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.

DE 10 2009 054 046 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, das umfasst, dass der Motor auf ein bevorzugtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, um einen Abgaszustrom aus dem Motor mit einer bevorzugten Konzentration von Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen, der Stickoxid, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff über eine erste Katalysatorvorrichtung zu Ammoniak umgewandelt werden, und der Ammoniak an einer Ammoniak einsetzenden Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion gespeichert wird, die fluidtechnisch in Reihe unterstromig der ersten Katalysatorvorrichtung verbunden ist. DE 10 2009 054 046 A1 discloses a method of operating an internal combustion engine comprising controlling the engine to a preferred air/fuel ratio to produce an exhaust gas feedstream from the engine having a preferred concentration of nitrogen oxide, carbon monoxide and hydrogen, the nitrogen oxide, carbon monoxide and the hydrogen is converted to ammonia over a first catalyst device; and the ammonia is stored at an ammonia-using selective catalytic reduction device fluidly connected in series downstream of the first catalyst device.

Weiterer Stand der Technik ist in der DE 10 2008 037 156 A1 beschrieben.Further prior art is in DE 10 2008 037 156 A1 described.

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 claims 1 and 10. Advantageous developments of the invention are described in the dependent claims.

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:

  • 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.
One or more embodiments will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
  • 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.

1 ist eine schematische Darstellung, die einen Verbrennungsmotor 10 und ein Steuermodul 5 sowie ein Abgasnachbehandlungssystem 15 gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt. Der beispielhafte Motor umfasst einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der an einer Kurbelwelle 24 angebrachte Hubkolben 22 aufweist, die in den Zylindern 20 beweglich sind, die Brennräume 34 mit veränderlichem Volumen festlegen. Es ist bekannt, dass Motoren unter Kompressionszündung oder Fremdzündung arbeiten. Ferner ist bekannt, dass Verfahren entweder eine Zündstrategie in einem einzigen Motor verwenden, wobei sie die Strategie basierend auf Faktoren wie Motordrehzahl und -last abwandeln. Ferner ist bekannt, dass Motoren in Hybridstrategien arbeiten, beispielsweise Kompressionszündungsstrategien mit Zündhilfe. Diese Offenbarung soll diese beispielhaften Ausführungsformen eines Motorbetriebs einschließen, soll aber nicht darauf beschränkt sein. Die Kurbelwelle 24 ist an einem Fahrzeuggetriebe und Antriebssystem funktionell angebracht, um diesem als Reaktion auf eine Drehmomentforderung des Fahrers (TO_REQ) Zugdrehmoment zu liefern. Der Motor nutzt vorzugsweise einen Viertaktbetrieb, wobei jeder Motorverbrennungstakt 720 Grad Winkeldrehung der Kurbelwelle 24, unterteilt in vier Stufen zu 180 Grad von Ansaugen-Verdichten-Arbeiten-Auslassen umfasst, die die Hubbewegung des Kolbens 22 in dem Motorzylinder 20 beschreiben. Ein Messzahnrad 26 mit mehreren Zähnen ist an der Kurbelwelle angebracht und dreht mit dieser. Der Motor umfasst Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen von Motorbetrieb und Aktuatoren, die einen Motorbetrieb steuern. Die Erfassungsvorrichtungen und Aktuatoren sind mit dem Steuermodul 5 signalverbunden oder funktionell verbunden. 1 1 is a schematic diagram depicting an internal combustion engine 10 and control module 5 and exhaust aftertreatment system 15 according to the present disclosure. The exemplary engine includes a multi-cylinder direct injection internal combustion engine having reciprocating pistons 22 attached to a crankshaft 24 that are moveable within cylinders 20 that define variable volume combustion chambers 34 . Engines are known to operate under compression ignition or spark ignition. Furthermore, methods are known to either use an ignition strategy in a single engine, modifying the strategy based on factors such as engine speed and load. Engines are also known to operate in hybrid strategies, such as assisted ignition compression ignition strategies. This disclosure is intended to include, but not be limited to, these example embodiments of engine operation. The crankshaft 24 is operatively attached to a vehicle transmission and driveline system to provide traction torque thereto in response to a driver torque request (TO_REQ). The engine preferably utilizes four-stroke operation, with each engine combustion stroke comprising 720 degrees of angular rotation of the crankshaft 24 divided into four stages of 180 degrees of intake-compression-work-exhaust that describe the reciprocation of the piston 22 in the engine cylinder 20. A multi-tooth target wheel 26 is attached to and rotates with the crankshaft. The engine includes sensing devices for monitoring engine operation and actuators that control engine operation. The sensing devices and actuators are signal-connected or functionally connected to the control module 5 .

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 crankshaft angle encoder 44 for monitoring crankshaft speed (RPM) through sensing edges on the teeth of the multi-tooth target wheel 26 . The crankshaft sensor is known and can include a Hall sensor, an inductive sensor or a magnetoresistive sensor, for example. The signal output from the crankshaft angle sensor 44 (rpm) is input to the control module 5 . There is a combustion pressure sensor 30 comprising a pressure sensing device designed to monitor in-cylinder pressure (COMB_PR). Combustion pressure sensor 30 preferably comprises a non-intrusive device comprising a force transducer having an annular cross-section adapted to be installed at an opening for a glow plug 28 in the cylinder head. The combustion pressure sensor 30 is installed with the glow plug 28, with combustion pressure being mechanically transmitted to the sensor 30 through the glow plug. The output signal com_pr of the sensing element of the sensor 30 is proportional to the cylinder pressure. The sensing element of the sensor 30 comprises a piezoceramic or other device configurable as such. Other sensing devices preferably include a manifold pressure sensor for monitoring manifold pressure (MAP) and ambient barometric pressure (BARO), a mass air flow meter for monitoring intake air mass flow (MAF) and intake air temperature (T IN ), and a coolant sensor 35 (COOLANT). The system may include an exhaust gas sensor (not shown) for monitoring conditions of one or more exhaust gas parameters, eg, temperature, air/fuel ratio, and constituents. One of ordinary skill in the art understands that there may be other sensing devices and methods for control and diagnostic purposes. Driver input in the form of driver torque request TO_REQ may typically be obtained through an accelerator pedal and a brake pedal, among other devices. The engine is preferably equipped with other sensors (not shown) for monitoring operation and for system control purposes. Each of the sensing devices is signal connected to the control module 5 to provide signal information which is converted by the control module into information representative of the particular parameter being monitored. It is understood that this configuration is illustrative, not restrictive, implying that the various sensing devices are interchangeable with functionally equivalent devices and algorithms and still fall within the scope of the invention.

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 control module 5 in response to driver inputs to achieve various performance goals. Actuators include an electronically controlled throttle device that controls opening of a throttle valve to a commanded input (ETC), and a plurality of fuel injectors 12 for injecting fuel directly into each of the combustion chambers in response to a commanded input (INJ_PW), all in response to the Driver torque request (TO_REQ) are controlled. There is an exhaust gas recirculation valve 32 and a cooler (not shown) that controls the flow of externally recirculated exhaust gas to the engine intake in response to a control signal (EGR) from the control module. The glow plug 28 comprises a known device installed in each of the combustion chambers that is adapted for use with the combustion pressure sensor 30 .

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.Fuel injector 12 is a component of a fuel injection system that includes a plurality of high pressure fuel injectors, each configured to directly inject a fuel charge, comprising a mass of fuel, into one of the combustion chambers in response to the INJ_PW instruction signal from the control module. Each of the fuel injectors 12 is supplied with pressurized fuel from a fuel rail system (not shown) and has operational characteristics that include a minimum pulse width and associated controllable minimum and maximum fuel flow rates.

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 control module 5 is preferably a general purpose digital computer, generally comprising a microprocessor or main processor, storage media comprising non-volatile memory including read only memory (ROM) and electrically programmable read only memory (EPROM), random access memory (RAM), a high speed clock generator, a includes analog-to-digital (A/D) circuitry and digital-to-analog (D/A) circuitry, as well as input/output (I/O) circuitry and devices, and appropriate signal conditioning and buffering circuitry. The control module has a set of control algorithms, comprising resident program instructions and calibrations stored in non-volatile memory and executed to provide the appropriate functions for each computer. The algorithms may be executed during predetermined iterations of the loop such that each algorithm is executed at least once per iteration of the loop. Algorithms are executed by the central processing unit and are used to monitor inputs from the aforementioned sensing devices and execute control and diagnostic routines to control the operation of the actuators using predetermined calibrations. Loop cycles are typically performed at regular intervals, for example each 3.125, 6.25, 12.5, 25 and 100 milliseconds during ongoing engine and vehicle operation. Alternatively, algorithms can be executed in response to an event occurring.

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 control module 5 executes algorithmic code stored therein to control the aforementioned actuators to control engine operation, including throttle position, fuel injection mass and timing, EGR valve position to control the flow of recirculated exhaust gases, glow plug operation, and control of intake and/or or to control exhaust valve timing, phasing and lift on systems so equipped. The control module is configured to receive input signals from the driver (e.g., an accelerator pedal position and a brake pedal position) to determine the driver torque request TO_REQ and from sensors indicative of engine speed (RPM) and intake air temperature (T IN ), as well as coolant temperature and other ambient conditions. to recieve.

1 beschreibt einen beispielhaften Benzinmotor. Es versteht sich aber, dass NOx-Behandlungs- und Nachbehandlungssysteme bei anderen Motorkonfigurationen, einschließlich Dieselmotoren, verwendet werden, und die Offenbarung soll nicht auf die hierin beschriebene spezifische beispielhafte Motorausführungsform beschränkt sein. 1 describes an exemplary gasoline engine. However, it is understood that NOx treatment and aftertreatment systems are used in other engine configurations, including diesel engines, and the disclosure is not intended to be limited to the specific example engine embodiment described herein.

2 veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes Nachbehandlungssystem, das eine Harnstoffdosierkonfiguration umfasst, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Nachbehandlungssystem 200 umfasst ein Steuermodul 205, einen DOC 210, eine SCR 220, einen stromaufwärts befindlichen NOx-Sensor 230, einen stromabwärts befindlichen NOx-Sensor 240, einen Temperatursensor 250 und ein Harnstoffdosiermodul 260. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, übernimmt ein DOC 210 eine Reihe von katalytischen Funktionen, die für eine Nachbehandlung eines Abgasstroms erforderlich sind. Eine der Funktionen des DOC 210 ist das Umwandeln von NO, einer NOx-Form, die in einer SCR nicht einfach zu behandeln ist, zu NO2, einer NOx-Form, die in einer SCR leicht zu behandeln ist. Die SCR 220 nutzt Harnstoff als Reaktant, um NOx zu anderen Molekülen zu reduzieren. Der stromaufwärts befindliche NOx-Sensor 230 detektiert und quantifiziert NOx in dem Abgasstrom, der in das Nachbehandlungssystem 200 strömt. Während der stromaufwärts befindliche NOx-Sensor 230 als beispielhaftes Mittel zum Quantifizieren von NOx, das in das Nachbehandlungssystem strömt, veranschaulicht ist, ist anzumerken, dass in das System eindringendes NOx zur Verwendung bei der Beurteilung des Umwandlungswirkungsgrads in einer SCR durch andere Mittel quantifiziert werden kann, zum Beispiel durch einen zwischen dem DOC 210 und der SCR 220 angeordneten NOx-Sensor oder durch einen virtuellen NOx-Sensor, der Motorleistung und Bedingungen in dem Abgasstrom modelliert, um das Vorhandensein eines in das Nachbehandlungssystem eindringenden NOx zu schätzen. Diese Offenbarung erläutert eine Sensoreingabe, die in das Nachbehandlungssystem eindringendes NOx beschreibt, gemäß der beispielhaften Ausführungsform, doch versteht sich, dass abhängig von einer stromaufwärts befindlichen Anordnung des Sensors die Eingabe den NOx-Gehalt beschreiben könnte, der in einen Teil des Nachbehandlungssystems eindringt. Die SCR 220 nutzt Ammoniak, das zum Beispiel aus eingespritztem Harnstoff gewonnen wird, um NOx durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren in andere Moleküle umzuwandeln. Es ist ein Temperatursensor 250 abgebildet, der in einem Bereich positioniert ist, um Abgasstromtemperaturen in dem Nachbehandlungssystem 200 zu erfassen. Ein Harnstoffdosiermodul 260 ist an einer Position stromaufwärts der SCR 220 abgebildet. Der Harnstoff kann direkt in den Abgasstrom, der in die SCR eindringt, eingespritzt werden. Es ist aber ein bevorzugtes Verfahren dargestellt, das eine Mischervorrichtung 270 nutzt. Das Harnstoffdosiermodul 260 spritzt Harnstoff auf die Mischervorrichtung 270, und dann wird der Harnstoff durch den Abgasstrom in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung auf die Katalysatorflächen auf dem Inneren der SCR 220 befördert. Der stromabwärts befindliche NOx-Sensor 240 detektiert und quantifiziert NOx in dem Abgasstrom, der aus dem Nachbehandlungssystem 200 austritt. Das Steuermodul 205 umfasst eine Programmierung, die zum Verarbeiten von Eingaben in Verbindung mit dem Nachbehandlungssystem erforderlich sind, und kann eine Programmierung umfassen, um die hierin beschriebenen Verfahren zu verwenden. 2 schematically illustrates an exemplary aftertreatment system including a urea dosing configuration, in accordance with the present disclosure. The aftertreatment system 200 includes a control module 205, a DOC 210, an SCR 220, an upstream NOx sensor 230, a downstream NOx sensor 240, a temperature sensor 250, and a urea dosing module 260. As is known in the art, takes over a DOC 210 a set of catalytic functions required for aftertreatment of an exhaust stream. One of the functions of the DOC 210 is to convert NO, a form of NOx that is not easily treated in an SCR, to NO 2 , a form of NOx that is easily treated in an SCR. The SCR 220 uses urea as a reactant to reduce NOx to other molecules. The upstream NOx sensor 230 detects and quantifies NOx in the exhaust stream entering the aftertreatment system 200 . While the upstream NOx sensor 230 is illustrated as an exemplary means of quantifying NOx flowing into the aftertreatment system, it should be noted that NOx entering the system may be quantified by other means for use in evaluating conversion efficiency in an SCR , for example by a NOx sensor placed between the DOC 210 and the SCR 220 or by a virtual NOx sensor that models engine performance and conditions in the exhaust stream to estimate the presence of NOx entering the aftertreatment system. This disclosure discusses a sensor input describing NOx entering the aftertreatment system according to the exemplary embodiment, but it should be understood that depending on an upstream placement of the sensor, the input could describe the NOx level entering a portion of the aftertreatment system. The SCR 220 uses ammonia, derived from, for example, injected urea, to convert NOx into other molecules by methods known in the art. A temperature sensor 250 is shown positioned in an area positio is ned to detect exhaust stream temperatures in the aftertreatment system 200 . A urea dosing module 260 is depicted at a location upstream of the SCR 220 . The urea can be injected directly into the exhaust stream entering the SCR. However, a preferred method utilizing a mixer device 270 is illustrated. The urea dosing module 260 injects urea onto the mixer device 270 and then the urea is carried by the exhaust flow in a substantially even distribution onto the catalyst surfaces on the interior of the SCR 220 . The downstream NOx sensor 240 detects and quantifies NOx in the exhaust stream exiting the aftertreatment system 200 . The control module 205 includes programming required to process inputs associated with the aftertreatment system and may include programming to use the methods described herein.

