle and control over combustion characteristics from cylinder to cylinder.
Wie oben beschrieben ist, kann eine Abgasströmung, die eine Mischung aus molekularem Wasserstoff und NOx aufweist, verwendet werden, um Ammoniak durch einen Ammoniakerzeugungskatalysator zu erzeugen. Wie oben in Verbindung mit den
Zylinder in einem Fahrzeug können in einer Anzahl von Mustern angeordnet werden. Beispielsweise weist eine übliche Vier-Zylinder-Anordnung eine „Reihenvierzylinder“-Konfiguration auf, bei der alle vier Zylinder einen einzelnen Abgaskrümmer verwenden, um Abgas aus dem Motor in das Nachbehandlungssystem zu führen. Eine übliche Acht-Zylinder-Konfiguration umfasst eine „V-Acht“-Konstruktion, bei der zwei Reihen von Zylindern jeweils einen Abgaskrümmer verwenden. Von Sechs-Zylinder-Konstruktionen ist es bekannt, dass sie sowohl „Reihensechszylinder“- als auch „V-Sechszylinder“-Konfigurationen aufweisen. Es ist bekannt, dass Katalysatorkonstruktionen von der Motorkonfiguration abhängen, und es ist bekannt, dass eine Anordnung von Katalysatoren in dem Abgassystem von einer Nähe zu dem Motor und einer resultierenden Temperatur und Abgasströmungszusammensetzung, die für den Katalysator erforderlich ist, abhängt. Beispielsweise muss ein TWC, der bei einer Ausführungsform verwendet wird, um einen Ammoniakerzeugungskatalysator zu enthalten, der für die vorliegende Offenbarung erforderlich ist, relativ nahe an dem Motor angeordnet sein, um die Anforderungen des Katalysators zu unterstützen. Aufgrund dieser Anforderung verwenden V-Konstruktionen, die zwei Abgaskrümmer verwenden, häufig zwei TWCs, nämlich einen für jeden Abgaskrümmer. Da zur Erzeugung von Ammoniak in dem TWC die Komponentensubstanzen für die Reaktion, die verwendet wird, um Ammoniak zu erzeugen, in dem TWC vorhanden sein müssen, muss das obige Verfahren, das verschiedene Zylinder verwendet, um optimal molekularen Wasserstoff und NOx zu erzeugen, in dieselbe Katalysatorvorrichtung speisen. Daher müssen bei Konfigurationen, wie einer V-Konfiguration, mehrere Zylinder, die koordiniert sind, um Wasserstoff und NOx zu erzeugen, in denselben Katalysator speisen, um effektiv Ammoniak zu erzeugen.Cylinders in a vehicle can be arranged in a number of patterns. For example, a common four-cylinder arrangement has an "in-line four" configuration in which all four cylinders use a single exhaust manifold to direct exhaust from the engine into the aftertreatment system. A common eight-cylinder configuration includes a "V-eight" design in which two banks of cylinders each use an exhaust manifold. Six-cylinder designs are known to have both "in-line six" and "V-six" configurations. Catalyst designs are known to depend on engine configuration, and placement of catalysts in the exhaust system is known to depend on proximity to the engine and resulting temperature and exhaust flow composition required for the catalyst. For example, a TWC used in one embodiment to contain an ammonia generation catalyst required for the present disclosure must be located relatively close to the engine to support the needs of the catalyst. Because of this requirement, V designs that use two exhaust manifolds often use two TWCs, one for each exhaust manifold. Since, in order to produce ammonia in the TWC, the component substances for the reaction used to produce ammonia must be present in the TWC, the above method using different cylinders to optimally produce molecular hydrogen and NOx must be in feed the same catalyst device. Therefore, in configurations such as a V configuration, multiple cylinders that are coordinated to produce hydrogen and NOx must feed into the same catalyst to effectively produce ammonia.
Zylinder, die moduliert sind, um eine Erzeugung von Wasserstoff und NOx zu unterstützen, können in Paaren betrieben werden, wobei ein Zylinder moduliert wird, um den erforderlichen Wasserstoff zu erzeugen, und der andere Zylinder moduliert wird, um das erforderliche NOx zu erzeugen, wie durch die beispielhafte Gleichung 1 beschrieben ist. Zusätzliche Zylinder in derselben Reihe wie das Paar können in einer substanzneutralen Konfiguration betrieben werden, die sich nicht mit der resultierenden Mischung von Substanzen in der Abgasströmung überlagert. Alternativ dazu kann der zusätzliche Zylinder oder können die zusätzlichen Zylinder selektiv deaktiviert werden, während das Paar die erforderlichen Substanzen für die Ammoniakerzeugung produziert. Wie oben beschrieben ist, können Bedingungen einer höheren Last eine erhöhte Wasserstoff- und NOx-Erzeugung unterstützen. Eine Deaktivierung eines oder mehrerer Zylinder resultiert in einer größeren Last auf die verbleibenden Zylinder, wodurch die Produktion von Wasserstoff und NOx unterstützt wird. Alternativ dazu kann eine Mehrzahl von Zylindern, die in denselben Katalysator speisen, gemeinsam verwendet werden, um die erforderlichen Substanzen zur Produktion von Ammoniak zu erzeugen. Beispielsweise kann bei einer V-Sechszylinder-Konfiguration, bei der drei Zylinder in einen einzelnen TWC-Katalysator mit einem Ammoniakerzeugungskatalysator speisen, ein Zylinder mit einem überstöchiometrischen AFR betrieben werden, das optimiert ist, um eine gewünschte Menge an NOx zu erzeugen. Die verbleibenden beiden Zylinder können jeweils optimiert werden, um jede Hälfte der angestrebten Menge an Wasserstoff zu erzeugen. Durch Teilen der Wasserstoffproduktionsanforderung zwischen zwei Zylindern ist in Kombination mit den
Eine bestimmte Ausführungsform zur Verwendung der oben beschriebenen Verfahren ist schematisch in
Wasserstoff kann in einem Brennraum durch Einspritzen von Kraftstoff in einer Menge gemäß einem angestrebten AFR vor dem Hauptverbrennungsereignis erzeugt werden. Bei der Alternative kann Kraftstoff in einer geteilten Einspritzung eingespritzt werden, wobei ein Anteil des Kraftstoffs vor dem Hauptverbrennungsereignis eingespritzt wird und ein Anteil nach dem Hauptverbrennungsereignis eingespritzt wird. Gemäß jedem Verfahren steigern höhere Niveaus von Kohlenwasserstoffen in dem Brennraum Niveaus an Wasserstofferzeugung, die aus einer Verbrennung oder einer innerhalb des Zylinders stattfindenden Reformierung resultiert. Bei der Alternative können Kohlenwasserstoffe in dem Abgasstrom durch Steuerung des Hauptverbrennungsereignisses beispielsweise durch Einspritzen oder Zündverstellung, durch zeitliches Steuern einer geteilten Einspritzung oder Direkteinspritzen in die Abgasströmung enthalten sein. Bei einer derartigen Konfiguration, bei der Kohlenwasserstoffe in der Abgasströmung vorhanden sind, kann ein Wasserstoff bildender Katalysator, der eine Reformierung der Kohlenwasserstoffe an dem Katalysator unterstützt, stromaufwärts oder in Übereinstimmung mit dem Ammoniakerzeugungskatalysator als ein alternatives Verfahren zu einer im Zylinder stattfindenden Wasserstofferzeugung verwendet werden. Eine resultierende Substanzproduktion in jedem Zylinder und resultierende Prozesse, einschließlich Nachverbrennungsreformierung, können geschätzt und verwendet werden, um die Gesamtproduktion der Substanzen für die Reihe von Zylindern, die den jeweiligen Katalysator speisen, in Ausgleich zu bringen.Hydrogen may be generated in a combustion chamber by injecting fuel in an amount according to a target AFR prior to the main combustion event. In the alternative, fuel may be injected in a split injection where a portion of the fuel is injected before the main combustion event and a portion is injected after the main combustion event. According to either method, higher levels of hydrocarbons in the combustion chamber increase levels of hydrogen production resulting from combustion or in-cylinder reforming. In the alternative, hydrocarbons may be contained in the exhaust flow by controlling the main combustion event by, for example, injection or spark timing, timing split injection, or direct injection into the exhaust flow. In such a configuration, where hydrocarbons are present in the exhaust gas flow, a hydrogen-forming catalyst that aids in reforming the hydrocarbons at the catalyst may be used upstream or in-line with the ammonia-forming catalyst as an alternative method to in-cylinder hydrogen generation. A resulting substance production in each cylinder and resulting processes, including post-combustion reforming, can be estimated and used to balance the total production of substances for the bank of cylinders feeding the respective catalyst.
