DE102013203361B4

DE102013203361B4 - Verbrennungsmotorsystem, verfahren zum steuern der temperatur von abgas in einem abgassystem eines verbrennungsmotors und abgassystem

Info

Publication number: DE102013203361B4
Application number: DE102013203361.3A
Authority: DE
Inventors: Scot A. Douglas; Michael J. Paratore Jr.; Jason Daniel Mullins; Patrick Barasa
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: CN103306790A; US8818691B2; DE102013203361A1; US20130245918A1; CN103306790B

Abstract

Verbrennungsmotorsystem, umfassend:einen Zylinder (114);ein Kraftstoffsystem (156) in Fluidkommunikation mit dem Zylinder (114), um eine Kraftstoffströmung zur Mischung mit Luft in dem Zylinder (114) für einen Verbrennungsprozess zu führen;ein Abgassystem (106) in Fluidkommunikation mit dem Zylinder (114), um ein von dem Verbrennungsprozess erzeugtes Abgas aufzunehmen, wobei das Abgassystem (106) einen Oxidationskatalysator (126), einen SCR-Katalysator (128) und einen Partikelfilter (130) stromabwärts des SCR-Katalysators (128) aufweist; undein Steuermodul (110), das eine Energiemenge, die erforderlich ist, um die Soll-Temperatur an einer Temperatursteuerstelle zu erreichen, bestimmt, die durch zumindest eines bereitgestellt werden soll aus:einem Nacheinspritzprozess unter Verwendung des Kraftstoffsystems (156),einer Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154) undeiner Heizvorrichtung (150), die derart konfiguriert ist, das Abgas in dem Partikelfilter (130) zu heizen,wobei das Steuermodul (110) umfasst:einen Wirkungsgradblock (222), der anhand einer Raumgeschwindigkeit (224) im Oxidationskatalysator (126), einer in den Oxidationskatalysators (126) eintretenden Temperatur (226), einer Raumgeschwindigkeit (228) im SCR-Katalysator (128), einer in den SCR-Katalysator (128) eintretenden Temperatur (230), einer Raumgeschwindigkeit (232) in der Heizvorrichtung (150) und einer in die Heizvorrichtung (150) eintretenden Temperatur (234) Wirkungsgrade für den Oxidationskatalysator (126), die SCR-Vorrichtung (128) und die Heizvorrichtung (150) bestimmt, undeinen Priorisierungsblock (236), der anhand der Wirkungsgrade eine ausgeglichene Energieverteilung der Energiebeiträge der Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154), des Nacheinspritzprozesses und der Heizvorrichtung (150) ermittelt, um die Solltemperatur für die Temperatursteuerstelle zu erreichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungsmotorsystem, ein Verfahren zum Steuern der Temperatur von Abgas in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgassystem zum Steuern der Temperatur an einer oder mehreren gewählten Stellen in Abgassystemen.
Ein Motorsteuermodul eines Verbrennungsmotors steuert das Gemisch von Kraftstoff und Luft, das an Brennräume in Zylindern eines Motors geliefert wird. Nachdem das Luft/Kraftstoff-Gemisch gezündet ist, findet eine Verbrennung statt und später verlassen die Verbrennungsgase die Brennräume durch die Abgasventile. Die Verbrennungsgase werden durch einen Abgaskrümmer zu einem katalytischen Wandler oder anderen Komponenten eines Abgasnachbehandlungssystems gelenkt. Einige Motoren können optional eine Aufladungsvorrichtung aufweisen, wie einen Turbolader, der zwischen dem Abgaskrümmer und Abgasnachbehandlungskomponenten positioniert ist.
Hersteller von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, sehen sich der herausfordernden Aufgabe einer Einhaltung gegenwärtiger und zukünftiger Emissionsstandards für die Freisetzung von Stickoxiden, insbesondere Stickstoffmonoxid, wie auch nicht verbrannten und teilweise oxidierten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Partikelmaterial und anderen partikulären Stoffen gegenüber. Um die Emissionen von Verbrennungsmotoren zu reduzieren, wird ein Abgasnachbehandlungssystem verwendet, um diese Bestandteile von dem Abgas zu reduzieren.