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. NO+CO+1,5 H2->NH3+CO2 [1] Ammonia may be generated in a catalyst device, such as a TWC device. Such ammonia (NH 3 ) generation results from an exemplary conversion process described by the following equation. NO+CO+ 1.5H2 -> NH3 + CO2 [1]

Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass diese Umwandlung erfordert, dass molekularer Sauerstoff von dem Katalysator abgebaut wird, bevor NO mit dem molekularen Wasserstoff reagiert. Überschüssiger Sauerstoff ist häufig vorhanden, wenn der Verbrennungsmotor in mageren Betriebsmodi betrieben wird, wobei das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis (AFR) überstöchiometrisch oder mit Luftüberschuss betrieben wird. Dadurch erfordert das Verwenden eines wählbaren Ammoniakerzeugungszyklus die Steuerung 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.

3 veranschaulicht graphisch einen beispielhaften Betrieb eines Motors und die sich ergebende Entstehung einer Anzahl von chemischen Verbindungen in einem Ammoniak umfassenden Abgasstrom über verschiedene Luft/ Kraftstoff-Verhältnisse während eines Verbrennungstaktes mit einer einzigen Einspritzung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die beispielhaften Testergebnisse stellen den Betrieb eines Motors an einem Leistungsprüfstand dar, der fremdgezündete Magerverbrennung mit Direkteinspritzung nutzt und der bei einer Drehzahl von 2000 U/ min und einer Last von 2 bar läuft. Wie vorstehend beschrieben ändert das Ändern des AFR die chemische Zusammensetzung des Abgasstroms. Es ist bekannt, dass ein stöchiometrischer Betrieb in Benzinmotoren bei einem AFR von etwa 14,7 zu eins auftritt. AFR-Werte von mehr als 14,7 beschreiben einen mageren Betrieb oder einen Betrieb mit Luftüberschuss. AFR-Werte von unter 14,7 beschreiben einen fetten Betrieb oder einen Betrieb mit Kraftstoffüberschuss. In dem beispielhaften Datensatz von 3 ist gezeigt, dass aus dem Motor austretendes NOx mit abnehmendem AFR abnimmt, und es ist gezeigt, dass aus dem Motor austretendes H2 mit abnehmendem AFR zunimmt. Es wird gezeigt, dass das sich ergebende Vorliegen von aus dem TWC austretendem NH3 zunächst zunimmt, bei einem beispielhaften Wert von etwa 14,2 einen Spitzenwert erreicht und anschließend mit abnehmendem AFR abnimmt. Dadurch kann in der beispielhaften Konfiguration, die den bestimmten Katalysator umfasst, der beim Generieren des in 3 dargestellten Datensatzes genutzt wird, ein Ammoniakerzeugungzyklus am besten bei einem AFR gleich 14,2 betrieben werden. Wie aber vorstehend beschrieben können andere Konfigurationen und insbesondere andere Katalysatoren das Verhältnis von Wasserstoff und NOx ändern, um eine Ammoniakerzeugung am besten zu fördern. Dadurch kann das gewählte AFR von dem in dem vorstehenden Beispiel gegebenen Wert von 14,2 abweichen. 3 1 graphically illustrates exemplary operation of an engine and the resulting formation of a number of chemical compounds in an exhaust stream comprising ammonia over various air/fuel ratios during a single injection combustion cycle, in accordance with the present disclosure. The exemplary test results represent the operation of an engine on a dynamometer using lean-burn spark-ignition with direct injection and running at a speed of 2000 rpm and a load of 2 bar. As described above, changing the AFR changes the chemical composition of the exhaust stream. It is known that stoichiometric operation in gasoline engines occurs at an AFR of about 14.7 to one. AFR values greater than 14.7 describe lean operation or excess air operation. AFR values below 14.7 describe rich or excess fuel operation. In the example dataset from 3 engine out NOx is shown to decrease with decreasing AFR, and engine out H 2 is shown to increase with decreasing AFR. The resulting presence of NH 3 exiting the TWC is shown to first increase, peak at an exemplary value of about 14.2, and then decrease with decreasing AFR. As a result, in the exemplary configuration that includes the particular catalyst used in generating the in 3 Using the data set shown, an ammonia production cycle is best operated at an AFR equal to 14.2. However, as described above, other configurations, and particularly other catalysts, may change the ratio of hydrogen and NOx to best promote ammonia production. This allows the selected AFR to deviate from the value of 14.2 given in the example above.

4 veranschaulicht graphisch ein weiteres Beispiel eines Betriebs eines Motors und der sich ergebenden Entstehung einer Anzahl von chemischen Verbindungen in einem Ammoniak umfassenden Abgasstrom über verschiedene Luft/ Kraftstoff-Verhältnisse während eines Verbrennungstaktes mit einer einzigen Einspritzung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die beispielhaften Testergebnisse stellen den Betrieb eines Motors an einem Leistungsprüfstand dar, der fremdgezündete Magerverbrennung mit Direkteinspritzung nutzt und der bei einer Drehzahl von 1500 U/ min und einer Last von 1 bar läuft. Wie vorstehend in Verbindung mit 3 beschrieben stellt 4 eine Ammoniakerzeugung über einen Bereich von AFR-Werten dar. Die Ammoniakerzeugung erreicht bei einem bestimmten AFR-Wert wieder einen Spitzenwert und wird zum Teil durch Vorhandensein von molekularem Wasserstoff und NOx gesteuert. In den beispielhaften Testergebnissen von 4 tritt der Spitzenwert der Ammoniakerzeugung bei einem AFR-Wert von etwa 14,2 auf. Dieser Wert ist wie vorstehend beschrieben von den Eigenschaften des genutzten Katalysators abhängig. 4 12 graphically illustrates another example of operation of an engine and the resulting formation of a number of chemical compounds in an exhaust stream comprising ammonia over various air/fuel ratios during a single injection combustion cycle, in accordance with the present disclosure. The exemplary test results represent the operation of an engine on a dynamometer using lean-burn spark-ignition with direct injection and running at a speed of 1500 rpm and a load of 1 bar. As above in connection with 3 described 4 represents ammonia production over a range of AFR values. Ammonia production again peaks at a certain AFR value and is controlled in part by the presence of molecular hydrogen and NOx. In the sample test results from 4 peak ammonia production occurs at an AFR of about 14.2. As described above, this value depends on the properties of the catalyst used.

5 - 8 veranschaulichen graphisch Testergebnisse unter Nutzung einer einzelnen Einspritzung, um Ammoniak zu bilden, und stellen Reaktanden dar, die zu einem ersten chemischen Reaktor eingeleitet werden, der einen ersten TWC-Brick und einen zweiten TWC-Brick umfasst, die ausgelegt sind, um TWC-Vorrichtungen in einem Fahrzeugabgasstrom zu simulieren. 5 zeigt eine Tabelle von Probenreaktionsgemischen gemäß der vorliegenden Offenbarung, die in den ersten chemischen Reaktor eingeleitet wurden. Jedes Probenreaktionsgemisch umfasst Werte von Bestandteilgasen, die basierend auf Motormodellen ermittelt werden, die Abgaszusammensetzungen bei ausgewählten Luft/ Kraftstoff-Verhältnissen des Motors simulieren. Das ideale durchschnittliche Verhältnis (‚Ideales durchschnittliches A/ F‘) ist das angestrebte Luft/ Kraftstoff-Verhältnis des Motors, das Abgaszusammensetzungen erzeugen würde, die mit den auf den Motormodellen beruhenden Probenreaktionsgemischen korrelieren. Das berechnete durchschnittliche Luft/ Kraftstoff-Verhältnis (‚Berechnetes durchschnittliches A/ F‘) ist das erreichte modellierte Luft/ Kraftstoff-Verhältnis basierend auf den tatsächlichen Reaktandenmessungen. Das berechnete durchschnittliche Lambda (‚Berechnetes durchschnittliches Lambda‘) ist der Lambda-Wert für das berechnete durchschnittliche Luft/ Kraftstoff-Verhältnis. Die Mengen an Sauerstoff (‚% O2‘), Kohlenmonoxid (‚% CO‘), Wasserstoff (‚% H2‘), Kohlendioxid (‚% CO2‘), Wasser (‚% H2O‘) Kohlenwasserstoffen (‚ppm HC‘) und Stickoxid (‚% NO‘), die in jedem Probenreaktionsgemisch enthalten sind, wurden gemessen. Weiterhin umfasst jedes Probenreaktionsgemisch einen Schwefeldioxidwert (‚SO2‘) von 2,7 ppm. 5 - 8th graphically illustrate test results utilizing a single injection to form ammonia and depict reactants introduced to a first chemical reactor comprising a first TWC brick and a second TWC brick configured to form TWC devices to simulate in a vehicle exhaust stream. 5 Figure 12 shows a table of sample reaction mixtures introduced into the first chemical reactor according to the present disclosure. Each sample reaction mixture includes values of constituent gases determined based on engine models simulating exhaust gas compositions at selected engine air/fuel ratios. The ideal average ratio ('Ideal Average A/F') is the target engine air/fuel ratio that would produce exhaust gas compositions that correlate with the sample reaction mixtures based on the engine models. The calculated average air/fuel ratio ('Calculated Average A/F') is the modeled air/fuel ratio achieved based on the actual reactant measurements. Calculated Average Lambda ('Calculated Average Lambda') is the lambda value for the calculated average air/fuel ratio. The amounts of oxygen ('% O 2 '), carbon monoxide ('% CO'), hydrogen ('% H 2 '), carbon dioxide ('% CO 2 '), water ('% H 2 O') hydrocarbons (' ppm HC') and nitrogen oxide ('%NO') contained in each contained in the sample reaction mixture were measured. Furthermore, each sample reaction mixture includes a sulfur dioxide ('SO 2 ') value of 2.7 ppm.

6 stellt graphisch Ammoniakerzeugungswerte über einen Bereich von Luft/ Kraftstoff-Verhältnissen und Reaktionstemperaturen gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Der Graph stellt Ammoniakwerte (‚NH3 (ppm)‘) dar, die durch den ersten chemischen Reaktor bei angestrebten Luft/ Kraftstoff-Verhältnissen (‚A/ F-Verhältnis (+/ - 0,25 A/ F‘)) und bei Reaktionstemperaturen von 300°C, 400°C, 500°C und 600°C erzeugt werden. Bei jeder Reaktionstemperatur wurden die höchsten Ammoniakwerte bei dem angestrebten Luft/ Kraftstoff-Verhältnis von 14,2 erzeugt und sinkt im Allgemeinen, wenn das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis zunimmt. Weiterhin sinken Ammoniakwerte mit steigender Reaktionstemperatur von 300°C bis 600°C bei dem angestrebten Luft/ Kraftstoff-Verhältnis von 14,2. 6 FIG. 12 graphically depicts ammonia production levels over a range of air/fuel ratios and reaction temperatures, in accordance with the present disclosure. The graph depicts ammonia levels ('NH 3 (ppm)') produced by the first chemical reactor at target air/fuel ratios (' A/F ratio (+/- 0.25 A/F')) and at reaction temperatures of 300°C, 400°C, 500°C and 600°C. At each reaction temperature, the highest levels of ammonia were produced at the target air/fuel ratio of 14.2 and generally decreases as the air/fuel ratio increases. Furthermore, ammonia values decrease with increasing reaction temperature from 300°C to 600°C at the desired air/fuel ratio of 14.2.