Das Reformieren von Kohlenwasserstoffen an einem Katalysator verläuft exotherm und kann erhebliche Wärme erzeugen. Die Temperatur des Katalysators wird vorzugsweise überwacht oder geschätzt, um den Katalysator vor einer Übertemperaturbedingung zu schützen. Ein beispielhaftes Verfahren kann basierend auf relevanten Parametern, die vorzugsweise die Katalysatortemperatur umfassen, zwischen Einspritzung in den Verbrennungstakt und Einspritzung nach dem Verbrennungstakt wechseln. Dieser Katalysator zum Bilden von Wasserstoff ist stromaufwärts des Katalysators, der zum Bilden von Ammoniak genutzt wird, angeordnet oder stimmt mit diesem im Wesentlichen überein, kann aber entweder als separate Vorrichtung oder als Katalysator in der gleichen unitären Nachbehandlungsvorrichtung vorliegen. Ferner sind Katalysatorauslegungen bekannt, die Wasserstoff selbst bei Vorhandensein von molekularem Sauerstoff erzeugen, was den Wirkungsgrad von Wasserstofferzeugung durch Verringern der Notwendigkeit, zusätzlichen Kraftstoff zum vollständigen Abreichern von Sauerstoff einzuspritzen, verbessert.The reforming of hydrocarbons on a catalyst is exothermic and can generate significant heat. The temperature of the catalyst is preferably monitored or estimated to protect the catalyst from an over temperature condition. An example method may switch between in-stroke injection and post-stroke injection based on relevant parameters, preferably including catalyst temperature. This catalyst for forming hydrogen is located upstream of or substantially the same as the catalyst used to form ammonia, but may exist either as a separate device or as a catalyst in the same unitary aftertreatment device. Furthermore, catalyst designs are known that produce hydrogen even in the presence of molecular oxygen, which improves the efficiency of hydrogen production by reducing the need to inject additional fuel to completely deplete oxygen.
Auf diese Weise können Katalysatoren verwendet werden, um Ammoniak durch Spätverbrennungskohlenwasserstoffreformierung in einem Nachbehandlungssystem zu erzeugen und verwenden. Wie oben beschrieben ist, kann ein Wasserstoff bildender Katalysator verwendet werden, um Kohlenwasserstoffe in dem Nachbehandlungssystem zu reformieren. In einem derart konfigurierten System könnte
Ferner versteht sich, dass die Nachbehandlungssysteme in vielen aus dem Stand der Technik bekannten Konfigurationen verwirklicht sein können und die chemische Reaktion, die zum Entstehenlassen von Ammoniak genutzt wird, eine Anzahl von Formen annehmen kann, die unterschiedliche Katalysatoren und unterschiedliche Betriebsbedingungen erfordern. Zum Beispiel werden verschiedene Vorrichtungen in dem Abgasstrom eines Benzinmotors, zum Beispiel eine TWC-Vorrichtung, und eines Dieselmotors, zum Beispiel eine DOC-Vorrichtung, genutzt. Die beispielhafte Konfiguration von
Diese Reaktion hat den Vorteil, dass sie vom Vorhandensein von CO unabhängig ist, erfordert aber molekularen Wasserstoff in höheren Mengen. Eine andere beispielhafte Reaktion, die genutzt werden kann, um Ammoniak zu produzieren, umfasst die folgende.
Die Nutzung dieser Reaktion erfordert eine Vorrichtung, die Barium umfasst. Wie einem Durchschnittsfachmann bewusst ist, ist Barium in Vorrichtungen, die einen PGM-Katalysator verwenden, beispielsweise einen TWC, einen DOC oder bestimmte LNT-Vorrichtungen, bekanntermaßen nicht vorhanden, wird aber bekanntermaßen in den meisten LNT-Vorrichtungen verwendet, bei denen Barium zum Speichern des NOx während eines mageren Betriebs verwendet wird. Es versteht sich ferner, dass jede dieser Reaktionen unterschiedliche Katalysatoren und Antriebsstrang-Betriebsbedingungen für einen normalen Betrieb erfordern kann. Zudem ändern die unterschiedlichen Verhältnisse von NO und molekularem Wasserstoff das AFR, das zum effizienten Betreiben eines Ammoniakerzeugungszyklus erforderlich ist.Utilizing this reaction requires a device that includes barium. As one of ordinary skill in the art is aware, barium is not known to be present in devices that use a PGM catalyst, such as a TWC, a DOC, or certain LNT devices, but is known to be used in most LNT devices that use barium for storage of NOx is used during lean operation. It is further understood that each of these reactions may require different catalysts and powertrain operating conditions for normal operation. In addition, the different ratios of NO and molecular hydrogen change the AFR required to efficiently operate an ammonia production cycle.
Die Katalysatorauslegung umfasst Verfahren und Präferenzen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielhafte Katalysatoren, die in der TWC-Auslegung genutzt werden, die wie vorstehend in Verbindung mit Tabelle 1 beschrieben zum Produzieren von Ammoniak infolge einer in Gleichung 1 oben beschriebenen Reaktion genutzt werden, umfassen vorzugsweise einen platin- und palladiumbasierten Katalysator (PGM-Katalysator), doch kann das Verfahren mit bestimmten Nicht-PGM-Katalysatoren genutzt werden, die in der Lage sind, die erforderliche Reaktion zu erzeugen. Der Katalysator kann in einer motornahen Katalysatorvorrichtung oder einer so genannten Übergangskatalysatorvorrichtung integriert sein, die nahe dem Abgaskrümmer des Motors positioniert ist, oder kann in einer separaten Vorrichtung genutzt werden.Catalyst design involves methods and preferences known in the art. Exemplary catalysts used in TWC design, which are used to produce ammonia as a result of a reaction described in
Ammoniakerzeugungszyklen können nach Bedarf genutzt werden, um der SCR-Vorrichtung Ammoniak zu liefern. Ein Verfahren umfasst periodische Ammoniakerzeugungszyklen auf Grundlage von periodischem Auffüllen einer geschätzten Anforderung. Bei der Alternative kann Ammoniak, der an dem SCR-Katalysator gespeichert ist, oder θNH3 geschätzt und verwendet werden, um Ammoniakerzeugungszyklen nach Bedarf zu planen. Ammoniakerzeugungszyklen, die einen stöchiometrischen oder fetten Betrieb des Motors verwenden, können so geplant werden, dass sie Zeiträume verwenden, bei denen dieser Betrieb bereits gemäß Antriebsstrangleistungsforderungen erforderlich ist. Ein magerer Betrieb eines Motors, insbesondere ein magerer Betrieb, der Verbrennungsverfahren ausnutzt, beispielsweise Betriebsarten mit homogener Kompressionszündung oder Schichtladung, erfolgt typischerweise bei niedrigeren Lasten und niedrigeren Motordrehzahlen. Ein magerer Betrieb wird zum Beispiel häufig bei Autobahnfahrt genutzt, wobei der Motor in einem stabilen Betrieb genutzt wird, um Drehzahlen beizubehalten. Ein fetter Betrieb wird genutzt, wo magerer Betrieb nicht möglich oder bevorzugt ist. Zum Beispiel wird fetter Betrieb häufig in Fällen von Beschleunigung genutzt, wobei das Erzeugen von Kraft, die zum Beschleunigen eines Fahrzeugs erforderlich ist, hohe Motorlasten erfordert, und das Durchlaufen von Zuständen des Getriebebetriebsbereich Motordrehzahlen erfordert, die hohe Motordrehzahlen einschließen. Das Überwachen der Motornutzung kann das Auslösen eines Ammoniakerzeugungszyklus als Reaktion auf einen Wechsel zu einem fetten Betriebsmodus ermöglichen. Zusätzlich oder alternativ kann die Prognose der Motornutzung statistisch oder koordiniert mit einer 3D-Kennfeldvorrichtung erfolgen, wobei die Ammoniakproduktion basierend auf einer erwarteten Motornutzung, die bereits hohe Motordrehzahlen oder -lasten erfordert, prädiktiv ausgelöst wird. Ammonia generation cycles can be used as needed to provide ammonia to the SCR device. One method includes periodic ammonia production cycles based on periodic replenishment of an estimated demand. In the alternative, ammonia stored on the SCR catalyst or θ NH3 can be estimated and used to schedule ammonia generation cycles as needed. Ammonia generation cycles that use stoichiometric or rich operation of the engine can be scheduled to use periods when such operation is already required according to powertrain performance requirements. Lean operation of an engine, particularly lean operation utilizing combustion processes such as homogeneous charge compression ignition or stratified charge modes, typically occurs at lower loads and lower engine speeds. For example, lean operation is often used during freeway driving where the engine is used in a steady state operation to maintain speeds. Rich operation is utilized where lean operation is not possible or preferred. For example, rich operation is often utilized in cases of acceleration, where generating force necessary to accelerate a vehicle requires high engine loads, and cycling through transmission operating range states requires engine speeds that include high engine speeds. Monitoring engine usage may enable initiation of an ammonia generation cycle in response to a transition to a rich operating mode. Additionally or alternatively, engine usage prediction may be statistical or coordinated with a 3D mapper, where ammonia production is predictively triggered based on expected engine usage already requiring high engine speeds or loads.