Abgasnachbehandlungssysteme weisen typischerweise eine oder mehrere Nachbehandlungsvorrichtungen auf, wie Partikelfilter, katalytische Wandler, Mischelemente und Harnstoff/Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen. Eine Steuerung der Temperatur des Abgases kann das Leistungsvermögen von Komponenten in dem Abgassystem beeinflussen. Beispielsweise ist ein Partikelfilter derart konfiguriert, um Kohlenstoffpartikel oder Partikel, die sich aus einer unvollständigen Verbrennung eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs ergeben, auch als Ruß bezeichnet, aus dem Abgas zu entfernen. Partikelfilter sind typischerweise so ausgelegt, dass eine gewählte Menge an Ruß in der Vorrichtung angesammelt wird. Partikelfilter können derart konfiguriert sein, den angesammelten Ruß durch einen Regenerationsprozess periodisch wegzubrennen. Der Regenerationsprozess kann durch Erhöhen einer Temperatur des in den Partikelfilter eintretenden Abgases ausgelöst werden, wobei die erhöhte Temperatur das Verbrennen des Rußes bewirkt.
DE 10 2010 007 611 A1 offenbart ein System, das einen Partikelmaterialfilter mit mehreren Zonen umfasst. Eine elektrische Heizung umfasst Heizungssegmente, die jeweiligen der Zonen zugeordnet sind. Die elektrische Heizung ist stromaufwärts von und nahe dem PM-Filter angeordnet. Ein Nach-Kraftstoffeinspritzsystem spritzt Kraftstoff in einen Zylinder eines Motors und/oder ein Abgassystem ein. Ein Steuermodul wählt eine der Zonen, stellt eine Nach-Kraftstoffeinspritzung auf Grundlage der gewählten der Zonen ein und erwärmt elektrisch die eine der Zonen über ein jeweiliges der Heizungssegmente.
WO 2009 / 016 266 A2 offenbart ein Temperaturregelsystem für einen Oxidationskatalysator eines Motors. Auf Basis einer gewünschten Auslasstemperatur des Oxidationskatalysators wird ein Wert der Nachbrennstoffmenge berechnet, die eingeführt werden soll, um eine exotherme Reaktion im Oxidationskatalysator zu erzeugen. Dabei verwendet die Berechnung ein stationäres, den Oxidationskatalysator beschreibendes Modell, wobei das stationäre Modell den Abgasmassenstrom und die Einlasstemperatur des Oxidationskatalysators verwendet, um die Nachmenge des in den Motor einzuführenden Kraftstoffs anzuweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine verbesserte Steuerung der Abgastemperaturen im Abgassystem ein verbessertes Leistungsvermögen und reduzierte Emissionen zu erreichen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 3 und 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

1 ist ein Schaubild eines beispielhaften Verbrennungsmotors und eines zugeordneten Abgasbehandlungssystems; und
2 ist ein Schaubild eines beispielhaften Verfahrens zur Bestimmung der Energiemenge, die durch jeden Abgassystemregenerationsprozess beigetragen werden soll.