7 stellt graphisch Ammoniakwerte (‚NH3 (ppm)‘), die durch den ersten chemischen Reaktor unter Nutzung eines Standardreaktionsgemisches (STD = m. H2O, m. H2, m. HC, m. CO m. O2) und eines abgewandelten Reaktionsgemisches erzeugt wurden, gegen Temperatur (‚Temperatur °C‘) gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Das Standardreaktionsgemisch umfasst Wasser, Wasserstoff, Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Sauerstoff in den Mengen, die für das Probenreaktionsgemisch mit einem angestrebten Luft/ Kraftstoff-Verhältnis von 14, 2 in der Tabelle von 5 aufgeführt sind, dar. Die abgewandelten Reaktionsgemische enthalten ein Probenreaktionsgemisch, das Bestandteilmengen des Standardreaktionsgemisches, doch ohne Wasser (‚o. H2O‘) umfasst, ein Probenreaktionsgemisch, das Bestandteilmengen des Standardreaktionsgemisches umfasst, doch mit erhöhten Werten von Kohlenmonoxid anstelle von Wasserstoff (‚o. H2 (CO anpassen)‘), und ein Probenreaktionsgemisch, das Bestandteilmengen des Standardgemisches umfasst, doch mit erhöhten Werten von Sauerstoff anstelle von Wasserstoff ((‚o. H2 (O2 anpassen)‘). 7 graphically depicts ammonia ('NH 3 (ppm)') levels produced by the first chemical reactor using a standard reaction mixture (STD = m.H 2 O, m.H 2 , m.HC, m.CO m.O 2 ) and of a modified reaction mixture versus temperature ('Temperature °C') in accordance with the present disclosure 14, 2 in the table of 5 The modified reaction mixtures contain a sample reaction mixture comprising constituent amounts of the standard reaction mixture but without water ('o. H 2 O'), a sample reaction mixture comprising constituent amounts of the standard reaction mixture but with elevated levels of carbon monoxide in place of hydrogen ( 'o. H 2 (CO adjust)'), and a sample reaction mixture comprising constituent amounts of the standard mixture but with increased levels of oxygen instead of hydrogen (('o. H 2 (O 2 adjust)').

8 stellt graphisch Ammoniakwerte (‚NH3 (ppm)‘), die durch den ersten chemischen Reaktor unter Nutzung des Standardreaktionsgemisches (‚STD = m. H2O, m. H2, m. HC, m. CO m. O2‘) und eines abgewandelten Reaktionsgemisches erzeugt wurden, gegen Temperatur (‚Temperatur C‘) gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Das Standardreaktionsgemisch umfasst Wasser, Wasserstoff, Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Sauerstoff in den Mengen, die für das Probenreaktionsgemisch mit einem angestrebten Luft/ Kraftstoff-Verhältnis von 14, 2 in der Tabelle von 5 aufgeführt sind, dar. Die abgewandelten Reaktionsgemische enthalten ein Probenreaktionsgemisch, das Bestandteilmengen des Standardreaktionsgemisches, doch mit Sauerstoff anstelle einer Hälfte der Menge von Kohlenwasserstoff (‚m. ½ HC (O2 anpassen)‘) umfasst. 8 stellt weiterhin Ammoniak dar, das durch einen zweiten chemischen Reaktor unter Nutzung des Standardreaktionsgemisches (‚nur 1. Brick‘) erzeugt wurde, wobei der zweite Reaktor nur einen ersten TWC-Brick ohne zusätzliche TWC-Bricks umfasst. 8th graphically represents ammonia values ('NH 3 (ppm)') produced by the first chemical reactor using the standard reaction mixture ('STD = m.H 2 O, m.H 2 , m.HC, m.CO m.O 2 ' ) and a modified reaction mixture versus temperature ('Temperature C') according to the present disclosure. The standard reaction mixture comprises water, hydrogen, hydrocarbon, carbon monoxide and oxygen in the amounts required for the sample reaction mixture with a target air/fuel ratio of 14, 2 in the table of 5 The modified reaction mixtures contain a sample reaction mixture comprising component amounts of the standard reaction mixture, but with oxygen in place of one-half the amount of hydrocarbon ('m. ½ HC (adjust O 2 )'). 8th Figure 12 further represents ammonia produced by a second chemical reactor utilizing the default reaction mixture ('1st Brick Only'), where the second reactor comprises only a first TWC Brick with no additional TWC Bricks.

Sowohl Wasserstofferzeugung als auch NOx-Erzeugung in einem Verbrennungstakt mit Einzeleinspritzung können auf unterschiedliche Weise moduliert werden. 9 veranschaulicht graphisch vier unterschiedliche beispielhafte Motorsteuerstrategien und sich ergebende Motoremissionen unter einer festen Reihe von Betriebsbedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung. Alle Tests wurden in einer Einzelmotorkonfiguration durchgeführt, die bei 1000 U/ min und Motorlast von 3 bar arbeitet. Eine erste Motorsteuerstrategie, die als Grundlinien-Datensatz festgelegt ist, umfasst einen Betrieb mit einer Standardventilstrategie (95/ -95 (IMOP/ EMOP)), 31% AGR und einem AFR von 22:1. Eine zweite Motorsteuerstrategie, die als Datensatz mit hoher Ventilüberlappung (HVO, kurz vom engl. High Valve Overlap) festgelegt ist, umfasst einen Betrieb mit einer abgewandelten Ventilstrategie (95/ -80 (IMOP/ EMOP)), die einen Zeitraum umfasst, in dem sowohl ein Einlassventil als auch ein Auslassventil offen sind, ein Zustand, der aus dem Stand der Technik als innere AGR bekannt ist, und ein AFR von 14:1. Beispielhafte Strategien mit hoher Ventilüberlappung umfassen ein im Wesentlichen symmetrisches Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventil um einen Kurbelwinkel am oberen Totpunkt. Eine dritte Motorsteuerstrategie, die als Datensatz mit spätem Einlassventilschließen (LIVC, kurz vom engl. Late Intake Valve Close) festgelegt ist, umfasst einen Betrieb mit einer abgewandelten Ventilstrategie (140/ -80 (IMOP/ EMOP)), die das Offenhalten eines Einlassventils über längere Dauer als bei der Standardventilstrategie und ein AFR von 14:1 umfasst. Eine vierte Motorsteuerstrategie, die als 14:1 m. AGR festgelegt ist, umfasst einen Betrieb mit einer Standardventilstrategie (95/ -95 (IMOP/ EMOP)), 24% AGR und einem AFR von 14:1. Wie in den Daten offensichtlich ist, kann eine Anpassung des AFR und anderer Betriebsbedingungen molekularen Wasserstoff auf hohe Werte über Werte anheben, die in dem Grundlinien-Datensatz vorhanden sind. Zudem umfassen eine Anpassung der Ventilstrategien und AGR-Raten eine Wirkung auf NOx-Werte. Wie aber in den Datensätzen und bei Prüfung von 3 und 4 offensichtlich ist, umfasst eine erhöhte Wasserstofferzeugung durch Einzeleinspritzung bei niedrigeren AFR-Werten eine Beschränkung der NOx-Erzeugung, und NO-Werte können nicht bei den Werten vorliegen, die erforderlich sind, um die in Gleichung 1 beschriebene Reaktion zu unterstützen.Both hydrogen production and NOx production in a single injection combustion cycle can be modulated in different ways. 9 1 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. All tests were conducted in a single engine configuration operating at 1000 rpm and an engine load of 3 bar. A first engine control strategy, established as a baseline data set, includes operation with a standard valve strategy (95/-95 (IMOP/EMOP)), 31% EGR, and an AFR of 22:1. A second engine control strategy, defined as a high valve overlap (HVO) data set, includes operation with a modified valve strategy (95/-80 (IMOP/ EMOP)) that includes a period in which both an intake valve and an exhaust valve are open, a condition known in the art as internal EGR, and an AFR of 14:1. Exemplary high valve overlap strategies include substantially symmetric opening and closing of intake and exhaust valves about a top dead center crank angle. A third engine control strategy, defined as a Late Intake Valve Close (LIVC) dataset, includes operation with a modified valve strategy (140/-80 (IMOP/ EMOP)) that involves holding an intake valve open over longer duration than the standard valve strategy and an AFR of 14:1. A fourth engine control strategy, specified as 14:1 m.EGR, involves operation with a standard valve strategy (95/-95 (IMOP/EMOP)), 24% EGR and an AFR of 14:1. As is evident in the data, adjustment of AFR and other operating conditions can raise molecular hydrogen to high levels above levels present in the baseline data set. In addition, adjustments to valve strategies and EGR rates have an effect on NOx levels. But as in the data sets and when examining 3 and 4 As is evident, increased hydrogen production from single injection at lower AFR levels involves a limitation in NOx production, and NO levels may not be at the levels required to support the reaction described in Equation 1.

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 3 und 4 beschrieben ist, können Wasserstoff und NOx beide in einem Verbrennungstakt erzeugt werden, und eine Manipulation von Verbrennungseigenschaften, wie ein AFR, kann beeinflussen, wie viel von jeder Substanz erzeugt wird. Jedoch besitzt die Verwendung eines AFR als eine Steuerung innerhalb eines einzelnen Verbrennungsereignisses eine beschränkte Fähigkeit, diese Substanzen zu erzeugen, da hohe AFR-Werte eine NOx-Produktion erhöhen und geringe AFR-Werte eine Erzeugung von molekularem Wasserstoff erhöhen. Es ist ein Verfahren offenbart, um molekularen Wasserstoff und NOx zur Verwendung bei der Ammoniakerzeugung durch diskrete Steuerung einer Mehrzahl von Zylindern zu erzeugen, wobei das AFR in zumindest einem Zylinder moduliert wird, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen, und das AFR in zumindest einem Zylinder moduliert wird, um NOx zu erzeugen. Durch Steuerung des Betriebs auf einer Basis von Zylinder zu Zylinder können Kraftstoffeinbußen in Verbindung damit, dass alle Zylinder zu einer fetten Einstellung des AFR getrieben werden, vermieden werden.As described above, an exhaust flow comprising a mixture of molecular hydrogen and NOx may be used to generate ammonia through an ammonia generation catalyst. As above in connection with the 3 and 4 patent, hydrogen and NOx can both be produced in one combustion stroke, and manipulation of combustion properties, such as AFR, can affect how much of each substance is produced. However, using AFR as a control within a single combustion event has a limited ability to produce these substances since high AFR values increase NOx production and low AFR values increase molecular hydrogen production. A method is disclosed for producing molecular hydrogen and NOx for use in ammonia production by discretely controlling a plurality of cylinders, modulating AFR in at least one cylinder to produce molecular hydrogen and modulating AFR in at least one cylinder is used to generate NOx. By controlling operation on a cylinder-by-cylinder basis, fuel penalties associated with driving all cylinders to a rich AFR setting may be avoided.

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 3 und 4 zu erkennen, dass die Zylinder mit einem weniger fetten AFR betrieben werden können, als dies bei einem einzelnen Zylinder der Fall ist, um die erforderliche Menge an Wasserstoff zu erzeugen. Auf diese Weise können die Substanzproduktionsanforderungen unter Zylindern aufgeteilt werden, um selektiv verschiedene Abschnitte der Zylinder anzuweisen. Bei der Alternative kann ein Paar von Zylindern verwendet werden, um jeweils ein erforderliches Verhältnis von einer der Substanzen zu erzeugen, und ein dritter Zylinder kann selektiv gemäß dem Verfahren der 3 und 4 abgestimmt werden, um zusätzliche Mengen von sowohl Wasserstoff als auch NOx zu erzeugen. Ähnlicherweise kann ein Block, der vier oder sechs Zylinder umfasst, die in einen einzelnen Katalysator speisen, die erforderliche Produktion von Substanzen in eine Anzahl von Konfigurationen aufteilen. Es sei zusätzlich angemerkt, dass die Zylinder, die mit einem höheren AFR laufen, und die Zylinder, die mit einem geringeren AFR laufen, bevorzugt so gewählt sind, um eine resultierende Arbeitserzeugung in der Maschine in Ausgleich zu bringen. Es sei auch angemerkt, dass die Zylinder, die mit einem höheren AFR laufen, und die Zylinder, die mit einem geringeren AFR laufen, nicht statisch sein müssen, und Zylinder, die mit einem bestimmten AFR laufen, von Verbrennungstakt zu Verbrennungstakt wechseln können, solange die gewünschte Mischung von Substanzen, die in dem Abgasstrom erzeugt wird, beibehalten wird. Die Auswahl des Betriebs von Zylinder zu Zylinder und die Einspritzpläne, die verwendet werden, um die erforderlichen Substanzen zu erzeugen, können experimentell, empirisch, vorhersagen, durch Modellieren oder durch andere Techniken entwickelt werden, die angemessen sind, um einen Motorbetrieb und eine resultierende Zusammensetzung der Abgasströmung genau vorherzusagen, und es können mehrere Einspritzpläne von demselben Motor für verschiedene Motoreinstellungen, -bedingungen oder -betriebsbereiche verwendet werden.Cylinders modulated to help produce hydrogen and NOx can be operated in pairs, with one cylinder modulated to produce the required hydrogen and the other cylinder modulated to produce the required NOx, such as is described by example Equation 1. Additional cylinders in the same bank as the pair can be operated in a substance-neutral configuration that does not interfere with the resulting mixture of substances in the exhaust flow. Alternatively, the additional cylinder or cylinders can be selectively deactivated while the pair is producing the necessary substances for ammonia production. As described above, higher load conditions may support increased hydrogen and NOx production. Deactivation of one or more cylinders results in a greater load on the remaining cylinders, aiding in the production of hydrogen and NOx. Alternatively, a plurality of cylinders feeding into the same catalyst can be used together to produce the substances required to produce ammonia. For example, in a V-six cylinder configuration where three cylinders feed into a single TWC catalyst with an ammonia generation catalyst, one cylinder may be operated with lean of stoichiometry AFR optimized to produce a desired amount of NOx. The remaining two cylinders can each be optimized to produce each half of the targeted amount of hydrogen. By sharing the hydrogen production requirement between two cylinders is in combination with the 3 and 4 to recognize that the cylinders can be operated with a less rich AFR than is the case with a single cylinder in order to achieve the required amount of Was to produce hydrogen. In this way, substance production requirements can be divided among cylinders to selectively direct different portions of the cylinders. In the alternative, a pair of cylinders can be used, each producing a required ratio of one of the substances, and a third cylinder can be selectively added according to the method of FIG 3 and 4 be tuned to produce additional amounts of both hydrogen and NOx. Similarly, a block comprising four or six cylinders feeding into a single catalyst can split the required production of substances into a number of configurations. It is additionally noted that the cylinders running at a higher AFR and the cylinders running at a lower AFR are preferably chosen to balance a resultant work production in the engine. It should also be noted that the cylinders running at a higher AFR and the cylinders running at a lower AFR do not have to be static, and cylinders running at a given AFR can cycle from combustion cycle to combustion cycle, so long the desired mixture of substances generated in the exhaust stream is maintained. The selection of cylinder-to-cylinder operation and injection schedules used to generate the required substances may be developed experimentally, empirically, predictively, by modeling, or by other techniques appropriate to engine operation and resulting composition of exhaust gas flow, and multiple injection schedules from the same engine can be used for different engine settings, conditions, or operating ranges.