Durch die vorstehenden Verfahren erzeugtes Ammoniak kann an einem Katalysator in einer SCR-Vorrichtung gespeichert werden, die mit einer Ammoniakspeicherfähigkeit gewählt ist. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, hängt θNH3 von einer Anzahl von Eigenschaften des Abgasstroms ab, zum Beispiel von TBETT und SV. Erhöhte Katalysatorbetttemperaturen oder erhöhte Geschwindigkeiten des Abgasstroms in der SCR-Vorrichtung verursachen Schlupf. Ammoniakerzeugungszyklen können prädikativ basierend auf vorhergesagten Bereichen von TBETT und SV angesetzt werden, die zum Beibehalten des gespeicherten Ammoniaks förderlich sind. TBETT kann gemessen oder gemäß einem Modell vorhergesagt werden. Ein beispielhafter Ausdruck von TBETT kann durch die folgende funktionelle Beziehung gegeben werden.
Motordrehzahlen und -lasten sind für Ammoniakerzeugungszyklen wichtig. Zudem kann ein Motorbetrieb hohe Temperatur und hohe Massedurchflüsse in dem Abgasstrom hervorrufen. Die sich ergebenden Bedingungen in dem Abgasstrom aus dem Betrieb des Motors können zu Betriebsbedingungen, die verschwenderische Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff erfordern, oder zu Bedingungen führen, die einen übermäßigen Schlupf in der SCR hervorrufen, was einen Abbau von Ammoniak bewirkt. Hybridantriebsstränge, die einen Motor und andere Drehmomenterzeugungsvorrichtungen umfassen, können aber einem Antriebssystem ein erforderliches Ausgangsdrehmoment liefern, während sie das Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Vorrichtungen des Antriebsstrangs modulieren. Andere Drehmomenterzeugungsvorrichtungen können eine elektrische Maschine oder Maschinen umfassen, die in einem Drehmomenterzeugungsmotormodus oder einem Energierückgewinnungsgeneratormodus arbeiten können. Solche elektrischen Maschinen sind mit einer Energiespeichervorrichtung funktionell verbunden, die in der Lage ist, elektrische Energie zu den elektrischen Maschinen zu liefern oder sie von diesen zu erhalten und zu speichern. Auf diese Weise kann der Motorbetrieb von dem erforderlichen Ausgangsdrehmoment abgekoppelt sein, um den Wirkungsgrad von Ammoniakerzeugung und -speicherung in einem Nachbehandlungssystem zu verbessern. Zum Beispiel kann man das Motordrehmoment das erforderliche Ausgangsdrehmoment überschreiten lassen, wobei stöchiometrischer oder fetter Motorbetrieb genutzt wird, der für Ammoniakproduktion bei hoher Last förderlich ist, und das erforderliche Ausgangsdrehmoment übersteigende Motordrehmoment kann durch eine elektrische Maschine wieder zur Energiespeichervorrichtung zurückgeführt werden. Auf diese Weise kann zusätzlicher Kraftstoff, der zum Generieren von Wasserstoff genutzt wird, gespeicherte Energie erzeugen statt in dem Nachbehandlungssystem als Wärme vollständig abgeführt zu werden. In einem anderen Beispiel können unter Betrieb bei hoher Last, zum Beispiel bei einem Fahrzeug, das einen schweren Gegenstand unter Bedingungen weiter geöffneter Drosselklappe eine längere Steigung hinaufzieht, Abgastemperaturen, die sich aus dem Betrieb des Motors bei hoher Last ergeben, einen übermäßigen Schlupf in der SCR-Vorrichtung erzeugen. Eine elektrische Maschine oder elektrische Maschinen können genutzt werden, um einen Teil des erforderlichen Ausgangsdrehmoments zu liefern, wodurch die von dem Motor geforderte Last verringert wird, was den Betrieb des Motors bei einem Getriebezustand ermöglicht, der eine niedrigere Motordrehzahl erlaubt, und sich ergebende Temperaturen in dem Abgas verringert. Auf diese Weise kann ein Hybridantriebsstrang genutzt werden, um Ammoniakproduktion und -speicherung zu fördern.Engine speeds and loads are important to ammonia generation cycles. In addition, engine operation can cause high temperature and high mass flow rates in the exhaust stream. The resulting conditions in the exhaust stream from operation of the engine may result in operating conditions that require wasteful injection of additional fuel or conditions that cause excessive slip in the SCR, causing ammonia breakdown. However, hybrid powertrains, which include an engine and other torque-generating devices, can provide a required output torque to a drive system while modulating the balance between the various devices of the powertrain. Other torque-generative devices may include an electric machine or machines that can operate in a torque-generative motor mode or an energy-regenerative generator mode. Such electrical machines are operatively connected to an energy storage device capable of supplying, receiving and storing electrical energy to the electrical machines. In this way, engine operation can be decoupled from required output torque to improve efficiency of ammonia production and storage in an aftertreatment system. For example, engine torque can be allowed to exceed required output torque, utilizing stoichiometric or rich engine operation conducive to ammonia production at high loads, and engine torque in excess of required output torque can be returned to the energy storage device by an electric machine. In this way, additional fuel used to generate hydrogen can produce stored energy rather than being completely dissipated as heat in the aftertreatment system. In another example, during high load operation, such as a vehicle towing a heavy object up a prolonged incline under wide open throttle conditions, exhaust gas temperatures resulting from high load operation of the engine can cause excessive slip in the engine Create SCR device. An electric machine or machines can be used to provide part of the required output torque, thereby reducing the load required of the engine, allowing the engine to operate at a transmission condition that permits lower engine speed and resultant temperatures in the exhaust gas reduced. In this way, a hybrid powertrain can be used to promote ammonia production and storage.
Die hierin beschriebenen Verfahren erwägen die Produktion von Ammoniak durch Ammoniakerzeugungszyklen, die Bestandteile des Abgasstroms verwenden, um eine Nachbehandlung von NOx in einer SCR-Vorrichtung aufrechtzuerhalten. Es versteht sich, dass diese Verfahren getrennt von Harnstoffeinspritzung verwendet werden können, wobei die beschriebenen Verfahren das gesamte erforderliche Ammoniak liefern. Alternativ können die hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden, um ein Harnstoffeinspritzungssystem zu ergänzen, was den Bereich des Systems zwischen erforderlichem Füllen eines Harnstoffspeichertanks vergrößert, während es aufgrund von verfügbarer Harnstoffeinspritzung bei Bedarf einen vollen Bereich von Motor- und Antriebsstrangbetrieb ohne signifikante Überwachung von Ammoniakerzeugungszyklen und aktueller Speicherkapazität zulässt.The methods described herein contemplate the production of ammonia by ammonia generation cycles that use constituents of the exhaust stream to maintain aftertreatment of NOx in an SCR device. It will be appreciated that these methods can be used separately from urea injection, with the methods described providing all of the required ammonia. Alternatively, the methods described herein can be used to supplement a urea injection system, increasing the range of the system between required filling of a urea storage tank while allowing a full range of engine and powertrain operation without significant monitoring of ammonia generation cycles and current due to available urea injection when needed storage capacity allows.
Eine Detektion von NOx ist wichtig für das Verständnis des Betriebs des Nachbehandlungssystems und zur Steuerung von NOx als einer Komponente zur Ammoniakerzeugung. Ein NOx-Sensor oder ein Sauerstoffsensor erhöhen Kosten und Gewicht eines Fahrzeugs, und solche Sensoren erfordern häufig einen bestimmten Betriebstemperaturbereich, der nach einer gewissen Aufwärmzeit erreicht wird, um funktionsfähig zu sein. Wie vorstehend beschrieben kann ein virtueller NOx-Sensor verwendet werden, um das Vorhandensein von NOx in einem Nachbehandlungssystem zu schätzen.