Der hier verwendete Begriff „Controller“ oder „Steuermodul“ betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht 1 einen beispielhaften Verbrennungsmotor 100, in diesem Fall einen Reihen-Vierzylinder-Dieselmotor, der einen Motorblock und eine Zylinderkopfbaugruppe 104, ein Abgassystem 106, einen Turbolader 108 und ein Steuermodul 110 (auch als „Controller“) bezeichnet) aufweist. Ein Abgaskrümmer 118 ist mit dem Motorblock und einer Zylinderkopfbaugruppe 104 gekoppelt. Darüber hinaus umfassen der Motorblock und die Zylinderkopfbaugruppe 104 Zylinder 114, wobei die Zylinder 114 eine Kombination aus Verbrennungsluft und Kraftstoff, der durch ein Kraftstoffsystem 156 geliefert wird, aufnehmen. Das Verbrennungsluft/Kraftstoff-Gemisch wird verbrannt, was in einer Hubbewegung von Kolben (nicht gezeigt) resultiert, die in den Zylindern 114 angeordnet sind. Die Hubbewegung der Kolben rotiert eine Kurbelwelle (nicht gezeigt), um Antriebsleistung an einen Fahrzeugantriebsstrang (nicht gezeigt) oder an einen Generator oder einen anderen stationären Empfänger derartiger Leistung (nicht gezeigt) in dem Fall einer stationären Anwendung des Verbrennungsmotors 100 zu liefern. Die Verbrennung des Luft / KraftstoffGemisches bewirkt eine Strömung von Abgas durch den Abgaskrümmer 118 und den Turbolader 108 und in das Abgassystem 106. Bei einer Ausführungsform weist der Turbolader 108 ein Kompressorrad 123 und ein Turbinenrad 124 auf, die durch eine Welle 125 gekoppelt sind, die drehbar in dem Turbolader 108 angeordnet ist.
Eine Abgasströmung 122, die aus einer Verbrennung in Zylindern 114 resultiert, treibt das Turbinenrad 124 des Turboladers 108 an, wodurch Energie zur Rotation des Kompressorrads 123 bereitgestellt wird, um eine komprimierte Luftladung 142 zu erzeugen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die komprimierte Luftladung 142 durch einen Ladekühler 144 gekühlt und durch eine Leitung 146 an einen Ansaugkrümmer 148 geführt. Die komprimierte Luftladung 142 liefert zusätzliche Verbrennungsluft (im Vergleich zu einem nicht turboaufgeladenen, selbstansaugenden Motor) zur Verbrennung mit Kraftstoff in den Zylindern 114, wodurch der Leistungsausgang und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 100 verbessert werden.
Das Abgas 122 strömt durch das Abgassystem 106 zur Entfernung oder Verringerung von Partikeln und wird dann in die Atmosphäre abgegeben. Erfindungsgemäß weist das Abgassystem 106 Katalysatorvorrichtungen auf, wie eine Oxidationskatalysator- („OC“-) Vorrichtung 126 und eine Vorrichtung 128 für selektive katalytische Reduktion („SCR“) wie auch einen Partikelfilter („PF“) 130. Die OC 126 kann beispielsweise ein Durchström-Metall- oder Keramik-Monolithsubstrat aufweisen, das in eine intumeszente oder quellende Matte oder einen anderen geeigneten Träger gewickelt ist, die/der sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird. Das Substrat kann in eine Schale oder einen Kanister aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit Abgasleitungen oder -durchgängen eingebaut sein. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann Metalle der Platingruppe aufweisen, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren. Die SCR-Vorrichtung 128 kann auch zum Beispiel ein Durchström-Keramik- oder Metall-Monolithsubstrat aufweisen, das in eine intumeszente bzw. quellende Matte oder einen anderen geeigneten Träger gewickelt ist, die/der sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird. Das Substrat kann in eine Schale oder einen Kanister aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit Abgasleitungen eingebaut sein. Das Substrat kann eine daran aufgebrachte SCR-Katalysatorzusammensetzung aufweisen. Die SCR-Katalysatorzusammensetzung kann einen Zeolith sowie eine oder mehrere Basismetallkomponenten aufweisen, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), die effizient dazu dienen können, NOx-Bestandteile in dem Abgas 122 in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak (NH3) umzuwandeln. Ein NH3-Reduktionsmittel kann von einer Fluidversorgung 160 (Reduktionsmittelversorgung) geliefert werden und in das Abgas 122 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 128 unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel kann in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Harnstofflösung vorliegen und kann mit Luft in der Einspritzeinrichtung gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprühnebels zu unterstützen.