Eine bestimmte Ausführungsform zur Verwendung der oben beschriebenen Verfahren ist schematisch in 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Antriebsstrang 600 umfasst einen Motor 610, ein Nachbehandlungssystem 620 und eine AGR-Schleife 640. Ein Drosselventil 615 ist so angeordnet, dass es eine Strömung von Ansaugluft in den Motor 610 steuert. Der Motor 610 steuert Abgasströmungspfade 622, 624, 626 und 628. Das Nachbehandlungssystem 620 umfasst einen Ammoniakerzeugungskatalysator 630, der durch Abgasströmungspfade 622 und 624 gespeist wird, einen Ammoniakerzeugungskatalysator 632, der durch Abgasströmungspfade 626 und 628 gespeist wird, und eine SCR-Vorrichtung 634. Diese bestimmte Ausführungsform umfasst eine AGR-Schleife 640, die ein AGR-Ventil 645 aufweist, das eine Abgasströmung selektiv von dem Nachbehandlungssystem 620 zu dem Einlass des Motors 610 führt. Gemäß den hier beschriebenen Verfahren können die Abgasströmungspfade 622 und 624, die durch ein Paar von Zylindern gespeist werden, die in einen einzelnen Katalysator speisen, durch Modulieren des AFR in den zugeordneten Zylindern in dem Motor 610 so moduliert werden, dass Wasserstoff und NOx in verschiedenen Niveaus enthalten ist. Ähnlicherweise werden Abgasströmungspfade 626 und 628 durch ein ähnliches Paar von Zylindern gespeist. Durch Modulieren von AFR-Werten mit den verschiedenen Zylindern des Motors 610 können erhöhte Niveaus von Wasserstoff und NOx erzeugt und an die Katalysatoren 630 und 632 geliefert werden. Bei der bestimmten Ausführungsform von 10 sind die Abgasströmungspfade 622 und 628 gezeigt, wobei die zugeordneten Zylinder mit einem stöchiometrischen AFR betrieben werden, wodurch erhöhte Niveaus von NOx erzeugt werden. Es sind auch Abgasströmungspfade 624 und 626 gezeigt, wobei die zugeordneten Zylinder mit einem fetten AFR (Lambda gleich 0,90 bis 0,95) betrieben werden, wodurch erhöhte Niveaus an Wasserstoff erzeugt werden. Durch Modulation eines Betriebs der Zylinderpaare kann der Antriebsstrang von 10 Wasserstoff und NOx erzeugen, wodurch eine Erzeugung von Ammoniak gemäß den hier beschriebenen Verfahren ermöglicht wird.A specific embodiment for using the methods described above is shown schematically in 10 shown in accordance with the present disclosure. The powertrain 600 includes an engine 610 , an aftertreatment system 620 , and an EGR loop 640 . Engine 610 controls exhaust gas flow paths 622, 624, 626 and 628. Aftertreatment system 620 includes an ammonia production catalyst 630 fed through exhaust gas flow paths 622 and 624, an ammonia production catalyst 632 fed through exhaust gas flow paths 626 and 628, and an SCR device 634. This particular embodiment includes an EGR loop 640 having an EGR valve 645 that selectively directs exhaust flow from the aftertreatment system 620 to the intake of the engine 610 . According to the methods described herein, the exhaust flowpaths 622 and 624 fed by a pair of cylinders feeding into a single catalyst can be modulated by modulating the AFR in the associated cylinders in the engine 610 to have hydrogen and NOx in different levels is included. Similarly, exhaust gas flow paths 626 and 628 are fed through a similar pair of cylinders. By modulating AFR values with the various cylinders of engine 610, increased levels of hydrogen and NOx can be generated and delivered to catalysts 630 and 632. In the particular embodiment of 10 1, exhaust gas flow paths 622 and 628 are shown with the associated cylinders being operated at stoichiometric AFR, thereby producing increased levels of NOx. Also shown are exhaust gas flow paths 624 and 626 with the associated cylinders being operated at a rich AFR (lambda equal to 0.90 to 0.95), thereby producing increased levels of hydrogen. By modulating an operation of the pairs of cylinders, the power train can 10 Generate hydrogen and NOx, thereby enabling generation of ammonia according to the methods described herein.

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.

11 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Anordnung von Katalysatoren in einem Nachbehandlungssystem zum Verwirklichen einer Erzeugung von Ammoniak in einem Brennraum zur Verwendung in einer SCR-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Antriebsstrang 300 umfasst einen Motor 310, einen Katalysator 320 der Stufe 1, einen Katalysator 330 der Stufe 2, einen Katalysator 340 der Stufe 3 und einen Katalysator 350 der Stufe 4. Ein Abgasstrom kommt vom Motor 310 her und bewegt sich durch die vier Katalysatoren fort. Der Antriebsstrang 300 ist wie abgebildet für Spätverbrennungskohlenwasserstoffreformierung optimiert, wie vorstehend beschrieben wurde. Jeder Katalysator fördert eine andere Reaktion gemäß Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Bei der beispielhaften Konfiguration von 11 wird der Katalysator 320 der Stufe 1 so gewählt, dass er eine Ammoniakerzeugung gemäß Gleichung 1 fördert, der Katalysator 330 der Stufe 2 wird so gewählt, dass er gemäß einem normalen Betrieb eines TWC den Betrieb fördert, der Katalysator 340 der Stufe 3 ist eine SCR-Vorrichtung, die Ammoniak speichert und nutzt, um es mit NOx zu reagieren, und der Katalysator 350 der Stufe 4 wird genutzt, um aus der SCR-Vorrichtung entweichendes überschüssiges Ammoniak zu beseitigen. Der Katalysator der Stufe 1 kann nahe dem Motor, zum Beispiel in einer mit einem Abgaskrümmer fluidverbundenen Vorrichtung, genutzt werden. Eine beispielhafte Auswahl von Katalysatoren in den verschiedenen Stufen ist in Tabelle 1 zusammengefasst: Tabelle 1 Katalytische Vorrichtung Bezeichnung Katalysatormetall (PGM, CU, Fe) Washcoat (Zir oder Zeo) Bevorzugtes Substrat (Metall/ Keramik) Stufe 1 NH3-Erzeugung PGM/ möglicher-weise Nicht-PGM Aluminiumoxidbasiert Cordierit Stufe 2 TWC PGM Aluminiumoxid mit OSC Cordierit Stufe 3 SCR Fe oder Cu Zeo Cordierit Stufe 4 NH3-Beseitigung PGM Aluminiumoxid Cordierit 11 12 schematically illustrates an exemplary arrangement of catalysts in an aftertreatment system for realizing generation of ammonia in a combustion chamber for use in an SCR device according to the present disclosure. The powertrain 300 includes an engine 310, a stage 1 catalyst 320, a stage 2 catalyst 330, a stage 3 catalyst 340 and a stage 4 catalyst 350. A flow of exhaust gas emanates from the engine 310 and travels through the four catalysts away. The powertrain 300 is shown optimized for late combustion hydrocarbon reforming, as described above. Each catalyst promotes a different reaction according to methods known in the art. In the example configuration of 11 stage 1 catalyst 320 is selected to promote ammonia production according to Equation 1, stage 2 catalyst 330 is selected to promote operation according to normal operation of a TWC, stage 3 catalyst 340 is an SCR - Device that stores and uses ammonia to react with NOx and the stage 4 catalyst 350 is used to eliminate excess ammonia escaping the SCR device. The stage 1 catalyst may be utilized close to the engine, for example in a device fluidly connected to an exhaust manifold. An exemplary selection of catalysts in the various stages is summarized in Table 1: Table 1 Catalytic Device designation Catalyst Metal (PGM, CU, Fe) Washcoat (Zir or Zeo) Preferred substrate (metal/ceramic) step 1 NH 3 generation PGM/ possibly non-PGM Alumina based cordierite Level 2 TWC PGM Alumina with OSC cordierite level 3 SCR Fe or Cu zeo cordierite Level 4 NH3 elimination PGM aluminum oxide cordierite

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 11 einen derartigen Katalysator als eine separate Vorrichtung stromaufwärts des Katalysators der Stufe 1 (als ein „Katalysator der Stufe 0“) oder als ein Merkmal in dem Katalysator der Stufe 1 zeigen.In this way, catalysts can be used to generate and utilize ammonia through late combustion hydrocarbon reforming in an aftertreatment system. As described above, a hydrogen-forming catalyst can be used to reform hydrocarbons in the aftertreatment system. In a system configured in this way, 11 show such a catalyst as a separate device upstream of the stage 1 catalyst (as a "stage 0 catalyst") or as a feature in the stage 1 catalyst.

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 11 und nachfolgend beschriebene Konfigurationen stellen beispielhafte Ausführungsformen dar, durch die die Erzeugung von Ammoniak in einem Nachbehandlungssystem erreicht werden kann, wobei diese Offenbarung nicht dazu bestimmt ist, auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt zu sein. Ferner sind andere Reaktionen bekannt, die genutzt werden können, um Ammoniak zu produzieren. Zum Beispiel umfasst eine andere Reaktion, die genutzt werden kann, die folgende. 2,5 H2 + NO -> NHs + H2O [2] Further, it should be understood that the aftertreatment systems can be embodied in many configurations known in the art and the chemical reaction used to generate ammonia can take a number of forms requiring different catalysts and different operating conditions. For example, different devices are used in the exhaust stream of a gasoline engine, such as a TWC device, and a diesel engine, such as a DOC device. The example configuration of 11 and configurations described below represent exemplary embodiments by which generation of ammonia in an aftertreatment system may be achieved, and this disclosure is not intended to be limited to the embodiments described herein. Furthermore, other reactions known that can be used to produce ammonia. For example, another reaction that can be used includes the following. 2.5 H2 + NO -> NHs + H2 O [2]

Diese Reaktion hat den Vorteil, dass sie vom Vorhandensein von CO unabhängig ist, erfordert aber molekularen Wasserstoff in höheren Mengen. Eine andere beispielhafte Reaktion, die genutzt werden kann, um Ammoniak zu produzieren, umfasst die folgende. Ba(NO3)2 + 8H2 -> 2NH3 + BaO + 5H2O [3] This reaction has the advantage of being independent of the presence of CO, but requires higher amounts of molecular hydrogen. Another example reaction that can be used to produce ammonia includes the following. Ba(NO 3 ) 2 + 8H 2 -> 2NH 3 + BaO + 5H 2 O [3]

Die Nutzung dieser Reaktion erfordert eine Vorrichtung, die Barium umfasst. Wie einem Durchschnittsfachmann bewusst ist, ist Barium in Vorrichtungen, die einen PGM-Katalysator verwenden, beispielsweise einen TWC, einen DOC oder bestimmte LNT-Vorrichtungen, bekanntermaßen nicht vorhanden, wird aber bekanntermaßen in den meisten LNT-Vorrichtungen verwendet, bei denen Barium zum Speichern des NOx während eines mageren Betriebs verwendet wird. Es versteht sich ferner, dass jede dieser Reaktionen unterschiedliche Katalysatoren und Antriebsstrang-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 Equation 1 above, as described above in connection with Table 1, preferably include a platinum and palladium-based (PGM) catalyst, however, the process can be utilized with certain non-PGM catalysts capable of producing the required reaction. The catalyst may be integrated into a close coupled catalyst device or a so-called transition catalyst device positioned near the exhaust manifold of the engine, or may be utilized in a separate device.