Das Überwachen von NOx durch einen virtuellen NOx-Sensor kann das Überwachen des Verbrennungsprozesses erfordern, um die NOx-Produktion des Motors genau zu schätzen. Zusätzlich kann eine genaue Steuerung von mehreren Einspritzungen, wie sie in dem vorstehenden Verfahren beschrieben ist, durch Überwachen des Verbrennungsprozesses unterstützt werden. Es können verschiedene Motorsensoreingaben verwendet werden, um die Parameter zu quantifizieren, die den Verbrennungsprozess beschreiben. Es ist aber schwierig, die in dem Motor erfolgende Verbrennung direkt zu überwachen. Sensoren können Kraftstoffstrom und Luftstrom in den Zylinder detektieren und messen, ein Sensor kann eine bestimmte elektrische Spannung überwachen, die an einer Zündkerze angelegt wird, oder ein Prozessor kann eine Summe von Informationen erfassen, die Bedingungen vorhersagen würden, die zum Erzeugen einer Selbstzündung erforderlich sind, doch sind diese Messwerte für die Verbrennung zusammen lediglich prädiktiv und messen nicht die tatsächlichen Verbrennungsergebnisse. Ein beispielhaftes Verfahren, das tatsächliche Verbrennungsergebnisse misst, nutzt Druckmessungen, die im Brennraum während eines Verbrennungsprozesses genommen werden. Zylinderdruckmesswerte liefern konkrete Messwerte, die Bedingungen in dem Brennraum beschreiben. Basierend auf einem Verständnis des Verbrennungsprozesses können Zylinderdrücke analysiert werden, um den Zustand des Verbrennungsprozesses in einem bestimmten Zylinder zu schätzen, wobei die Verbrennung bezüglich sowohl der Verbrennungsphaseneinstellung als auch der Verbrennungsstärke beschrieben wird. Die Verbrennung einer bekannten Ladung bei bekannten Zeiten unter bekannten Bedingungen erzeugt einen vorhersehbaren Druck in dem Zylinder. Durch Beschreiben der Phase und Stärke der Verbrennung bei bestimmten Kurbelwinkeln können die Auslösung und das Fortschreiten eines bestimmten Verbrennungsprozesses als geschätzter Verbrennungszustand beschrieben werden. Durch Schätzen des Zustands des Verbrennungsprozesses für einen Zylinder können Faktoren, die die NOx-Erzeugung während des Verbrennungsprozesses beeinflussen, ermittelt und zur Verwendung bei der Schätzung der NOx-Erzeugung verfügbar gemacht werden.Monitoring NOx through a virtual NOx sensor may require monitoring the combustion process to accurately estimate the engine's NOx production. Additionally, accurate control of multiple injections as described in the method above can be aided by monitoring the combustion process. Various engine sensor inputs can be used to quantify the parameters that describe the combustion process. However, it is difficult to directly monitor the combustion occurring in the engine. Sensors can detect and measure fuel flow and air flow into the cylinder, a sensor can monitor a specific electrical voltage applied to a spark plug, or a processor can collect a sum of information that would predict conditions necessary to produce auto-ignition , but these combustion readings taken together are only predictive and do not measure actual combustion results. An example method that measures actual combustion results uses pressure measurements taken in the combustion chamber during a combustion process. Cylinder pressure readings provide tangible readings that describe conditions within the combustion chamber. Based on an understanding of the combustion process, cylinder pressures can be analyzed to estimate the state of the combustion process in a particular cylinder, describing the combustion in terms of both combustion phasing and combustion severity. Combustion of a known charge at known times under known conditions produces a predictable pressure in the cylinder. By describing the phase and magnitude of combustion at specific crank angles, the initiation and progression of a specific combustion process can be described as an estimated state of combustion. By estimating the state of the combustion process for a cylinder, factors affecting NOx creation during the combustion process can be determined and made available for use in estimating NOx creation.
Ein bekanntes Verfahren zum Überwachen von Verbrennungsphaseneinstellung ist das Schätzen des Massenanteilverbrennungsverhältnisses für einen vorgegebenen Kurbelwinkel basierend auf bekannten Parametern. Das Massenanteilverbrennungsverhältnis beschreibt, welcher Prozentsatz der Ladung in dem Brennraum verbrannt wurde, und dient als gute Schätzung der Verbrennungsphaseneinstellung.
Wie vorstehend beschrieben kann die Verbrennungsphaseneinstellung genutzt werden, um den Zustand eines bestimmten Verbrennungsprozesses zu schätzen. Es wird ein beispielhaftes Verfahren zum Überwachen von Verbrennungsphaseneinstellung zum Diagnostizieren ineffektiver Verbrennung offenbart, wodurch Verbrennung in einem Motor überwacht wird, Massenanteilverbrennungsverhältnisse für jeden Zylinderverbrennungsprozess erzeugt werden und die Verbrennungsphaseneinstellung über den Zylindern verglichen werden. Wenn sich die Verbrennungsphase für einen Zylinder bei einem bestimmten Kurbelwinkel für diesen ersten Zylinder um mehr als eine Schwellenphasendifferenz von der Verbrennungsphase für einen anderen Zylinder bei dem gleichen Kurbelwinkel für diesen zweiten Zylinder unterscheidet, kann eine anomale Verbrennung gefolgert werden. Durch dieses Verfahren können viele Quellen anomaler Verbrennung diagnostiziert werden. Wenn zum Beispiel eine bestimmte Bedingung eine frühzeitige Zündung oder Klopfen in dem Brennraum hervorruft, weisen die Zylinderdruckmesswerte andere Werte als die normale Verbrennung auf. Zudem verursachen Kraftstoffanlagen-Einspritzzeitfehler, die eine Einspritzung der Ladung zu falschen Zeiten bewirken, anomale Zylinderdruckmesswerte. Wenn weiterhin ein Zylinder eine Fehlzündung aufweist oder nie Verbrennung erreicht, weisen die Zylinderdruckmesswerte andere Werte als normale Verbrennung auf. Analog können Druckkurven verwendet werden, um andere anomale Verbrennungsbedingungen zu diagnostizieren, beispielsweise Änderungen des Luft/ Kraftstoff-Gemisches, Änderungen der Nockenwellenphaseneinstellung und Wartungsstörungen bei zugehörigen Komponenten. Alle solche Diagnosen einer Verbrennungsgesundheit haben Auswirkungen auf NOx und können hilfreich sein, um die NOx-Erzeugung zu schätzen.As described above, combustion phasing can be used to estimate the state of a particular combustion process. An example method of monitoring combustion phasing to diagnose ineffective combustion is disclosed, whereby combustion is monitored in an engine, mass fraction burn ratios are generated for each cylinder combustion process, and combustion phasing is compared across cylinders. If the combustion phase for a cylinder at a certain crank angle for that first cylinder differs by more than a threshold phase difference from the combustion phase for another cylinder at the same crank angle for that second cylinder, anomalous combustion can be inferred. Many sources of abnormal combustion can be diagnosed by this method. For example, if a certain condition causes pre-ignition or knocking in the combustion chamber, the cylinder pressure readings will have different values than normal combustion. In addition, fuel system injection timing errors that cause the charge to be injected at incorrect times cause anomalous cylinder pressure readings. Furthermore, if a cylinder misfires or never achieves combustion, the cylinder pressure readings will show different readings than normal combustion. Similarly, pressure waveforms may be used to diagnose other abnormal combustion conditions, such as air/fuel mixture changes, camshaft phasing changes, and maintenance failures of related components. All such combustion health diagnostics have implications for NOx and can be helpful in estimating NOx production.
Es sind viele Verfahren zum Schätzen der Massenanteilverbrennung bekannt. Ein Verfahren prüft Druckdaten aus dem Brennraum, wobei es das Analysieren des Druckanstiegs in dem Raum einschließt, der auf die Verbrennung zurückzuführen ist. Es gibt verschiedene Verfahren, um einen Druckanstieg in einem Zylinder zu quantifizieren, der auf Verbrennung zurückführbar ist. Druckverhältnissteuerung (PRM, kurz vom engl. Pressure Ratio Management) ist ein Verfahren, das auf dem Rassweiler-Ansatz beruht, der besagt, dass die Massenanteilverbrennung durch den anteiligen Druckanstieg aufgrund Verbrennung angenähert werden kann. Die Verbrennung einer bekannten Ladung bei einer bekannten Zeit unter bekannten Bedingungen pflegt einen einheitlich vorhersehbaren Druckanstieg in dem Zylinder zu erzeugen. PRM leitet aus dem Verhältnis eines gemessenen Zylinderdrucks unter Verbrennung bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel (PZYL(θ)) zu einem berechneten Zylinderdruck ohne Verbrennung, dem so genannten „motored pressure“, ein Druckverhältnis (PR) ab, wobei sie, wenn in dem Zylinder keine Verbrennung erfolgte, einen Druckwert bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel (PMOT(θ)) schätzt, was die folgende Gleichung ergibt.