Erfindungsgemäß ist der Partikelfilter PF 130 stromabwärts der SCR-Vorrichtung 128 angeordnet. Der PF 130 dient dazu, das Abgas 122 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Bei Ausführungsformen kann der PF 130 unter Verwendung eines keramischen Wandströmungsmonolithfilters 23 aufgebaut sein, der in eine intumeszente Matte oder einen anderen geeigneten Träger gewickelt ist, der sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei der Filter 23 gesichert und isoliert wird. Der Filter kann in eine Schale oder einen Kanister eingebaut sein, die/der zum Beispiel aus rostfreiem Stahl besteht und der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit Abgasleitungen aufweist. Der keramische Wandströmungsmonolithfilter kann eine Mehrzahl sich längs erstreckender Durchgänge besitzen, die durch sich längs erstreckende Wände definiert sind. Die Durchgänge umfassen einen Untersatz von Einlassdurchgängen, die ein offenes Einlassende und ein geschlossenes Auslassende besitzen, sowie einen Untersatz von Auslassdurchgängen, die ein geschlossenes Einlassende und ein offenes Auslassende besitzen. Abgas 122, das in den Filter durch die Einlassenden der Einlassdurchgänge eintritt, wird durch benachbarte, sich längs erstreckende Wände zu den Auslassdurchgängen getrieben. Durch diesen beispielhaften Wandströmungsmechanismus wird das Abgas 122 von Kohlenstoff (Ruß) und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel werden an den sich in Längsrichtung erstreckenden Wänden der Einlassdurchgänge abgelagert und besitzen mit der Zeit die Wirkung der Erhöhung des Abgasgegendrucks, dem der Verbrennungsmotor 100 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der keramische Wandströmungsmonolithfilter lediglich beispielhafter Natur ist und dass der PF 130 andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc.
Die Ansammlung von Partikelmaterial in dem PF 130 wird periodisch gereinigt oder regeneriert, um den Gegendruck zu reduzieren. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel (auch als „Ruß“ bezeichnet) typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (z.B. bei oder oberhalb 600°C).
Bei einer Ausführungsform wird ein erhöhtes Rußniveau in dem PF 130 erfasst, und es kann ein Regenerationsprozess ausgeführt werden. Bei einer Ausführungsform bestimmt das Steuermodul 110 eine Rußbeladung in dem PF 130. Der Regenerationsprozess kann verschiedene Komponenten betreffen und eine oder mehrere Stufen aufweisen. Erfindungsgemäß weist der Regenerationsprozess eine Einführung von Wärme in das Abgasnachbehandlungssystem 106 durch Einführen von Kraftstoff (Kohlenwasserstoffen oder HC) über eine Einspritzeinrichtung, wie eine Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung („HCI“) 154 direkt in das Abgas 122 auf, wenn dieses in Katalysatoren, wie OC 126 und SCR-Vorrichtung 128 strömt. Eine gewählte Kraftstoffmenge wird von der HCI 154 in das Abgas 122 gelenkt und über dem OC 126 und der SCR-Vorrichtung 128 verbrannt, was eine erhöhte Temperatur für die Abgasströmung 122 in den PF 130 bewirkt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Steuermodul 110 mit der HCI 154 gekoppelt und derart konfiguriert, die Kraftstoffmenge, die in die Abgasströmung 122 geführt werden soll, zu steuern, wobei die resultierende erhöhte Abgastemperatur die abgefangenen Rußpartikel stromabwärts in dem PF 130 verbrennt.