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. T B E T T = f ( T 1 , T 2 , M D O T _ A B G , T U M G , S C R G E O M E T R I E )

Figure DE102013113647B4_0001
T1 beschreibt die Temperatur des stromaufwärts der SCR-Vorrichtung gemessenen Abgasstroms, und T2 beschreibt die Temperatur des stromabwärts der SCR-Vorrichtung gemessenen Abgasstroms. MDOT_ABG beschreibt einen Massendurchsatz von Abgas durch die SCR-Vorrichtung und kann basierend auf dem Betrieb des Motors geschätzt oder modelliert werden. TUMG beschreibt eine Temperatur von Umgebungsbedingungen zu dem Abgassystem und kann direkt gemessen oder basierend auf in üblicher Weise gemessenen Werten, beispielsweise der Ansauglufttemperatur, ermittelt werden. SV kann analog gemäß MDOT_ABG und SCR-Geometrie vorhergesagt werden. Auf diese Weise kann eine Ammoniakproduktion zu Zeiten verwirklicht werden, bei denen ein übermäßiger Schlupf das Ammoniak nicht vorhersehbar aus der SCR-Vorrichtung abbaut.Ammonia generated by the above methods may be stored on a catalyst in an SCR device selected with an ammonia storage capability. As is known in the art, θ NH3 depends on a number of properties of the exhaust flow, for example T BED and SV. Increased catalyst bed temperatures or increased exhaust gas flow velocities in the SCR device cause slippage. Ammonia generation cycles may be scheduled predictively based on predicted ranges of T BED and SV conducive to retaining stored ammonia. T BED can be measured or predicted according to a model. An exemplary expression of T BED can be given by the following functional relationship. T B E T T = f ( T 1 , T 2 , M D O T _ A B G , T u M G , S C R G E O M E T R I E )
Figure DE102013113647B4_0001
T 1 describes the temperature of the exhaust stream measured upstream of the SCR device and T 2 describes the temperature of the exhaust stream measured downstream of the SCR device. M DOT_ABG describes a mass flow rate of exhaust gas through the SCR device and may be estimated or modeled based on engine operation. T AMG describes a temperature of ambient conditions to the exhaust system and can be measured directly or determined based on values measured in a conventional manner, for example the intake air temperature. SV can be predicted analogously according to M DOT_ABG and SCR geometry. In this way, ammonia production can be realized at times when excessive slip is not predictably depleting the ammonia from the SCR device.

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. 12 stellt schematisch ein beispielhaftes NOx-Modellmodul gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, das in einem Motorsteuermodul genutzt wird und eine NOx-Erzeugungsschätzung ermittelt. Das beispielhafte NOx-Modellmodul 500 wird in einem NOx-Erzeugungsschätzsystem 510 betrieben und umfasst ein Modellmodul 520 und ein NOx-Schätzmodul 530. Motorsensoreingaben x1 bis xn sind Eingaben in das NOx-Modellmodul und können eine Reihe von Faktoren umfassen, einschließlich Temperaturen, Drücke, Motorsteuereinstellungen einschließlich Ventil- und Zündeinstellungen, und andere Messwerte, die einen Verbrennungszustand in dem Brennraum anzeigen. Das Modellmodul 520 erhält diese Eingaben und legt bekannte Beziehungen an, um eine Anzahl von Parametern zu ermitteln, um Verbrennung in dem Brennraum zu beschreiben. Beispiele für diese beschreibenden Parameter umfassen AGR%, der Prozentsatz von Abgas, das in den Brennraum zurückgeleitet wird, um die Steuerung des Verbrennungsprozesses zu steuern; ein Luft-Kraftstoff-Ladungsverhältnis (AFR), das das Gemisch von Luft und Kraftstoff beschreibt, das in dem Brennraum vorhanden ist; Verbrennungstemperaturmetrik, einschließlich zum Beispiel entweder Verbrennungstemperatur des verbrannten Gases oder mittlere Verbrennungstemperatur; eine Verbrennungszeitsteuermetrik, die das Fortschreiten der Verbrennung während eines Verbrennungsprozesses verfolgt, zum Beispiel CA50, eine Messung, bei welchem Kurbelwinkel 50% der Masse des ursprünglich in dem Brennraum vorhandenen Kraftstoffs verbrannt sind; und Kraftstoffverteilerrohrdruck, der den Druck von Kraftstoff anzeigt, der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zur Verfügung steht, um in den Brennraum gespritzt zu werden. Diese beschreibenden Parameter können verwendet werden, um in dem Brennraum während des Verbrennungsprozesses vorhandene Bedingungen zu schätzen. Wie vorstehend beschrieben beeinflussen in dem Brennraum vorliegende Bedingungen die Erzeugung von NOx in dem Verbrennungsprozess. Diese beschreibenden Parameter können dem NOx-Schätzmodul 530 zugeführt werden, in dem programmierte Berechnungen die beschreibenden Parameter als Eingaben verwenden, um eine Schätzung der NOx-Erzeugung aufgrund des Verbrennungsprozesses zu erzeugen. Wie jedoch vorstehend beschrieben können Modelle, die eine Variable analysieren, die den Verbrennungsprozess beschreibt, komplexe Berechnungen umfassen, deren Berechnung länger dauert als zum Erzeugen von Echtzeitergebnissen erforderlich ist, die große Mengen an Verarbeitungsfähigkeit erfordern und nur so genau sind, wie es der vorprogrammierte Algorithmus erlaubt. Infolge dieser Herausforderungen und einer Notwendigkeit genauer und rechtzeitiger Information ist die Schätzung von NOx-Erzeugung in einem ECM als Teil einer Nachbehandlungssteuerstrategie derzeit nicht bevorzugt.Detection of NOx is important for understanding the operation of the aftertreatment system and for controlling NOx as a component of ammonia production. A NOx sensor or an oxygen sensor increases the cost and weight of a vehicle, and such sensors often require a certain operating temperature range, reached after a certain warm-up time, in order to be functional. As described above, a virtual NOx sensor can be used to estimate the presence of NOx in an aftertreatment system. 12 12 schematically depicts an exemplary NOx model module utilized in an engine control module that determines a NOx creation estimate, in accordance with the present disclosure. The example NOx model module 500 operates in a NOx creation estimation system 510 and includes a model module 520 and a NOx estimation module 530. Engine sensor inputs x 1 through x n are inputs to the NOx model module and can be a number of factors including temperatures, pressures, engine control settings including valve and ignition settings, and other measurements indicative of a combustion condition in the combustion chamber. The model module 520 receives these inputs and applies known relationships to determine a number of parameters to describe combustion in the combustion chamber. Examples of these descriptive parameters include EGR%, the percentage of exhaust gas that is recirculated to the combustion chamber to control the combustion process; an air-to-fuel charge ratio (AFR) describing the mixture of air and fuel present in the combustion chamber; combustion temperature metrics including, for example, either combusted gas combustion temperature or average combustion temperature; a combustion timing metric tracking the progression of combustion during a combustion process, for example CA50, a measurement at which crank angle 50% of the mass of fuel originally present in the combustion chamber is burned; and fuel rail pressure indicative of the pressure of fuel available to fuel injectors to be injected into the combustion chamber. These descriptive parameters can be used to estimate conditions present in the combustion chamber during the combustion process. As described above, conditions present in the combustion chamber affect the production of NOx in the combustion process. These descriptive parameters may be provided to the NOx estimation module 530 where programmed calculations use the descriptive parameters as inputs to generate an estimate of NOx creation due to the combustion process. However, as described above, models that analyze a variable that describes the combustion process may involve complex calculations that take longer to calculate than is necessary to produce real-time results that require large amounts of processing capability and are only as accurate as the pre-programmed algorithm permitted. Due to these challenges and a need for accurate and timely information, estimation of NOx creation in an ECM as part of an aftertreatment control strategy is not currently preferred.

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. 13 stellt graphisch eine beispielhafte Massenanteilverbrennungskurve gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel beschreibt die dargestellte Kurve den geschätzten Prozentsatz eines Kraftstoff/ Luft-Gemisches in der Ladung, das für diesen Verbrennungsprozess verbrannt wurde. Um als Maß der Verbrennungsphaseneinstellung verwendet zu werden, ist es bekannt, entweder einen bestimmten interessierenden Massenanteilverbrennungsprozentsatz oder einen bestimmten interessierenden Kurbelwinkel festzustellen. 13 bestimmt CA50% als Kurbelwinkel, bei dem die Massenanteilverbrennung gleich 50% ist. Durch Prüfen dieses bestimmten Maßes über mehrere Verbrennungsprozesse in diesem Zylinder oder über eine Anzahl von Zylindern kann die vergleichsweise Phasenregelung der bestimmten Verbrennungsprozesse beschrieben werden.A known method for monitoring combustion phasing is to estimate the mass fraction burn ratio for a given crank angle based on known parameters. The mass fraction burn ratio describes what percentage of the charge was burned in the combustion chamber and serves as a good estimate of combustion phasing. 13 1 graphically depicts an exemplary mass fraction burn curve, in accordance with the present disclosure. At a given crank angle, the curve depicted describes the estimated percentage of a fuel/air mixture in the charge that was burned for that combustion process. To be used as a measure of combustion phasing, it is known to establish either a particular mass fraction burn percentage of interest or a particular crank angle of interest. 13 determines CA50% as the crank angle at which the mass fraction burn is equal to 50%. By checking that particular level over multiple combustion processes in that cylinder or over a number of cylinders, the comparative phase control of the specific combustion processes can be described.

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. P R ( θ ) = P Z Y L ( θ ) P M O T ( θ )

Figure DE102013113647B4_0002
Many methods of estimating mass fraction burn are known. One method examines pressure data from the combustion chamber, including analyzing the pressure rise in the chamber attributable to combustion. There are several methods to quantify an increase in pressure in a cylinder that is attributable to combustion. Pressure Ratio Management (PRM) is a technique based on the Rassweiler approach, which states that mass fraction burn can be approximated by the fractional pressure increase due to combustion. Combustion of a known charge at a known time under known conditions tends to produce a consistently predictable pressure rise in the cylinder. PRM derives a pressure ratio (PR) from the ratio of a measured cylinder pressure under combustion at a given crank angle (P CYL (θ)) to a calculated cylinder pressure without combustion, the so-called "motored pressure", where it, when in the cylinder combustion has not occurred, estimates a pressure value at a given crank angle (P MOT (θ)), giving the following equation. P R ( θ ) = P Z Y L ( θ ) P M O T ( θ )
Figure DE102013113647B4_0002

14 veranschaulicht graphisch gemäß der vorliegenden Offenbarung einen beispielhaften Zylinderdruck während eines Verbrennungsprozesses, der gegen Kurbelwinkel aufgetragen ist. PMOT(θ) weist eine gleichmäßige, inverse Parabelspitze von dem Kolben auf, der eine zurückgehaltene Gastasche ohne Verbrennung verdichtet. Bei dem Kolben am UT sind alle Ventile geschlossen, der Kolben bewegt sich nach oben, wobei das Gas verdichtet wird, der Kolben erreicht bei der Spitze der Druckkurve den OT, und der Druck sinkt, wenn der Kolben von dem OT abfällt. Durch PZYL(θ) ist ein Druckanstieg über PMOT(θ) dargestellt. Die Verbrennungszeiten variieren von Anwendung zu Anwendung. Bei dieser bestimmten beispielhaften Kurve beginnt PZYL(θ) um den OT von PMOT(θ) anzusteigen, was einen Zündvorgang zu einem Zeitpunkt vor dem OT beschreibt. Wenn die Ladung verbrennt, ergeben sich Wärme und Arbeit aus der Verbrennung, was zu einem Druckanstieg in dem Brennraum führt. PR ist ein Verhältnis von PMOT zu PZYL, und PMOT ist eine Komponente von PZYL. Der Nettoverbrennungsdruck (NCP(θ)) ist die Differenz zwischen PZYL(θ) und PMOT(θ) bzw. der Druckanstieg in dem Brennraum, der auf eine Verbrennung bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel zurückzuführen ist. Es versteht sich, dass durch Subtrahieren von eins von PR ein Verhältnis von NCP zu PMOT wie folgt ermittelt werden kann. P R ( θ ) 1 = P Z Y L ( θ ) P M O T ( θ ) P M O T ( θ ) P M O T ( θ ) = N C P ( θ ) P M O T ( θ )

Figure DE102013113647B4_0003
14 graphically illustrates an example cylinder pressure during a combustion process plotted against crank angle, in accordance with the present disclosure. P MOT (θ) has a smooth inverse parabolic peak from the piston compressing a retained gas pocket without combustion. With the piston at BDC, all valves are closed, the piston moves up compressing the gas, the piston reaches TDC at the peak of the pressure curve, and the pressure decreases as the piston falls off TDC. P CYL (θ) represents a pressure rise above P MOT (θ). Combustion times vary from application to application. In this particular example curve, P CYL (θ) begins to increase around TDC from P MOT (θ), which describes an ignition event at a time before TDC. When the charge burns, heat and work result from the combustion, leading to an increase in pressure in the combustion chamber. PR is a ratio of P MOT to P CYL and P MOT is a component of P CYL . Net Combustion Pressure (NCP(θ)) is the difference between P CYL (θ) and P MOT (θ), or the pressure rise in the combustion chamber attributable to combustion at a given crank angle. It is understood that by subtracting one from PR, a ratio of NCP to P MOT can be found as follows. P R ( θ ) 1 = P Z Y L ( θ ) P M O T ( θ ) P M O T ( θ ) P M O T ( θ ) = N C P ( θ ) P M O T ( θ )
Figure DE102013113647B4_0003