Das durch die vorstehende Gleichung gemessene PR kann daher verwendet werden, um die Stärke der Verbrennung in einem Zylinder direkt zu beschreiben. Das Normalisieren von PR minus eins bei einem Kurbelwinkel θ zu einem erwarteten oder theoretischen maximalen PR-Wert minus eins ergibt ein anteiliges Druckverhältnis des Druckanstiegs aufgrund Verbrennung bei Kurbelwinkel θ zu dem erwarteten gesamten Druckanstieg aufgrund Verbrennung bei der Beendigung des Verbrennungsprozesses. Diese Normalisierung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
Dieses anteilige Druckverhältnis beschreibt durch Gleichstellen des auf Verbrennung zurückführbaren Druckanstiegs mit dem Fortschreiten von Verbrennung die Massenanteilverbrennung für diesen bestimmten Verbrennungsprozess. Durch Verwenden von PRM können Druckmesswerte von einem Zylinder verwendet werden, um eine Massenanteilverbrennung für diesen Zylinder zu schätzen.This fractional pressure ratio describes the mass fraction burn for that particular combustion process by equating the pressure increase attributable to combustion as combustion progresses. Using PRM, pressure readings from a cylinder can be used to estimate mass fraction burn for that cylinder.
Das vorstehende Verfahren, das PRM nutzt, ist für breite Bereiche von Temperatur, Zylinderladung und Steuerzeiten in Verbindung mit Kompressionszündungsmotoren anwendbar, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass es keine kalibrierten Drucksensoren benötigt. Da PR ein Verhältnis von Drücken ist, kann ein nicht kalibrierter linearer Druckwandler genutzt werden, um Druckdatenmesswerte von jedem Zylinder zu erfassen.The above method utilizing PRM is applicable to wide ranges of temperature, cylinder charge and timing associated with compression ignition engines, with the added benefit of not requiring calibrated pressure sensors. Since PR is a ratio of pressures, an uncalibrated linear pressure transducer can be used to collect pressure data readings from each cylinder.
Ein anderes Verfahren zum Schätzen von Massenanteilverbrennung ist das direkte Verwenden des Rassweiler-Ansatzes zum Ermitteln von Massenanteilverbrennung durch Berechnen der gesamten Wärme, die bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel freigesetzt wird. Der Rassweiler-Ansatz nutzt Druckmesswerte von einem Zylinder, um die inkrementale Wärmefreisetzung in dem Zylinder zu approximieren. Dieser Ansatz wird durch die folgende Gleichung gegeben.
Die Massenanteilverbrennung, ein Maß, wie viel der Ladung bei einem bestimmten Kurbelwinkel verbrannt ist, kann durch Ermitteln, welcher Anteil an Wärmefreisetzung für einen Verbrennungsprozess bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel stattgefunden hat, angenähert werden. Die inkrementale Wärmefreisetzung, die durch den Rassweiler-Ansatz ermittelt wird, kann über einen Bereich von Kurbelwinkeln addiert werden, mit der gesamten erwarteten oder theoretischen Wärmefreisetzung für den Verbrennungsprozess verglichen werden und genutzt werden, um die Massenanteilverbrennung zu schätzen. Wenn zum Beispiel 75% der gesamten erwarteten Wärmefreisetzung bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel realisiert wurden, können wir schätzen, dass 75% der Verbrennung für den Zyklus bei diesem Kurbelwinkel stattgefunden hat.Mass fraction burn, a measure of how much of the charge is burned at a given crank angle, can be approximated by determining what fraction of heat release has occurred for a combustion process at a given crank angle. The incremental heat release determined by the Rassweiler approach can be summed over a range of crank angles, compared to the total expected or theoretical heat release for the combustion process, and used to estimate mass fraction burn. For example, if 75% of the total expected heat release was realized at a given crank angle, we can estimate that 75% of the combustion for the cycle took place at that crank angle.
Es können andere Verfahren verwendet werden, um die Massenanteilverbrennung zu schätzen. Ein Verfahren quantifiziert die Änderungsrate von Energie in dem Brennraum aufgrund von Verbrennung durch eine Analyse klassischer Wärmefreisetzungsmaße basierend auf Analyse der freigesetzten Wärme und erbrachten Arbeit während der Verbrennung der Ladung. Solche Analysen sind auf den ersten Hauptsatz der Thermodynamik abgestellt, der besagt, dass die Nettoänderung von Energie in einem geschlossenen System gleich der Summe der Wärme und Arbeit ist, die dem System zugegeben werden. Angewandt auf einen Brennraum ist der Energieanstieg in dem Brennraum und den eingeschlossenen Gasen gleich der Wärme, die auf die Wände des Raums und die Gase übertragen wird, plus die expansive Arbeit, die durch die Verbrennung durchgeführt wird. Other methods can be used to estimate mass fraction burn. One method quantifies the rate of change of energy in the combustion chamber due to combustion through analysis of classical heat release metrics based on analysis of heat released and work done during combustion of the charge. Such analyzes are based on the first law of thermodynamics, which states that the net change in energy in a closed system is equal to the sum of the heat and work added to the system. Applied to a combustion chamber, the energy increase in the combustion chamber and the trapped gases is equal to the heat transferred to the walls of the chamber and the gases plus the expansive work performed by the combustion.
Ein beispielhaftes Verfahren, das diese klassischen Wärmefreisetzungsmaße nutzt, um eine Schätzung der Massenanteilverbrennung zu approximieren, analysiert die Rate der Wärmefreisetzung durch Ladungsverbrennung während des gesamten Verbrennungsprozesses. Diese Rate der Wärmefreisetzung, dQch/ dθ, kann über einen Bereich von Kurbelwinkeln integriert werden, um die in Form von Wärme freigesetzte Nettoenergie zu beschreiben. Durch Ableitungen, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind, kann diese Wärmefreisetzung durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
Gamma, γ, umfasst ein Verhältnis von spezifischen Wärmen und wird nominell als das für Luft bei der Temperatur, die denen zum Berechnen der Signal-Vorspannung verwendeten und ohne AGR entspricht, gewählt. Somit ist nominell oder anfänglich γ = 1,365 bei Dieselmotoren und nominell γ = 1,30 bei herkömmlichen Benzinmotoren. Diese können jedoch basierend auf den Daten von den spezifischen Wärmen für Luft und stöchiometrischen Produkten unter Verwenden einer Schätzung des Äquivalenzverhältnisses Φ und des für die Betriebsbedingung angestrebten AGR-Molanteils und unter Verwenden der Beziehung, dass [γ = 1+ (R/ cv)], wobei R die universale Gaskonstante ist, und des gewichteten Mittels von Luft und Produkteigenschaften durch den folgenden Ausdruck angepasst werden,
Der Ausdruck wird bei der Gastemperatur beurteilt, die der für Drücke entspricht, die für die Berechnung der Signal-Vorspannung genommen werden. The plot is evaluated at the gas temperature corresponding to that for pressures taken for the signal bias calculation.
Ob durch das vorstehende Verfahren oder durch ein anderes aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren berechnet kann die Berechnung von Energie, die in dem Verbrennungsprozess bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel freigesetzt wird, mit einer erwarteten oder theoretischen gesamten Energiefreisetzung für den Verbrennungsprozess verglichen werden. Dieser Vergleich ergibt eine Schätzung von Massenanteilverbrennung zur Verwendung beim Beschreiben der Verbrennungsphaseneinstellung.Whether calculated by the above method or by another method known in the art, the calculation of energy released in the combustion process at a given crank angle can be compared to an expected or theoretical total energy release for the combustion process. This comparison yields an estimate of mass fraction burn for use in describing combustion phasing.
Die hierin vorstehend beschriebenen Verfahren werden leicht reduziert, um wie folgt in einen Mikrocontroller oder eine andere Vorrichtung zur Ausführung während eines laufenden Betriebs eines Verbrennungsmotors programmiert zu werden.The methods described hereinabove are easily reduced to be programmed into a microcontroller or other device for execution during ongoing operation of an internal combustion engine as follows.