Erfindungsgemäß weist der Regenerationsprozess eine Heizvorrichtung 150 auf, die von dem Steuermodul 110 gesteuert wird, wobei der Betrieb der Heizvorrichtung 150 auf erfassten erhöhten Rußniveaus basiert. Wenn das bestimmte Rußniveau ein Schwellenniveau (z.B. 5 Gramm/Liter an Ruß) erreicht und der Abgasdurchfluss innerhalb eines gewünschten Bereiches liegt, steuert das Steuermodul einen Strom, der an die Heizvorrichtung 150 über eine Leistungsquelle 152 geliefert wird, um den Regenerationsprozess auszulösen. Die Heizvorrichtung 150 kann aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut sein, das elektrisch leitend ist, wie ein gewickelter oder gestapelter Metallmonolith. Die Leistungsquelle 152 ist mit einem elektrischen System verbunden, wie einem elektrischen Fahrzeugsystem, und liefert Elektrizität an die Heizvorrichtung 150. Die Heizvorrichtung 150 erhöht im erhitzten Zustand die Temperatur des durch die Heizvorrichtung 150 strömenden Abgases 122 und/oder erhöht die Temperatur von Abschnitten des Filters 130 bei oder nahe der Heizvorrichtung 150. Die Dauer des Regenerationsprozesses variiert auf Grundlage der Menge an Partikelmaterial in dem PF 130. Bei einem Aspekt wird Strom nur während eines anfänglichen Abschnitts des Regenerationsprozesses angelegt. Genauer wird die elektrische Energie von dem Strom an die Heizvorrichtung 150 gelenkt, die den Einlass des PF 130 für eine gewählte Zeitdauer (z.B. 1 - 2 Minuten) heizt. Der Rest des Regenerationsprozesses wird unter Verwendung der Wärme erreicht, die durch Verbrennung von in dem PF 130 vorhandenem Partikelmaterial erzeugt wird.
Regenerationsverfahren können auch Kraftstoff in die Abgasströmung 122 nach dem Hauptverbrennungsereignis in den Zylindern 114 einspritzen. Dieser Prozess kann als Nacheinspritzung oder späte Nacheinspritzung von Kraftstoff bezeichnet werden, wobei das Kraftstoffsystem 156 die gewählte Menge an Kraftstoff in Zylinder zum Zusatz zu der Abgasströmung 122 zur Verbrennung in dem Abgassystem 106 liefert. Der eingespritzte Nachverbrennungskraftstoff wird über einem oder mehreren Katalysatoren, wie dem OC 126 und der SCR-Vorrichtung 128 in dem Abgassystem 106 verbrannt. Die von der Kraftstoffverbrennung an den Katalysatoren freigesetzte Wärme erhöht die Abgastemperatur, die die abgefangenen Rußpartikel in dem PF 130 verbrennt, der stromabwärts der Katalysatoren 126, 128 platziert ist. Das Steuermodul 110 steuert die Kraftstoffmenge, die durch das Kraftstoffsystem 156 während des Nacheinspritzprozesses bereitgestellt wird. Die gewählte Menge an Kraftstoff, die zur Nacheinspritzung eingespritzt wird, kann von dem Steuermodul 110 auf Grundlage verschiedener Information bestimmt werden, wie erfassten Parametern, Komponentenspezifikationen und Systemkonfiguration.
Bei einem beispielhaften Verbrennungsmotor 100 steht das Steuermodul 110 in Signalkommunikation mit dem Turbolader 108, dem Ladekühler 144, der Leistungsquelle 152, der HCI 154, der Kraftstoffversorgung 156, Sensoren 158 und dem Abgassystem 106, wobei das Steuermodul 110 derart konfiguriert ist, verschiedene Signaleingänge zu verwenden, um verschiedene Prozesse zu steuern. Bei Ausführungsformen ist das Steuermodul 110 mit Sensoren 158 gekoppelt und derart konfiguriert, Signaleingänge von Sensoren 158 aufzunehmen, die Information aufweisen, wie Temperatur (Ansaugsystem, Abgassystem, Motorkühlmittel, Umgebung, etc.), Druck, Abgasdurchflüsse, Rußniveaus, NO_x-Konzentrationen, Abgasbestandteile (chemische Zusammensetzung) und andere Parameter.
Das Steuermodul 110 ist derart konfiguriert, gewählte Prozesse oder Betriebsabläufe auf Grundlage der erfassten Parameter auszuführen, wie Regenerationsprozesse auf Grundlage erhöhter Rußniveaus in dem Partikelfilter 130. Beispielhafte Sensoren 158 sind an einem Auslass des Turboladers 108, einem Einlass des OC 126 und einem Einlass der SCR-Vorrichtung 128 positioniert.