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. F P R ( θ ) = P R ( θ ) 1 P R ( 90 ° ) 1 M a s s e n a n t e i l v e r b r e n n u n g ( θ )

Figure DE102013113647B4_0004
The PR measured by the above equation can therefore be used to directly describe the amount of combustion in a cylinder. Normalizing PR minus one at crank angle θ to an expected or theoretical maximum PR value minus one gives a fractional Pressure ratio of the pressure increase due to combustion at crank angle θ to the expected total pressure increase due to combustion at the termination of the combustion process. This normalization can be expressed by the following equation. f P R ( θ ) = P R ( θ ) 1 P R ( 90 ° ) 1 M a s s e n a n t e i l v e right b right e n n and n G ( θ )
Figure DE102013113647B4_0004

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. Q f r e i g e s e t z t ( θ ) = P k + 1 P k 1 ( V k 1 V k ) r

Figure DE102013113647B4_0005
Another method of estimating mass fraction burn is to directly use the Rassweiler approach to determine mass fraction burn by calculating the total heat released at a given crank angle. The Rassweiler approach uses pressure readings from a cylinder to approximate the incremental heat release in the cylinder. This approach is given by the following equation. Q f right e i G e s e t e.g t ( θ ) = P k + 1 P k 1 ( V k 1 V k ) right
Figure DE102013113647B4_0005

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. Q = d Q c h d θ = ( γ γ 1 p d V d θ + 1 γ 1 V d p d θ

Figure DE102013113647B4_0006
An example method that uses these classical heat release metrics to approximate a mass fraction burn estimate analyzes the rate of heat release from charge combustion throughout the combustion process. This rate of heat release, dQ ch / dθ, can be integrated over a range of crank angles to describe the net energy released in the form of heat. By deductions well known in the art, this heat release can be expressed by the following equation. Q = i.e Q c H i.e θ = ( g g 1 p i.e V i.e θ + 1 g 1 V i.e p i.e θ
Figure DE102013113647B4_0006

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, c v ( T ) = 1 ( 1,0 Φ * A G R ) * c v l u f t ( T ) + ( Φ * A G R ) * c v s t o ¨ c h p r o d ( T )

Figure DE102013113647B4_0007
Gamma, γ, includes a ratio of specific heats and is chosen nominally as that for air at the temperature corresponding to those used to calculate the signal bias and without EGR. Thus, nominally or initially γ = 1.365 for diesel engines and nominally γ = 1.30 for conventional gasoline engines. However, these can be based on data from the specific heats for air and stoichiometric products using an estimate of the equivalence ratio Φ and the target EGR mole fraction for the operating condition and using the relationship that [γ = 1+ (R/ c v )], where R is the universal gas constant, and the weighted mean of air and product properties can be fitted by the following expression, c v ( T ) = 1 ( 1.0 Φ * A G R ) * c v l and f t ( T ) + ( Φ * A G R ) * c v s t O ¨ c H p right O i.e ( T )
Figure DE102013113647B4_0007

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 13 wird ein Bezugspunkt genommen, von dem Schätzungen der Massenanteilverbrennung aus verschiedenen Verbrennungsprozessen verglichen werden. In dieser bestimmten Ausführungsform wird CA50%, das den Kurbelwinkel darstellt, bei dem 50% der Ladung verbrannt sind, gewählt. Es können andere Maße gewählt werden, solange für jeden Vergleich das gleiche Maß verwendet wird.Once a mass fraction burn curve is generated for a particular combustion process, the curve is useful to assess combustion phasing for that particular combustion process. Referring again to 13 a reference point is taken from which to compare mass fraction burn estimates from different combustion processes. In this particular embodiment, CA50%, representing the crank angle at which 50% of the charge is burned, is selected. Other metrics can be chosen as long as the same metric is used for each comparison.

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. F F T ( f ( θ ) ) =   A 0 + ( A 1  sin ( ω 0 θ+ Φ 1 ) ) + ( A 2  sin ( ω 0 θ+ Φ 2 ) ) + + ( A N  sin ( N ω 0 θ+ Φ N ) )

Figure DE102013113647B4_0008
Pressure readings from the pressure transducers located in or associated with the combustion cylinders contain information directly related to the combustion occurring in the combustion chamber. However, engines are very complex mechanisms and these pressure readings may include a variety of pressure fluctuations from other sources in addition to a measure P CYL (θ). Fast Fourier Transforms (FFT) are mathematical methods well known in the art. An FFT technique, known as spectral analysis, analyzes a complex signal and separates the signal into its component parts, which can be represented as the sum of harmonics. The spectral analysis of a pressure transducer signal, represented by f(θ), can be represented as follows. f f T ( f ( θ ) ) = A 0 + ( A 1 sin ( ω 0 θ+ Φ 1 ) ) + ( A 2 sin ( ω 0 θ+ Φ 2 ) ) + ... + ( A N sin ( N ω 0 θ+ Φ N ) )
Figure DE102013113647B4_0008

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 cylinder number 4 has a partially plugged injector, the fuel injection times for that cylinder could be modified during different operating regimes to compensate for the perceived problem.

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. η VE = f ( RPM ,P im , m ˙ α )

Figure DE102013113647B4_0009
RPM oder die Motordrehzahl ist durch einen Kurbelwellendrehzahlsensor leicht messbar, wie vorstehend beschrieben ist. Pim oder Ansaugkrümmerdruck wird typischerweise mit der Motorsteuerung in Verbindung stehend gemessen und ist ein leicht verfügbarer Term. ṁa oder der Anteil an frischem Luftmassenstrom der in den Zylinder strömenden Ladung ist ebenfalls ein Term, der häufig in dem Luftansaugsystem des Motors gemessen wird, oder kann alternativ aus Pim, Umgebungsluftdruck und bekannten Eigenschaften des Luftansaugsystems leicht abgeleitet werden. Eine andere Variable, die den Verbrennungsprozess beschreibt und die aus Zylinderdrücken und anderen leicht verfügbaren Sensormesswerten abgeleitet werden kann, ist die Ladungsströmung in den Zylinder ṁc.ṁc kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden. m ˙ c = P i m r p m D η 2 R T i m
Figure DE102013113647B4_0010
D ist gleich der Verdrängung des Motors. R ist eine Gaskonstante, die aus dem Stand der Technik gut bekannt ist. Tim ist ein Temperaturmesswert von dem Ansaugkrümmer. Eine andere Variable, die den Verbrennungsprozess beschreibt und die von Zylinderdrücken sowie anderen leicht verfügbaren Sensormesswerten abgeleitet werden kann, ist AGR% bzw. der Prozentsatz von Abgas, der in den Abgasrückführungskreislauf zurückgeleitet wird. AGR% kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden. AGR% = 1 m ˙ a m ˙ c
Figure DE102013113647B4_0011
Once a measure, such as pressure readings, are available, other descriptive parameters related to a combustion process can be calculated. Sub-models describing certain characteristics of a combustion process may be deployed using physical properties and relationships well known in the art to convert cylinder pressures and other readily available engine sensor terms into a variable that describes the combustion process. For example, volumetric efficiency, a ratio of air/fuel charge flowing into the cylinder compared to the capacity of the cylinder, can be expressed by the following equation. n PU = f ( RPM ,P in the , m ˙ a )
Figure DE102013113647B4_0009
RPM or engine speed is easily measurable by a crankshaft speed sensor as described above. P im or intake manifold pressure is typically measured in connection with engine control and is a readily available term. ṁ a or the fresh mass air flow fraction of the charge flowing into the cylinder is also a term often measured in the engine's air intake system, or can alternatively be easily derived from P im , ambient air pressure and known properties of the air induction system. Another variable that describes the combustion process and that can be derived from cylinder pressures and other readily available sensor readings is the charge flow into the cylinder ṁ c .ṁ c can be found by the following equation. m ˙ c = P i m right p m D n 2 R T i m
Figure DE102013113647B4_0010
D is equal to the displacement of the motor. R is a gas constant well known in the art. Tim is a temperature reading from the intake manifold. Another variable describing the combustion process that can be derived from cylinder pressures as well as other readily available sensor readings is EGR% or the percentage of exhaust gas that is fed back into the exhaust gas recirculation circuit. EGR% can be found by the following equation. EGR% = 1 m ˙ a m ˙ c
Figure DE102013113647B4_0011

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. Z = P Z Y L ( θ ) P M O T ( θ ) 1

Figure DE102013113647B4_0012
Yet another variable that describes the combustion process and that can be derived from cylinder pressures and other readily available sensor readings is CAx, where x equals a desired fractional pressure ratio. CAx can be found by the following equation. Z = P Z Y L ( θ ) P M O T ( θ ) 1
Figure DE102013113647B4_0012

Das Einfüllen des erwünschten anteiligen Druckverhältnisses als Z und das Lösen für θ ergibt CAx. CA50 kann zum Beispiel wie folgt ermittelt werden. P Z Y L ( θ ) P M O T ( θ ) = 1,5

Figure DE102013113647B4_0013
Filling in the desired fractional pressure ratio as Z and solving for θ gives CAx. For example, CA50 can be determined as follows. P Z Y L ( θ ) P M O T ( θ ) = 1.5
Figure DE102013113647B4_0013

Es können auch verschiedene Temperaturen in dem Brennraum aus Zylinderdrücken und anderen leicht verfügbaren Sensormesswerten geschätzt werden. 15 stellt eine Anzahl unterschiedlicher Temperaturen dar, die gemäß der vorliegenden Offenbarung in dem Brennraum schätzbar sind und für das Beschreiben des Verbrennungsprozesses hilfreich sind. Ta, die durchschnittliche Temperatur in dem Brennraum, kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden. T a T m a x V ( P P L ) 1,05 m ˙ c R

Figure DE102013113647B4_0014
Pmax ist der maximale Druck, der in dem Brennraum durch den Verbrennungsprozess erreicht wird. PPL ist ein Maß des Kurbelwinkels, bei dem Pmax auftritt. V(PPL) ist das Volumen des Zylinders an dem Punkt, an dem Pmax auftritt. Tu, die durchschnittliche Temperatur des noch nicht verbrannten oder unverbrannten Teils der Ladung in dem Brennraum, kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden. T u = 1,05 m ˙ c 1,05 m ˙ c a m ˙ ƒ λ s [ 0,5 β T A b g + 0,95 i m ] ( P m a x Δ P P i m ) r 1 r
Figure DE102013113647B4_0015
ƒ ist der Kraftstoffmassenstrom und kann entweder aus einem bekannten Kraftstoffverteilerrohrdruck kombiniert mit bekannten Eigenschaften und dem Betrieb der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen oder aus ṁc und ṁa ermittelt werden, α und β sind Kalibrierungen, die auf Motordrehzahl und Last beruhen und können experimentell, empirisch, prädiktiv, durch Modellierung oder anderen Techniken entwickelt werden, die adäquat sind, um Motorbetrieb genau vorherzusagen, und es könnten eine Vielzahl von Kalibrierungskurven von dem gleichen Motor für jeden Zylinder und für unterschiedliche Motoreinstellungen, -bedingungen oder - betriebsbereiche verwendet werden. λs ist das stöchiometrische Luft/ Kraftstoff-Verhältnis für den bestimmten Kraftstoff und umfasst Werte, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind. TAbg ist eine gemessene Abgastemperatur. Tim und Pim sind Temperatur- und Druckmesswerte, die an dem Ansaugkrümmer genommen sind. Pmax - ΔP beschreibt den Druck in dem Brennraum kurz vor Beginn der Verbrennung. γ ist eine spezifische Wärmekonstante, die vorstehend beschrieben ist. Tb, die durchschnittliche Temperatur des verbrannten Teils der Ladung in dem Brennraum, kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden. T b = T a ( 1 x b ) T u x b , x b = a m ˙ ƒ ( 1 + λ s ) 1,05 m ˙ c
Figure DE102013113647B4_0016
Various temperatures within the combustion chamber may also be estimated from cylinder pressures and other readily available sensor readings. 15 FIG. 12 depicts a number of different temperatures that are estimable within the combustion chamber and are useful in describing the combustion process, in accordance with the present disclosure. T a , the average temperature in the combustion chamber, can be found by the following equation. T a T m a x V ( P P L ) 1.05 m ˙ c R
Figure DE102013113647B4_0014
Pmax is the maximum pressure that is reached in the combustion chamber by the combustion process. PPL is a measure of the crank angle at which Pmax occurs. V(PPL) is the volume of the cylinder at the point where Pmax occurs. T u , the average temperature of the unburned or unburned portion of the charge in the combustion chamber, can be found by the following equation. T and = 1.05 m ˙ c 1.05 m ˙ c a m ˙ ƒ λ s [ 0.5 β T A b G + 0.95 i m ] ( P m a x Δ P P i m ) right 1 right
Figure DE102013113647B4_0015
ṁƒ is the mass fuel flow and can be determined either from a known fuel rail pressure combined with known characteristics and operation of the fuel injectors or from ṁc and ṁa , α and β are calibrations based on engine speed and load and can be experimental, empirical, predictive , be developed through modeling or other techniques adequate to accurately predict engine operation, and a variety of calibration curves could be used from the same engine for each cylinder and for different engine settings, conditions or operating regions. λ s is the stoichiometric air/fuel ratio for the particular fuel and includes values well known in the art. T exhaust is a measured exhaust gas temperature. T im and P im are temperature and pressure readings taken at the intake manifold. P max - ΔP describes the pressure in the combustion chamber just before the start of combustion. γ is a specific heat constant described above. T b , the average temperature of the burned portion of the charge in the combustion chamber, can be found by the following equation. T b = T a ( 1 x b ) T and x b , x b = a m ˙ ƒ ( 1 + λ s ) 1.05 m ˙ c
Figure DE102013113647B4_0016