Sobald eine Massenanteilverbrennungskurve für einen bestimmten Verbrennungsprozess erzeugt ist, ist die Kurve brauchbar, um die Verbrennungsphaseneinstellung für diesen bestimmten Verbrennungsprozess zu beurteilen. Unter erneutem Bezug auf
Die Ermittlung von Massenanteilverbrennungswerten ist eine Vorgehensweise, die aus dem Stand der Technik gut bekannt ist. Auch wenn vorstehend beispielhafte Verfahren zum Ermitteln von Massenanteilverbrennung beschrieben werden, können die hierin offenbarten Verfahren zum Verwenden von Massenanteilverbrennungswerten zum Diagnostizieren von Zylinderverbrennungsproblemen mit jedem Verfahren zum Ermitteln von Massenanteilverbrennung verwendet werden. Es kann jede Vorgehensweise zum Entwickeln von Massenanteilverbrennung genutzt werden, und diese Offenbarung soll nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Verfahren beschränkt sein.The determination of mass fraction burn values is a procedure that is well known in the art. Although example methods for determining mass fraction burn are described above, the methods disclosed herein for using mass fraction burn values to diagnose cylinder combustion issues may be used with any method for determining mass fraction burn. Any approach to developing mass fraction burn can be used, and this disclosure is not intended to be limited to the specific methods described herein.
Es gibt weitere Verfahren zum Analysieren von Zylinderdrucksignalen. Es sind Verfahren zum Verarbeiten von komplexen oder verrauschten Signalen und zum Reduzieren derselben zu brauchbaren Informationen bekannt. Ein solches Verfahren umfasst Spektralanalyse durch Fast-Fourier-Transformation (FFT). FFT reduzieren ein periodisches oder sich wiederholendes Signal zu einer Summe von harmonischen Signalen, die zum Umwandeln des Signals in Komponenten seines Frequenzspektrums brauchbar sind. Sobald die Komponenten des Signals bestimmt sind, können sie analysiert werden und es können Informationen von dem Signal genommen werden.There are other methods of analyzing cylinder pressure signals. Methods are known for processing complex or noisy signals and reducing them to useful information. One such method involves spectral analysis by Fast Fourier Transform (FFT). FFTs reduce a periodic or repetitive signal to a sum of harmonic signals that are useful for converting the signal into components of its frequency spectrum. Once the components of the signal are determined, they can be analyzed and information taken from the signal.
Druckmesswerte von den Druckwandlern, die sich in oder in Verbindung mit den Verbrennungszylindern befinden, enthalten Informationen, die direkt mit der in dem Brennraum erfolgenden Verbrennung in Beziehung stehen. Motoren sind aber sehr komplexe Mechanismen, und diese Druckmesswerte können zusätzlich zu einem Maß PZYL(θ) eine Vielzahl von Druckschwankungen von anderen Quellen enthalten. Schnelle Fourier-Transformationen (FFT) sind mathematische Verfahren, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind. Ein FFT-Verfahren, das als Spektralanalyse bekannt ist, analysiert ein komplexes Signal und trennt das Signal in seine Bestandteile auf, die als Summe von Oberschwingungen dargestellt werden können. Die Spektralanalyse eines Druckwandlersignals, dargestellt durch f(θ), kann wie folgt dargestellt werden.
Jede Komponente N des Signals f(θ) stellt eine periodische Eingabe an dem Druck in dem Brennraum dar, wobei jedes größer werdende Inkrement N Signale oder höhere Frequenz umfasst. Eine experimentelle Analyse hat gezeigt, dass die durch Verbrennung und den sich durch die verschiedenen Stufen des Verbrennungsprozesses PZYL(θ) bewegenden Kolben hervorgerufene Druckschwankung die erste, niedrigste Frequenzoberschwingung zu sein pflegt. Durch Isolieren dieses ersten harmonischen Signals kann PZYL(θ) gemessen und beurteilt werden. Wie aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, liefern FFT Informationen bezüglich der Größenordnung und Phase jeder festgestellten Oberschwingung, die als der Term Φ in jeder Oberschwingung der vorstehenden Gleichung erfasst ist. Der Winkel der ersten Oberschwingung oder Φ1 ist daher der dominante Term, der die Verbrennungsphaseneinstellungsinformationen verfolgt. Durch Analysieren der Komponente der FFT-Ausgabe, die mit PZYL in Verbindung steht, können die Phasenregelungsinformationen dieser Komponente quantifiziert und entweder mit erwarteter Phasenregelung oder der Phasenregelung anderer Zylinder verglichen werden. Dieser Vergleich erlaubt ein Beurteilen der gemessenen Phasenregelungswerte und die Anzeige einer Warnung, wenn die Differenz größer als eine Schwellenphasenregelungsdifferenz ist, was Verbrennungsprobleme in diesem Zylinder anzeigt.Each component N of the signal f(θ) represents a periodic input to the pressure in the combustion chamber, with each increasing increment comprising N signals or higher in frequency. An experimental analysis has shown that the combustion caused by the different stages of the Pressure variation caused by the combustion process P CYL (θ) moving piston tends to be the first, lowest frequency harmonic. By isolating this first harmonic signal, P CYL (θ) can be measured and evaluated. As is well known in the art, FFTs provide information regarding the magnitude and phase of each detected harmonic, captured as the term Φ in each harmonic of the above equation. The angle of the first harmonic or Φ 1 is therefore the dominant term tracking combustion phasing information. By analyzing the component of the FFT output associated with P CYL , the phasing information of that component can be quantified and compared to either expected phasing or the phasing of other cylinders. This comparison allows evaluating the measured phasing values and displaying a warning if the difference is greater than a threshold phasing difference, indicating combustion problems in that cylinder.
Durch FFT analysierte Signale werden am effizientesten geschätzt, wenn sich das Eingangssignal bei einem stabilen Zustand befindet. Transiente Wirkungen eines sich ändernden Eingangssignals können Fehler bei den ausgeführten Schätzungen erzeugen. Während Verfahren bekannt sind, um die Wirkungen von transienten Eingangssignalen auszugleichen, werden die hierin offenbarten Verfahren am besten entweder bei Leerlauf oder stabilen, mittleren Motordrehzahlbedingungen ausgeführt, bei denen die Wirkungen von Transienten eliminiert sind. Ein bekanntes Verfahren zum Verwirklichen des Tests in einem annehmbar stabilen Testzeitraum besteht darin, Abtastungen zu nehmen und einen Algorithmus in dem Steuermodul zu verwenden, um die Testdaten, die während eines stabilen Motorbetriebzeitraums genommen werden, entweder für gültig oder ungültig zu erklären. Signals analyzed by FFT are estimated most efficiently when the input signal is at a steady state. Transient effects of a changing input signal can create errors in the estimates made. While methods are known for compensating for the effects of transient input signals, the methods disclosed herein are best performed at either idle or stable, mid-range engine speed conditions where the effects of transients are eliminated. A known method of accomplishing the test in a reasonably stable test period is to take samples and use an algorithm in the control module to either validate or invalidate the test data taken during a stable engine operation period.
Zu beachten ist, dass die Testdaten zwar vorzugsweise bei Leerlauf oder stabilem Motorbetrieb genommen werden, doch Informationen, die aus diesen Analysen abgeleitet sind, durch komplexe programmierte Berechnungen oder Motormodelle genutzt werden können, um eine präzisere Motorsteuerung während verschiedener Bereiche von Motorbetrieb zu bewirken. Wenn zum Beispiel Testen und Analyse bei Leerlauf zeigt, dass Zylinder Nummer 4 eine teilweise verstopfte Einspritzvorrichtung aufweist, könnten die Kraftstoffeinspritzzeiten für diesen Zylinder während unterschiedlicher Betriebsbereiche abgewandelt werden, um das wahrgenommene Problem zu kompensieren.It should be noted that while the test data is preferably taken at idle or stable engine operation, information derived from these analyzes can be used through complex programmed calculations or engine models to effect more precise engine control during various ranges of engine operation. For example, if testing and analysis at idle shows that
Sobald Zylinderdrucksignale durch FFT analysiert wurden, können Informationen aus dem Drucksignal auf verschiedene Weise verwendet werden, um den Verbrennungsprozess zu analysieren. Zum Beispiel kann das analysierte Drucksignal verwendet werden, um ein anteiliges Druckverhältnis zu erzeugen, wie in den vorstehenden Verfahren erläutert wird, und wird verwendet, um den Prozentsatz der Massenanteilverbrennung zu beschreiben, um das Fortschreiten des Verbrennungsprozesses zu beschreiben.Once cylinder pressure signals have been analyzed by FFT, information from the pressure signal can be used in a variety of ways to analyze the combustion process. For example, the analyzed pressure signal may be used to generate a fractional pressure ratio, as discussed in the methods above, and is used to describe percentage of mass fraction burn to describe the progression of the combustion process.