Erfindungsgemäß verwendet das Steuermodul 110 zumindest einen der Regenerationsprozesse, wie die Nacheinspritzung über die Kraftstoffversorgung 156, die HCl 154 und die Heizvorrichtung 150, um den PF 130 zu regenerieren. Die gezeigte Anordnung sieht ein Verfahren und ein System zur Bestimmung eines ausgeglichenen und effizienten Gebrauchs der Regenerationskomponenten (d.h. Nacheinspritzprozess mit Kraftstoffversorgung 156, HCI 154, Heizvorrichtung 150) vor. Die Anordnung bestimmt die geeignete Energiemenge, die durch jede der Regenerationskomponenten bereitgestellt werden soll, auf Grundlage einer Soll-Temperatur für das in den PF 130 strömende Abgas, von erfassten Abgasparametern, Komponentenspezifikationen, Energieverlusten in dem System und anderer Information. Demgemäß koordiniert eine Ausführungsform Komponenten des Abgassystems 106, um eine verbesserte Steuerung und Optimierung des Regenerationsprozesses bereitzustellen, indem eine Temperatur an einer gewählten Stelle in dem Abgassystem 106 gesteuert wird. Ferner kann die Anordnung dazu verwendet werden, die Energiemenge, die durch jede Regenerationskomponente beigetragen wird, auf Grundlage der verfügbaren Komponenten und Konfiguration zu bestimmen, wodurch eine Optimierung der Regeneration über verschiedene Plattformen ermöglicht wird.
Zusätzlich kann das gezeigte System 106 dazu verwendet werden, einen ausgeglichenen Energiebeitrag von verfügbaren Komponenten zu bestimmen, der dazu verwendet werden kann, die Temperatur von Abgas zu steuern, das in Komponenten des Systems, wie den OC 126 und/oder die SCR-Vorrichtung 128 eintritt, um eine Emissionsleistungsfähigkeit dadurch zu verbessern, dass eine Soll-Temperatur in den Komponenten zur effektiven Partikel- oder Bestandteilentfernung erreicht wird.
2 ist ein Schaubild 200 eines beispielhaften Verfahrens und Systems zur Bestimmung der Energiemenge, die durch jeden Abgassystemregenerationsprozess und/oder zugeordnete Abgassystemkomponente(n) beigetragen wird. Das Schaubild 200 kann Anwendung auf ein Abgassystem finden, um eine Soll-Temperatur an einer gewählten Stelle in dem System zu erreichen. Zur Vereinfachung der Erläuterung sind die Schritte des Schaubilds 200 mit Bezug auf den beispielhaften Verbrennungsmotor 100 von 1 erläutert, wobei jedoch zu verstehen sei, dass das Verfahren und System durch ein beliebiges geeignetes Verbrennungsmotorsystem ausgeführt werden können. Die Schritte des Schaubilds 200 können von einem oder mehreren Steuermodulen, wie dem Steuermodul 110, in einem System ausgeführt werden. Ein Abgasdurchflussparameter 202 repräsentiert einen Massendurchfluss von Abgas von dem Turbolader 108. Bei einer Ausführungsform wird der beispielhafte Abgasdurchflussparameter 202 unter Verwendung eines der Sensoren 158 bestimmt, die stromabwärts des Turboladers 108 positioniert sind, wie nahe dem Auslass des Turboladers 108. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Abgasdurchflussparameter 202 unter Verwendung eines anderen geeigneten Verfahrens bestimmt, wie durch Modellieren des Abgassystems. Ein Parameter 204 für spezifische Wärme repräsentiert die spezifische Wärme für das von dem Turbolader 108 strömende Abgas, wobei die spezifische Wärme auf Grundlage der Temperatur und der Zusammensetzung des Abgases an der Stelle bestimmt werden kann. Ein Temperaturparameter 206 repräsentiert die Temperatur des von dem Turbolader 108 strömenden Abgases, wobei die Temperatur durch ein beliebiges geeignetes Verfahren bestimmt wird, wie Modellieren oder Messungen eines der Sensoren 158 nahe dem Auslass des Turboladers 108.