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. 16 ist eine graphische Darstellung von beispielhaften modellierten Ergebnissen, die standardisierte Wirkungen einer Anzahl von Eingaben zu NOx-Emissionen unter einer vorgegebenen Reihe von Bedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Wie vorstehend beschrieben sind Verfahren bekannt, die ein Modellmodul und ein NOx-Schätzmodul verwenden, um NOx-Erzeugung basierend auf bekannten Eigenschaften eines Motors zu simulieren oder zu schätzen. Das in dieser bestimmten beispielhaften Analyse zum Charakterisieren von NOx-Erzeugung durch einen Verbrennungsprozess genutzte Modell kann durch den folgenden Ausdruck charakterisiert werden. N O x = N N T ( P m a x , C A 50, C A p m a x , A G R % , A F R )

Figure DE102013113647B4_0017
As described above, cylinder pressure measurements may be used to describe a combustion condition occurring in the combustion chamber for use as a factor in estimating NOx creation. Also as described above, a number of other factors are relevant to accurately estimating NOx creation. 16 12 is a graphical representation of example modeled results describing standardized effects of a number of inputs on NOx emissions under a given set of conditions, in accordance with the present disclosure. As described above, methods are known that use a model module and a NOx estimation module to simulate or estimate NOx creation based on known characteristics of an engine. The model used in this particular example analysis to characterize NOx creation by a combustion process can be characterized by the following expression. N O x = N N T ( P m a x , C A 50, C A p m a x , A G R % , A f R )
Figure DE102013113647B4_0017

Wie in den graphischen Ergebnissen von 16 gezeigt haben eine Anzahl von Faktoren unterschiedliche Wirkungen auf NOx-Erzeugung. Unter dieser bestimmten Reihe von Bedingungen hat AGR% die größte Wirkung auf die NOx-Erzeugung für den modellierten Motor. In diesem Fall senkt durch aus dem Stand der Technik gut bekannte Verfahren das Rückführen einer bestimmten Menge von Abgas durch den AGR-Kreislauf zurück in den Brennraum die adiabatische Flammentemperatur des Verbrennungsprozesses, wodurch die Temperaturen gesenkt werden, denen Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle werden der Verbrennung ausgesetzt werden, und wodurch die Rate der NOx-Erzeugung gesenkt wird. Durch Untersuchen solcher Modelle unter verschiedenen Motorbetriebsbedingungen können dem neuronalen Netz die brauchbarsten Eingaben geliefert werden, um genaue Schätzungen der NOx-Erzeugung vorzusehen. Ferner liefert das Untersuchen solcher Modelle Informationen, die für das Wählen von Eingabedaten zum anfänglichen Einlernen des neuronalen Netzes, für das Verändern von Eingaben und Vorsehen entsprechender Ausgaben zu Sensoreingaben und beschreibenden Parametern, die sich am wahrscheinlichsten auf NOx-Erzeugung auswirken, brauchbar sind.As in the graphical results of 16 a number of factors have been shown to have differential effects on NOx generation. Under this particular set of conditions, EGR% has the greatest effect on NOx creation for the modeled engine. In this case, by methods well known in the art, recirculating a certain amount of exhaust gas back into the combustion chamber through the EGR loop lowers the adiabatic flame temperature of the combustion process, thereby lowering the temperatures to which nitrogen and oxygen molecules are exposed to combustion and thereby lowering the rate of NOx generation. By examining such models under various engine operating conditions, the most useful inputs can be provided to the neural network to provide accurate estimates of NOx creation. Furthermore, examining such models provides information useful for selecting input data for initial training of the neural network, for manipulating inputs and providing corresponding outputs to sensor inputs and descriptive parameters most likely to affect NOx production.

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: d N O x d t = ƒ ( N O x , y , A G R % , A F R , T a , R P M )

Figure DE102013113647B4_0018
wobei gegenwärtige NOx-Messwerte und eine Ausgabe y von einem eingelernten neuronalen Netz genutzt werden, um eine Änderung der NOx-Erzeugung zu schätzen. Eine solche Änderungsvariable kann verwendet werden, um die NOx-Erzeugung inkremental zu schätzen, oder kann verwendet werden, um Schätzungen von NOx-Erzeugung zu prüfen oder zu filtern. 17 stellt schematisch ein beispielhaftes System dar, das eine Schätzung von NOx-Erzeugung erzeugt, wobei es Modelle in einem neuronalen Netz nutzt, um Schätzungen von NOx-Erzeugung zu erzeugen, und ein dynamisches Modellmodul umfasst, um Schätzungen der NOx-Erzeugung bezüglich Wirkungen von dynamischen Motor- und Fahrzeugbedingungen gemäß der vorliegenden Offenbarung auszugleichen [ engl. „to compensated“]. Das NOx-Erzeugungsschätzsystem 400 umfasst ein Modellmodul 410, ein Modul 420 für neuronales Netz und ein dynamisches Modellmodul 430. Faktoren, die sich unter den aktuellen Betriebsbedingungen am wahrscheinlichsten auf die Schätzung von NOx-Erzeugung unter dynamischen oder sich ändernden Bedingungen auswirken, können experimentell, empirisch, prädikativ, durch Modellierung oder andere Techniken ermittelt werden, die adäquat sind, um Motorbetrieb genau vorherzusagen. Eingaben bezüglich dieser Faktoren werden dem dynamischen Modellmodul 430 zusammen mit der Ausgabe von dem neuronalen Netzmodul 420 eingespeist, und die Rohausgabe von dem neuronalen Netz kann basierend auf den projizierten Wirkungen der dynamischen Bedingungen, die durch das dynamische Modellmodul 430 ermittelt werden, angepasst, gefiltert, gemittelt, entpriorisiert oder anderweitig modifiziert werden. Auf diese Weise können die Wirkungen von dynamischen Motor- oder Fahrzeugbetriebsbedingungen bei der Schätzung von NOx-Erzeugung berücksichtigt werden.Through the methods described above, estimates of NOx creation can be generated for a range of engine sensor inputs. As will be understood by those of ordinary skill in the art, equations and model predictions of engine operation often work most effectively when the engine is operating at or near steady state power. However, observations and predictions can be made regarding the effects of transient or dynamic engine operation on NOX production estimates or the accuracy thereof. An example expression describing a dynamic model or dynamic filter module is shown by the following: i.e N O x i.e t = ƒ ( N O x , y , A G R % , A f R , T a , R P M )
Figure DE102013113647B4_0018
using current NOx measurements and an output y from a trained neural network to estimate a change in NOx production. Such a changing variable may be used to incrementally estimate NOx creation, or may be used to test or filter estimates of NOx creation. 17 FIG. 12 schematically illustrates 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 estimates of NOx creation relative to effects of dynamic Balancing engine and vehicle conditions in accordance with the present disclosure. "to be compensated"]. The NOx creation estimation system 400 includes a model module 410, a neural network module 420, and a dynamic model module 430. Factors most likely to affect the estimation of NOx creation under dynamic or changing conditions under the current operating conditions can be experimental, be determined empirically, predictively, through modeling, or other techniques adequate to accurately predict engine operation. Inputs regarding these factors are fed to the dynamic model module 430 along with the output from the neural network module 420, and the raw output from the neural network can be adjusted, filtered, based on the projected effects of the dynamic conditions determined by the dynamic model module 430, averaged, deprioritized, or otherwise modified. In this way, the effects of dynamic engine or vehicle operating conditions can be taken into account when estimating NOx creation.

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. η TATS A ¨ CHLICH ( t ) = 1 y ( t ) x ( t )

Figure DE102013113647B4_0019
Determining conversion efficiency may be helpful to operate ammonia production cycles, for example to predict a required timing and duration of ammonia production cycles required to efficiently operate the SCR. Conversion efficiency is described as the efficiency with which an aftertreatment device can convert NOx into other molecules. The example aftertreatment system described above describes a measured or estimated NOx content of the exhaust stream measured upstream of the aftertreatment device being analyzed. This level of NOx entering the aftertreatment system at any time 't' can be described as x(t). The example aftertreatment system described above describes a measured or estimated NOx content of the exhaust stream measured downstream of the aftertreatment device being analyzed. This level of NOx exiting the aftertreatment system at any given time can be described as y(t). The conversion efficiency at any given time by the following equation. n ACT A ¨ CHLICH ( t ) = 1 y ( t ) x ( t )
Figure DE102013113647B4_0019

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. η TATS A ¨ CHLICH ( t ) = y ( t ) * d t x ( t ) * d t

Figure DE102013113647B4_0020
It is understood that this equation provides the conversion efficiency at any point in time. Such instantaneous measurements or calculations are prone to error based on signal noise. Methods for applying a low-pass filter are known from the prior art. An integration of x(t) or y(t) gives a description of an amount of actual NOx entering or exiting the aftertreatment system during a period of time, respectively. An exemplary equation for determining an integrated conversion efficiency where anomalous measurements in x(t) and y(t) are filtered can be described as follows. n ACT A ¨ CHLICH ( t ) = y ( t ) * i.e t x ( t ) * i.e t
Figure DE102013113647B4_0020

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. η = f ( T B E T T , S V , θ N H 3, x ( t ) , V H A R N S T O F F , ρ Z E L L E )

Figure DE102013113647B4_0021
Conversion efficiency in a fresh SCR device is affected by a number of environmental or operational factors. The conversion efficiency for an example SCR can be determined by a model expressed by the following function. n = f ( T B E T T , S V , θ N H 3, x ( t ) , V H A R N S T O f f , ρ Z E L L E )
Figure DE102013113647B4_0021

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. η = f ( T B E T T , S V , θ N H 3 )

Figure DE102013113647B4_0022
The above model describing conversion efficiency includes factors that can be assumed or validated in normal operation of an SCR. This allows the model to be simplified, thereby reducing a processing load required to analyze conversion efficiency by the model. For example, VUREA can be monitored by operation of the urea dosing module, and given VUREA values within a certain target range, the resulting conversion efficiency calculations should be unaffected. In some embodiments, V UREA is controlled to be substantially directly proportional to x(t). Further, in some embodiments, θ NH3 may be estimated based on V UREA, monitored exhaust flow and SCR characteristics such as temperature, and x(t). With θNH3 values in a normal range, θNH3 can be reduced to a part of the functional model that depends on T BED . A value for x(t) as described above may be monitored by an upstream NOx sensor or a virtual NOx sensor. ρ CELL is a property of the SCR device and is a known value. Given these known or estimable factors, the conversion efficiency for an example SCR can be determined by a model expressed by the following function. n = f ( T B E T T , S V , θ N H 3 )
Figure DE102013113647B4_0022

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 3 und 4 müssen, um Ammoniak in der TWC zu produzieren, die Komponentensubstanzen für die Reaktion, die verwendet werden, um Ammoniak zu erzeugen, in dem TWC vorhanden sein, und der Gebrauch verschiedener Zylinder, um molekularem Wasserstoff und NOx optimal zu erzeugen, muss in den gleichen Ammoniakerzeugungskatalysator speisen. Dementsprechend kann ein Teil der Mehrzahl der Zylinder bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem ersten Bereich von stöchiometrisch zu fett, der für die Herstellung von NOx förderlich ist, betrieben werden, und ein verbleibender Teil der Mehrzahl der Zylinder kann bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem zweiten Bereich mit einem wesentlich fetteren Luft/Kraftstoff-Verhältnis als dem ersten Bereich, der zur Erzeugung von Wasserstoff förderlich ist, betrieben werden, wobei das erzeugte NOx und der erzeugte Wasserstoff in den gleichen Ammoniakerzeugungskatalysator zugeführt werden müssen, um Ammoniak effektiv herzustellen. Zum Beispiel in der „V“-Konfiguration müssen mehrere Zylinder, die koordiniert sind, um NOx bei dem ersten Bereich von stöchiometrisch zu fett zu erzeugen, und die übrigen Zylinder, die koordiniert sind, um Wasserstoff an dem zweiten Bereich, der ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, das fetter als der erste Bereich ist, zu erzeugen, in den selben Katalysator speisen, um Ammoniak effektiv zu erzeugen.Referring again to the 3 and 4 In order to produce ammonia in the TWC, the component substances for the reaction used to produce ammonia must be present in the TWC, and the use of different cylinders to optimally produce molecular hydrogen and NOx must be in the same Feed ammonia production catalyst. Accordingly, a portion of the plurality of cylinders may be operated at an air/fuel ratio in a first range from stoichiometric to rich conducive to the production of NOx, and a remaining portion of the plurality of cylinders may be operated at an air/fuel -Ratio in a second region having a substantially richer air/fuel ratio than the first region conducive to the production of hydrogen, the produced NOx and the produced hydrogen must be fed into the same ammonia production catalyst in order to effectively convert ammonia to manufacture. For example, in the "V" configuration, multiple cylinders coordinated to produce NOx at the first range from stoichiometric to rich and the remaining cylinders coordinated to produce hydrogen at the second range, which is an air/ Fuel ratio that is richer than the first region, feed into the same catalyst to effectively generate ammonia.