Sobald ein Maß, beispielsweise Druckmesswerte, verfügbar sind, können andere beschreibende Parameter, die einen Verbrennungsprozess betreffen, berechnet werden. Submodelle, die bestimmte Eigenschaften eines Verbrennungsprozesses beschreiben, können eingesetzt werden, die physikalische Eigenschaften und Beziehungen verwenden, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind, um Zylinderdrücke und andere leicht verfügbare Motorsensorterme in eine Variable umzuwandeln, die den Verbrennungsprozess beschreibt. Zum Beispiel kann der volumetrische Wirkungsgrad, ein Verhältnis von Luft/ Kraftstoff-Ladung, die in den Zylinder strömt, verglichen mit der Aufnahmefähigkeit des Zylinders, durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
Eine noch andere Variable, die den Verbrennungsprozess beschreibt und die aus Zylinderdrücken und anderen leicht verfügbaren Sensormesswerten abgeleitet werden kann, ist CAx, wobei x gleich einem erwünschten anteiligen Druckverhältnis ist. CAx kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden.
Das Einfüllen des erwünschten anteiligen Druckverhältnisses als Z und das Lösen für θ ergibt CAx. CA50 kann zum Beispiel wie folgt ermittelt werden.
Es können auch verschiedene Temperaturen in dem Brennraum aus Zylinderdrücken und anderen leicht verfügbaren Sensormesswerten geschätzt werden.
Zu beachten ist, dass die vorstehenden Gleichungen in einem Verfahren, das aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, vereinfacht werden, indem der Wärmeverlust an die Zylinderwand vernachlässigt wird. Verfahren zum Kompensieren dieser Vereinfachung sind aus dem Stand der Technik gut bekannt und werden hierin nicht näher beschrieben. Durch die Verwendung der vorstehend erwähnten Beziehungen und Ableitungen können Zylinderdruck und andere leicht verfügbare Sensormesswerte verwendet werden, um eine Anzahl von Parametern zu ermitteln, die den überwachten Verbrennungsprozess beschreiben. Note that the above equations are simplified in a method well known in the art by neglecting the heat loss to the cylinder wall. Methods for compensating for this simplification are well known in the art and are not described in detail herein. By using the above relationships and derivatives, cylinder pressure and other readily available sensor readings can be used to determine a number of parameters that describe the combustion process being monitored.
Wie vorstehend beschrieben können Zylinderdruckmesswerte verwendet werden, um einen in dem Brennraum auftretenden Verbrennungszustand zur Verwendung als Faktor beim Schätzen von NOx-Erzeugung zu beschreiben. Wie ebenfalls vorstehend beschrieben sind eine Anzahl anderer Faktoren für das genaue Schätzen von NOx-Erzeugung relevant.
Wie in den graphischen Ergebnissen von
Durch die vorstehend beschriebenen Verfahren können Schätzungen von NOx-Erzeugung für eine Reihe von Motorsensoreingaben erzeugt werden. Wie für den Durchschnittsfachmann nachvollziehbar ist, wirken Gleichungen und Modellprognosen von Motorbetrieb häufig am effektivsten, wenn der Motor bei oder nahe Dauerleistung arbeitet. Es können aber Beobachtungen und Prognosen bezüglich der Wirkungen von transientem oder dynamischem Motorbetrieb auf Schätzungen der NOX-Erzeugung oder die Genauigkeit derselben gemacht werden. Ein beispielhafter Ausdruck, der ein dynamisches Modell oder ein dynamisches Filtermodul beschreibt, ist durch das Folgende gezeigt:
Wie vorstehend beschrieben kann die Integration als Tiefpassfilter bei dem Vergleich eines tatsächlichen Umwandlungswirkungsgrads mit einem Fehlfunktionsumwandlungswirkungsgrad verwendet werden. Die erzeugten Daten können häufig zerhackt mit einer Anzahl von Spitzen sein. Die Auslegung der verschiedenen Signale, vor allem ein Vergleich der verschiedenen vorhergesagten NOx-Werte zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, ist für Fehlauslegung oder falsche Bestimmungen anfällig. Ein Vergleich der durch Integration erzeugten Datenkurven ist stark vereinfacht, und das Potential für Fehlauslegung oder falsche Bestimmungen ist in einem Vergleich stark verringert.As described above, the integration can be used as a low-pass filter in the comparison of an actual conversion efficiency with a malfunction conversion efficiency. The data generated can often be chopped up with a number of spikes. The interpretation of the different signals, especially a comparison of the different predicted NOx values at a given point in time, is prone to misinterpretation or incorrect determinations. A comparison of the data curves generated by integration is greatly simplified and the potential for misinterpretation or incorrect determinations in a comparison is greatly reduced.
Die Ermittlung des Umwandlungswirkungsgrads kann hilfreich sein, um Ammoniakerzeugungszyklen zu betreiben, beispielsweise um eine erforderliche zeitliche Steuerung und Dauer von Ammoniakerzeugungszyklen vorherzusagen, die erforderlich sind, um den SCR effizient zu betreiben. Der Umwandlungswirkungsgrad ist als der Wirkungsgrad beschrieben, mit dem eine Nachbehandlungsvorrichtung NOx zu anderen Molekülen umwandeln kann. Das vorstehend beschriebene beispielhafte Nachbehandlungssystem beschreibt einen gemessenen oder geschätzten NOx-Gehalt des Abgasstroms, der stromaufwärts der analysierten Nachbehandlungsvorrichtung gemessen wird. Dieses Maß an NOx, das in das Nachbe- handlungssystem eindringt, kann zu einer beliebigen Zeit ‚t‘ als x(t) beschrieben werden. Das vorstehend beschriebene beispielhafte Nachbehandlungssystem beschreibt einen gemessenen oder geschätzten NOx-Gehalt des Abgasstroms, der stromabwärts der analysierten Nachbehandlungsvorrichtung gemessen wird. Dieses Maß an NOx, das aus dem Nachbehandlungssystem austritt, kann zu einer beliebigen Zeit als y(t) beschrieben werden. Der Umwandlungswirkungsgrad zu einer beliebigen vorgegebenen Zeit durch die folgende Gleichung.
Es versteht sich, dass diese Gleichung den Umwandlungswirkungsgrad zu einem beliebigen Zeitpunkt vorsieht. Solche Momentanmessungen oder -berechnungen sind basierend auf Signalrauschen fehleranfällig. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Anwenden eines Tiefpassfilters bekannt. Eine Integration von x(t) oder y(t) ergibt eine Beschreibung einer Menge von tatsächlichem NOx, das während eines Zeitraums jeweils in das Nachbehandlungssystem eindringt oder aus diesem austritt. Eine beispielhafte Gleichung zum Ermitteln eines integrierten Umwandlungswirkungsgrads, wobei anomale Messungen in x(t) und y(t) gefiltert werden, kann wie folgt beschrieben werden.
Auf diese Weise können gemessene oder geschätzte Werte von NOx, das in das Nachbehandlungssystem eindringt oder aus diesem austritt, genutzt werden, um einen geschätzten oder berechneten tatsächlichen Umwandlungswirkungsgrad des Nachbehandlungssystems zu ermitteln.In this manner, measured or estimated values of NOx entering or exiting the aftertreatment system may be used to determine an estimated or calculated actual conversion efficiency of the aftertreatment system.
Eine ordnungsgemäß arbeitende oder frische Nachbehandlungsvorrichtung arbeitet mit einem gewissen maximal erreichbaren Umwandlungswirkungsgrad bei einer vorgegebenen Reihe von Bedingungen. Es versteht sich aber, dass Nachbehandlungsvorrichtungen, insbesondere Vorrichtungen, die einen Katalysator verwenden, im Laufe der Zeit und insbesondere bei Einwirken von hohen Temperaturen einer verschlechterten Leistung unterliegen. Das Feststellen eines Fehlfunktionskatalysators ist beim Beibehalten von niedrigen NOx-Emissionen und fortgesetztem Ermöglichen von kraftstoffeffizienten Motorbetriebsmodi wünschenswert.A properly operating or fresh aftertreatment device will operate at some maximum achievable conversion efficiency for a given set of conditions. However, it is understood that aftertreatment devices, particularly devices utilizing a catalyst, are subject to degraded performance over time and particularly when exposed to high temperatures. Determining a malfunctioning catalyst is desirable in maintaining low NOx emissions and continuing to enable fuel efficient engine operating modes.
Der Umwandlungswirkungsgrad in einer frischen SCR-Vorrichtung wird durch eine Reihe von Umwelt- oder Betriebsfaktoren beeinflusst. Der Umwandlungswirkungsgrad für eine beispielhafte SCR kann durch ein Modell ermittelt werden, das durch die folgende Funktion ausgedrückt wird.