Ein Parameter 208 der spezifischen Wärme repräsentiert die spezifische Wärme für das Abgas an einer gewählten Stelle in dem Abgassystem 106, wo die Abgastemperatur gesteuert wird (auch als „Temperatursteuerstelle“ bezeichnet). Der Parameter 208 der spezifischen Wärme kann auf Grundlage der Soll-Temperatur an der Temperatursteuerstelle und der Zusammensetzung des Abgases berechnet und/oder bestimmt werden. Ein Temperaturparameter 210 repräsentiert die Sollabgastemperatur an der Temperatursteuerstelle. Bei einer Ausführungsform ist die Soll-Temperatur diejenige Temperatur, bei der eine Regeneration in dem PF 130 ausgelöst wird, wobei die Temperatursteuerstelle nahe dem Einlass des PF 130 liegt. Demgemäß ist die Soll-Temperatur (Temperaturparameter 210) ein Eingang, der vorgesehen ist, um einen ausgeglichenen Betrieb des Abgassystems 106 zu ermöglichen, wobei das Steuermodul 110 eine Regeneration auf Grundlage von Eingängen, einschließlich Temperaturparameter 210, Systembedingungen, Systemmodellen, Komponentenwirkungsgraden, Systemenergieverlusten und verfügbaren Komponenten in dem System optimiert.
Die Eingänge werden von einem Modul oder Block 211 empfangen, wobei der Block die Eingänge verarbeitet, um einen Energiewert 213 bereitzustellen, wobei der Energiewert die Energiemenge ist, die erforderlich ist, um die Soll-Temperatur an der Temperatursteuerstelle zu erreichen. Bei einer Ausführungsform werden die Temperaturparameter 206 und 210 mit den Parametern 204 bzw. 208 der spezifischen Wärme multipliziert, um Werte der spezifischen Wärme-Temperatur zu erzeugen. Anschließend wird eine Differenz für die resultierenden Werte der spezifischen Wärme-Temperatur für die Soll-Temperatur 210 im Vergleich zu der Ist-Temperatur 206 von dem Turbinenauslass berechnet. Die Differenz wird anschließend mit dem Abgasdurchflussparameter 202 multipliziert, um den Energiewert 213 bereitzustellen, der die Nettoenergie repräsentiert, die erforderlich ist, um die Soll-Temperatur 210 zu erreichen.
Eine Gruppe von Komponentenparametern ist durch Block 212 repräsentiert, wobei die Parameter die Nettoenergie repräsentieren, die unter gegenwärtigen Bedingungen für jeden Regenerationsprozess oder jede Komponente verfügbar ist, die dazu verwendet wird, die Abgastemperatur zu steuern. Eine Netto-HCI-Energie 214 repräsentiert die Menge der Nettoenergie, die gegenwärtig von der HCI 154 verfügbar ist, die Kraftstoff in das Abgas einspritzt. Eine Netto-Nacheinspritzenergie 216 repräsentiert den Betrag an Nettoenergie, der von dem Kraftstoffsystem 156 verfügbar ist, das eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in Abgas in den Zylindern 114 ausführt. Eine Nettoheizvorrichtungsenergie 218 repräsentiert einen Betrag an Nettoenergie, der derzeit von der Heizvorrichtung 150 verfügbar ist, um das Abgas, das in den PF 130 eintritt oder sich in diesem befindet, zu heizen. Bei einer Ausführungsform basieren die Nettoenergiewerte in Block 212 auf Komponentenspezifikationen bei gewählten Betriebsbedingungen, wobei die Werte eine ideale Leistungsfähigkeit unter Idealbedingungen angeben.
Der Energiewert 213, der dem Betrag an Nettoenergie entspricht, der für die Soll-Temperatur an der gewählten Stelle erforderlich ist, wird mit einem Energieverlustwert 220 kombiniert. Der Energieverlustwert 220 repräsentiert die Energiemenge, die an der Temperatursteuerstelle verlorengeht. Beispielsweise kann der Energieverlustwert bei 220 die Energieverluste aufgrund verschiedener Faktoren repräsentieren, einschließlich Energie, die an dem Einlass des PF 130 verlorengeht aufgrund von Wärmeverlust, Fluiddynamik, thermischer Masse und anderen Faktoren in dem Abgassystem 106. Demgemäß resultiert die Kombination der Werte für 213 und 220 in der Gesamtenergie, die notwendig ist, um die Soll-Temperatur für die Temperatursteuerstelle zu erreichen, wobei Bedingungen und Verluste in dem System berücksichtigt sind, was durch den Gesamtenergiewert 221 repräsentiert ist.