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 3 und 4 ersichtlich, das jeder der Zylinder, der in dem fetteren zweiten Bereich betrieben wird, bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden kann, das weniger fett ist, als es bei einem einzelnen Zylinder zur Erzeugung der erforderlichen Menge an Wasserstoff der Fall wäre. Es sei zusätzlich angemerkt, dass die Zylinder, die bei einem höheren Luft/Kraftstoff-Verhältnis (d.h. erstem Bereich von stöchiometrisch zu fett) arbeiten, und die Zylinder, die bei einem niedrigeren Luft/Kraftstoff-Verhältnis (d.h. zweitem Bereich) arbeiten, bevorzugt gewählt sind, eine resultierende Arbeitserzeugung in dem Motor in Ausgleich zu bringen, und nicht statisch sein müssen, wobei Zylinder, die mit einem bestimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeiten, von Verbrennungszyklus zu Verbrennungszyklus wechseln könne, solange das gewünschte Gemisch aus Substanzen, das in der Abgasströmung erzeugt wird, beibehalten wird. Die Auswahl des Betriebs von Zylinder zu Zylinder und die Einspritzzeitpläne, die verwendet werden, um die erforderlichen Substanzen zu erzeugen, können experimentell, empirisch, prädiktiv, durch Modellierung oder durch andere Techniken entwickelt werden, die angemessen sind, um einen Motorbetrieb und die resultierende Zusammensetzung des Abgasstromes genau vorherzusagen, und es kann eine Vielzahl von Einspritzzeitplänen von dem selben Motor für verschiedene Motoreinstellungen, - bedingungen oder -betriebsbereiche verwendet werden.Further, cylinders may be controlled in pairs to promote hydrogen and NOx production, with one cylinder controlled at the air/fuel ratio in the first stoichiometric range to produce NOx and the other cylinder at the air/fuel -ratio is controlled in the richer second region to produce hydrogen as described by example Equations 1, 2 and 3. In one example, in a "V-six" configuration where three cylinders feed into a single TWC catalyst in an ammonia generation catalyst, one cylinder may be operated with an air/fuel ratio from stoichiometric to rich that is optimized to to generate a desired amount of NOx. The remaining two cylinders can be optimized to each produce one-half the desired amount of hydrogen, with each of the remaining two cylinders operating at an air/fuel ratio richer than the air/fuel ratio of one cylinder. By splitting the hydrogen production requirement between two cylinders, it becomes associated with the 3 and 4 It can be seen that each of the cylinders operating in the richer second region can be operated at an air/fuel ratio less rich than would be the case for a single cylinder to produce the required amount of hydrogen. Additionally, note that cylinders operating at a higher air/fuel ratio (ie, first range from stoichiometric to rich) and cylinders operating at a lower air/fuel ratio (ie, second range) are preferred are chosen to balance a resultant work production in the engine and need not be static, whereby cylinders operating at a particular air/fuel ratio can alternate from combustion cycle to combustion cycle as long as the desired mixture of substances present in of the exhaust gas flow is maintained. The selection of cylinder-to-cylinder operation and injection schedules used to generate the required substances may be developed experimentally, empirically, predictively, through modeling, or through other techniques appropriate to engine operation and the resulting composition of exhaust gas flow, and a variety of injection schedules can be used by the same engine for different engine settings, conditions or operating ranges.

Zurück Bezug nehmend auf 10 können die Abgasströmungspfade 622 und 624, die durch das Paar von Zylinder gespeist werden und in den Ammoniakerzeugungskatalysator 630 speisen, moduliert werden, um Wasserstoff und NOx bei verschiedenen Niveaus durch Modulieren des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in zugeordneten Zylindern in dem Motor 610 zu enthalten. Gleichermaßen werden die Abgasströmungspfade 626 und 628 durch ein gleiches Paar von Zylindern gespeist. Durch Modulation von Luft/Kraftstoff-Verhältnissen mit den verschiedenen Zylindern des Motors 610 können erhöhte Niveaus an Wasserstoff und NOx erzeugt und an Katalysatoren 630 und 632 geliefert werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die Abgasströmungspfade 622 und 628 gezeigt, wobei die zugeordneten Zylinder bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in einem ersten Bereich von stöchiometrisch zu fett betrieben werden, der zur Erzeugung von NOx förderlich ist. Zum Beispiel kann der erste Bereich Lambda-Werte von 0,96 bis 1,00 umfassen, wobei Abgasströmungspfade 622 und 628 das selbe Luft/Kraftstoff-Verhältnis innerhalb des ersten Bereichs aufweisen können oder jeder der Pfade 622 und 628 können ein verschiedenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb des ersten Bereichs aufweisen. Die Abgasströmungspfade 624 und 626 sind ebenfalls dargestellt, wobei die zugehörigen Zylinder bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in einem zweiten Bereich mit einem fetteren Luft/Kraftstoff-Verhältnis als dem ersten Bereich, der für die Herstellung von Wasserstoff förderlich ist, betrieben werden. Beispielsweise kann der zweite Bereich Lambda-Werte von 0,90 bis 0,95 umfassen, wobei die Abgasströmungspfade 624 und 626 das selbe Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem zweiten Bereich aufweisen können oder jeder der Pfade 622 und 628 kann eine verschiedenes Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem zweiten Bereich aufweisen.Referring back to 10 For example, the exhaust gas flow paths 622 and 624 fed through the pair of cylinders and feeding into the ammonia generating catalyst 630 can be modulated to contain hydrogen and NOx at different levels by modulating the air/fuel ratio in associated cylinders in the engine 610. Likewise, exhaust flow paths 626 and 628 are fed by a like pair of cylinders. By modulating air/fuel ratios with the various cylinders of engine 610, increased levels of hydrogen and NOx can be generated and delivered to catalytic converters 630 and 632. In an exemplary embodiment, exhaust gas flow paths 622 and 628 are shown with the associated cylinders operating at air/fuel ratios in a first range from stoichiometric to rich that is conducive to NOx production. For example, the first range may include lambda values from 0.96 to 1.00, where exhaust flow paths 622 and 628 may have the same air/fuel ratio within the first range, or each of the paths 622 and 628 may have a different air/fuel have a ratio within the first range. Exhaust gas flow paths 624 and 626 are also shown with the associated cylinders operating at air/fuel ratios in a second region having a richer air/fuel ratio than the first region conducive to the production of hydrogen. For example, the second range may include lambda values from 0.90 to 0.95, where exhaust flow paths 624 and 626 may have the same air/fuel ratio in the second range, or each of paths 622 and 628 may have a different air/fuel -Have ratio in the second region.

Claims (10)

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; und Verwenden 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 comprises: 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 to have an air/fuel ratio with 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, a proportion of the plurality of cylinders (20) operating at air/fuel ratios in a first range from stoichiometric to rich conducive to producing NOx, and wherein a remaining proportion of the plurality of cylinders (20) at air/fuel ratios in a second range that having a richer air/fuel ratio than the first range, conducive to producing molecular hydrogen; and using the ammonia production catalyst (630, 632) to produce ammonia. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anteil der Mehrzahl von Zylindern (20), die bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in dem ersten Bereich von stöchiometrisch zu fett arbeiten, der förderlich ist, um NOx zu erzeugen, umfasst, dass jeder Zylinder (20) des Anteils bei demselben Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeitet.procedure after claim 1 wherein the proportion of the plurality of cylinders (20) operating at air/fuel ratios in the first range from stoichiometric to rich conducive to producing NOx comprises each cylinder (20) of the proportion at the same Air/fuel ratio works. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anteil der Mehrzahl von Zylindern (20), die bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in dem ersten Bereich von stöchiometrisch zu fett arbeiten, der förderlich ist, um NOx zu erzeugen, umfasst, dass zumindest zwei Zylinder (20) des Anteils bei verschiedenen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen arbeiten.procedure after claim 1 wherein the proportion of the plurality of cylinders (20) operating at air/fuel ratios in the first range from stoichiometric to rich conducive to producing NOx comprises at least two cylinders (20) of the proportion at different air/fuel ratios. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der restliche Anteil der Mehrzahl der Zylinder (20), die bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in dem zweiten Bereich, der ein fetteres Luft/Kraftstoff-Verhältnis als der erste Bereich aufweist, betrieben wird, der förderlich ist, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen, umfasst, dass jeder Zylinder (20) des verbleibenden Anteils bei demselben Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeitet.procedure after claim 1 wherein the remaining portion of the plurality of cylinders (20) operating at air/fuel ratios in the second region having a richer air/fuel ratio than the first region conducive to producing molecular hydrogen generate comprises each cylinder (20) of the remaining portion operating at the same air/fuel ratio. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der verbleibende Anteil der Mehrzahl der Zylinder (20), die bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in dem zweiten Bereich, der ein fetteres Luft/Kraftstoff-Verhältnis als der erste Bereich aufweist, betrieben wird, der förderlich ist, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen, umfasst, dass zumindest zwei Zylinder (20) des verbleibenden Anteils bei verschiedenen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen arbeiten.procedure after claim 1 wherein the remaining portion of the plurality of cylinders (20) operating at air/fuel ratios in the second region having a richer air/fuel ratio than the first region conducive to producing molecular hydrogen generate comprises at least two cylinders (20) of the remaining portion operating at different air/fuel ratios. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zylinder (20), die bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in dem ersten Bereich von stöchiometrisch zu fett arbeiten, der förderlich ist, um NOx zu erzeugen, und die Zylinder (20), die bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in dem zweiten Bereich arbeiten, der förderlich ist, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen, von Verbrennungszyklus zu Verbrennungszyklus wechseln können.procedure after claim 1 wherein the cylinders (20) operating at air/fuel ratios in the first range from stoichiometric to rich conducive to producing NOx and the cylinders (20) operating at air/fuel ratios in the work second area conducive to produce molecular hydrogen can switch from combustion cycle to combustion cycle. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zylinder (20), die bei Luft/Kraftstoff-Verhältnissen in dem zweiten Bereich arbeiten, der förderlich ist, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen, mit einer Strategie mit geteilter Kraftstoffeinspritzung betrieben werden.procedure after claim 1 wherein the cylinders (20) operating at air/fuel ratios in the second range conducive to producing molecular hydrogen are operated with a split fuel injection strategy. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Strategie mit geteilter Kraftstoffeinspritzung eine Spätverbrennungs-Kohlenwasserstoffreformierung aufweist.procedure after claim 7 , wherein the split fuel injection strategy includes late combustion hydrocarbon reforming. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die geteilte Kraftstoffeinspritzstrategie eine Nachverbrennungs-Kohlenwasserstoffreformierung umfasst.procedure after claim 7 , wherein the split fuel injection strategy includes post-combustion hydrocarbon reforming. Vorrichtung zum Steuern eines Antriebsstrangs, der einen Verbrennungsmotor (10) mit mehreren Zylindern (20) und ein Abgasnachbehandlungssystem (15) umfasst, umfassend: ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Direkteinspritzung; wobei das Abgasnachbehandlungssystem (15) umfasst: eine Vorrichtung (220) für selektive katalytische Reduktion, die Ammoniak als ein Reduktionsmittel verwendet, und einem ersten Ammoniakerzeugungskatalysator (630, 632), der zwischen dem Motor (10) und der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion angeordnet ist; und einen Controller, der konfiguriert ist, um: Ammoniakerzeugungsanforderungen für die Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion zu überwachen, Sauerstoff von dem ersten Ammoniakerzeugungskatalysator (630, 632) abzureichern, umfassend, dass für ein erstes Paar der Zylinder (20) ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Betriebsbereich von stöchiometrisch zu fett gewählt wird, und nach einem Abreichern von Sauerstoff von dem ersten Ammoniakerzeugungskatalysator (630, 632) Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems mit Direkteinspritzung, umfassend, dass verschiedene Luft/Kraftstoff-Verhältnisse in dem ersten Paar der Zylinder (20) bewirkt werden, umfassend: Betreiben von einem des ersten Paares der Zylinder (20)bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem ersten Bereich von stöchiometrisch zu fett, das förderlich ist, um NOx zu erzeugen, auf Grundlage der Ammoniakerzeugungsanforderungen, und Betreiben des anderen des ersten Paares von Zylindern (20) bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem zweiten Bereich, der ein fetteres Luft/Kraftstoff-Verhältnis als der erste Bereich aufweist, und der förderlich ist, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen, auf Grundlage der Ammoniakerzeugungsanforderungen.Apparatus for controlling a powertrain comprising an internal combustion engine (10) having multiple cylinders (20) and an exhaust aftertreatment system (15), comprising: a direct injection fuel injection system; the exhaust aftertreatment system (15) comprising: a selective catalytic reduction device (220) using ammonia as a reductant, and a first ammonia production catalyst (630, 632) disposed between the engine (10) and the selective catalytic reduction device is; and a controller configured to: monitor ammonia production requirements for the selective catalytic reduction device, impoverish oxygen from the first ammonia production catalyst (630, 632), comprising, for a first pair of cylinders (20), an air/fuel ratio is selected in an operating range from stoichiometric to rich, and after depleting oxygen from the first ammonia generating catalyst (630, 632), controlling the direct injection fuel injection system comprising that different air/fuel ratios in the first pair of cylinders (20) being effected comprising: operating one of the first pair of cylinders (20) at an air/fuel ratio in a first range from stoichiometric to rich conducive to producing NOx based on the ammonia generation requirements, and operating the other of the first pair of cylinders (20) at an air/fuel ratio in a second range having a richer air/fuel ratio than the first range and conducive to producing molecular hydrogen , based on the ammonia production requirements.
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