TBETT beschreibt die Temperatur des Katalysatorbetts in der SCR. Diese Temperatur kann direkt gemessen werden oder kann basierend auf Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und anderen Eigenschaften des Abgasstroms geschätzt werden. SV beschreibt die Oberflächengeschwindigkeit des Abgases, das durch die SCR-Vorrichtung strömt, und kann als Funktion von Eigenschaften des Abgasstroms, einschließlich Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit, ermittelt werden. θNH3 beschreibt einen Betrag an Ammoniakspeicherung an dem Katalysatorbett, und es ist eine angemessene Anwesenheit von Ammoniak an dem SCR erforderlich, um die gewünschte NOx-Umwandlungsreaktion zu erreichen. θNH3 kann zum Beispiel durch Analysieren von Absorptions- und Desorptionsraten von Ammoniak, NOx-Umwandlungsraten und Oxidationsraten von adsorbiertem Ammoniak geschätzt werden. Wie vorstehend beschrieben beschreibt x(t) das Vorhandensein von NOx in dem Abgasstrom, der in das Nachbehandlungssystem eindringt. Niedrige NOx-Werte werden in einer ordnungsgemäß funktionierenden SCR problemlos reagiert, während NOx-Werte über einem bestimmten Schwellenwert schwieriger zu reagieren sind und niedrigeren Umwandlungswirkungsgraden entsprechen. Ein Beispiel für einen Faktor, der die Behandlung von NOx oberhalb von bestimmten Mengen beschränkt, umfasst ein in einer SCR vorhandenes beschränktes Ammoniak. VHARNSTOFF beschreibt das Volumen von eingespritztem Harnstoff. Während VHARNSTOFF ein Vorhandensein von Ammoniak analog zu θNH3 beschreibt, umfasst VHARNSTOFF ein vorhandenes Maß an Harnstoff, der eingespritzt wird, und kann besser einen transienten Indikator für Ammoniak beschreiben, das in der nahen Zukunft erwartungsgemäß vorhanden ist. ρZELLE beschreibt die Dichte von Katalysatormaterial in der SCR und beschreibt daher eine Fähigkeit der SCR, die gewünschte Reaktion zu katalysieren.T BED describes the temperature of the catalyst bed in the SCR. This temperature can be measured directly or can be estimated based on the temperature, flow rate and other properties of the exhaust stream. SV describes the superficial velocity of the exhaust gas flowing through the SCR device and can be determined as a function of properties of the exhaust gas flow, including temperature and flow rate. θNH3 describes an amount of ammonia storage on the catalyst bed and is an adequate presence of ammonia is required at the SCR to achieve the desired NOx conversion response. θNH3 can be estimated, for example, by analyzing absorption and desorption rates of ammonia, NOx conversion rates, and oxidation rates of adsorbed ammonia. As described above, x(t) describes the presence of NOx in the exhaust stream entering the aftertreatment system. Low NOx levels are easily responded to in a properly functioning SCR, while NOx levels above a certain threshold are more difficult to respond and correspond to lower conversion efficiencies. An example of a factor that limits treatment of NOx above certain levels includes limited ammonia present in an SCR. V UREA describes the volume of injected urea. While V UREA describes a presence of ammonia analogous to θ NH3 , V UREA includes a present level of urea that is injected and may better describe a transient indicator of ammonia expected to be present in the near future. ρ CELL describes the density of catalyst material in the SCR and therefore describes an ability of the SCR to catalyze the desired reaction.
Das vorstehende Modell, das den Umwandlungswirkungsgrad beschreibt, umfasst Faktoren, die bei einem normalen Betrieb einer SCR angenommen oder bestätigt werden können. Dadurch kann das Modell vereinfacht werden, wodurch eine zum Analysieren von Umwandlungswirkungsgrad durch das Modell erforderliche Verarbeitungslast verringert wird. Zum Beispiel kann VHARNSTOFF durch Betrieb des Harnstoffdosiermoduls überwacht werden, und bei gegebenen VHARNSTOFF-Werten in einem bestimmten Sollbereich sollten die sich ergebenden Umwandlungswirkungsgradberechnungen unbeeinflusst bleiben. In manchen Ausführungsformen wird VHARNSTOFF so gesteuert, dass es im Wesentlichen direkt proportional zu x(t) ist. Ferner kann θNH3 in manchen Ausführungsformen basierend auf VHARNSTOFF, überwachten Eigenschaften des Abgasstroms und der SCR, beispielsweise der Temperatur, und x(t) geschätzt werden. Bei θNH3-Werten in einem normalen Bereich kann θNH3 auf einen Teil des funktionellen Modells, der von TBETT abhängig ist, reduziert werden. Ein Wert für x(t), wie er vorstehend beschrieben ist, kann durch einen stromaufwärts befindlichen NOx-Sensor oder einen virtuellen NOx-Sensor überwacht werden. ρZELLE ist eine Eigenschaft der SCR-Vorrichtung und ist ein bekannter Wert. Aufgrund dieser bekannten oder schätzbaren Faktoren kann der Umwandlungswirkungsgrad für eine beispielhafte SCR durch ein Modell ermittelt werden, das durch die folgende Funktion ausgedrückt wird.
Auf diese Weise kann der Umwandlungswirkungsgrad der SCR durch Halten anderer Faktoren in bekannten oder kalibrierten Bereichen präzis als An-Bord-Diagnosefunktion ermittelt werden.In this way, the conversion efficiency of the SCR can be precisely determined as an on-board diagnostic function by keeping other factors within known or calibrated ranges.
Wie oben beschrieben ist, kann eine Abgasströmung, die ein Gemisch aus molekularem Wasserstoff und NOx, enthält, verwendet werden, um Ammoniak durch einen Ammoniakerzeugungskatalysator zu erzeugen. Beispielhafte Ausführungsformen sind auf ein Auslösen eines Ammoniakerzeugungszyklus nach Abreichern von Sauerstoff von einem Ammoniakerzeugungskatalysator gerichtet. Wie vorher erwähnt ist, kann ein TWC verwendet werden, um einen Ammoniakerzeugungskatalysator zu enthalten. Abhängig von der Konfiguration des Motors können ein oder mehrere TWC's auf Grundlage der Anzahl von Abgaskrümmern verwendet werden. Beispielsweise kann eine „V“-Konfiguration, die zwei Abgaskrümmer nutzt, zwei TWC's, einen für jeden Abgaskrümmer, verwenden. Gleichermaßen kann eine „Reihen“-Konfiguration, die einen einzelnen Abgaskrümmer aufweist, um Abgas aus dem Motor in das Abgasnachbehandlungssystem zu kanalisieren, einen TWC verwenden.As described above, an exhaust flow containing a mixture of molecular hydrogen and NOx may be used to generate ammonia through an ammonia generation catalyst. Exemplary embodiments are directed to initiating an ammonia production cycle after depleting oxygen from an ammonia production catalyst. As previously mentioned, a TWC can be used to contain an ammonia generation catalyst. Depending on the configuration of the engine, one or more TWC's can be used based on the number of exhaust manifolds. For example, a "V" configuration using two exhaust manifolds may use two TWC's, one for each exhaust manifold. Likewise, an "in-line" configuration that has a single exhaust manifold to channel exhaust from the engine into the exhaust aftertreatment system may use a TWC.
Unter erneuter Bezugnahme auf die
Ferner können Zylinder in Paaren gesteuert werden, um eine Erzeugung von Wasserstoff und NOx zu unterstützen, wobei ein Zylinder bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem ersten stöchiometrischen Bereich gesteuert wird, um NOx zu erzeugen, und der andere Zylinder bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem fetteren zweiten Bereich gesteuert wird, um Wasserstoff zu erzeugen, wie durch die beispielhaften Gleichungen 1, 2 und 3 beschrieben ist. Bei einem Beispiel kann in einer „V-Sechs“-Konfiguration, bei der drei Zylinder in einen einzigen TWC-Katalysator in einem Ammoniakerzeugungskatalysator speisen, ein Zylinder mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von stöchiometrisch zu fett betrieben werden, das optimiert ist, um eine gewünschte Menge an NOx zu erzeugen. Die verbleibenden beiden Zylinder können optimiert werden, um jeweils eine Hälfte der gewünschten Menge an Wasserstoff zu erzeugen, wobei jeder der verbleibenden beiden Zylinder bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, das fetter als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des einen Zylinders ist. Durch die Aufspaltung der Wasserstofferzeugungsanforderung zwischen zwei Zylindern wird es in Verbindung mit den
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