Der Block 222 repräsentiert eine Wirkungsgradbestimmung für die Komponenten in dem Abgassystem, wie den OC 126, der SCR-Vorrichtung 128 und der Heizvorrichtung 150. Bei einer Ausführungsform basieren Wirkungsgrade für jede Komponente auf verschiedenen Faktoren, wie der Anordnung von Komponenten in dem System, der empfangenen Abgastemperatur und der Raumgeschwindigkeit des empfangenen Abgases. Genauer repräsentiert eine OC-Raumgeschwindigkeit 224 einen Wert auf Grundlage eines Abgasmassendurchflusses und des Volumens des OC 126. Die OC-Raumgeschwindigkeit 224 zieht auch den Strömungswirkungsgrad des Abgases in dem OC 126 in Betracht, wobei der Strömungswirkungsgrad ein Ergebnis von Eigenschaften eines Substrats in dem OC 126, der Temperatur des Abgases, eines Washcoats in dem OC 126 und davon ist, wie lange das Abgas in dem OC 126 verbleibt. Eine Ausführungsform verwendet eine Massendurchflussmessung, die von dem Sensor 158 nahe dem Einlass des OC 126 genommen wird, Volumeneigenschaften des OC 126, Gewicht von Abgasbestandteilen und andere Faktoren, um die OC-Raumgeschwindigkeit 224 zu bestimmen. Die resultierende bestimmte OC-Raumgeschwindigkeit 224 stellt einen der Eingänge in den Wirkungsgradblock 222 dar. Ein zusätzlicher Eingang ist eine OC-Temperatur 226, die die in den OC 126 eintretende Abgastemperatur repräsentiert, die ebenfalls von dem Sensor 158 nahe dem Einlass des OC 126 gemessen werden kann. Eine SCR-Raumgeschwindigkeit 228 ist ein Parameter auf Grundlage eines Abgasmassendurchflusses, des Volumens und der Volumenänderung der SCR-Vorrichtung 128, der Eigenschaften eines Substrats in der SCR-Vorrichtung 128, eines Washcoats der SCR-Vorrichtung und einer Verweilzeit für das Abgas in der SCR-Vorrichtung 128. Eine SCR-Vorrichtungstemperatur 230 repräsentiert die Temperatur des in die SCR-Vorrichtung 128 eintretenden Abgases. Eine Heizvorrichtungsraumgeschwindigkeit 232 repräsentiert einen Abgasdurchfluss auf Grundlage des Volumens und der Volumenänderung der Heizvorrichtung 150 wie auch der Verweilzeit für das Abgas in der Heizvorrichtung 150. Ferner repräsentiert eine Heizvorrichtungstemperatur 234 die Temperatur des in die Heizvorrichtung 150 eintretenden Abgases. Die von dem Wirkungsgradblock 222 empfangenen Werte können auf Grundlage irgendeines geeigneten Verfahrens bestimmt werden, wie einem oder mehreren der folgenden aus Sensormessung, Modellierung, Berechnungen und jeglicher Kombination daraus.
Der Wirkungsgradblock 222 empfängt die Werte 224, 226, 228, 230, 232, 234 und bestimmt Wirkungsgrade für den OC 126, die SCR-Vorrichtung 128 und die Heizvorrichtung 150, wobei die Wirkungsgrade für jede Vorrichtung Ausgängen 229, 231 bzw. 233 entsprechen. Bei einer Ausführungsform bestimmt der Block 222 die Wirkungsgrade aufgrund der Eingangswerte wie auch der Abgassystemanordnung und der Komponenteninformation. Bei einer Ausführungsform können die Wirkungsgrade für jede Komponente in einer Nachschlagetabelle bestimmt werden, die für jede Komponente vorgesehen ist, wobei die Raumgeschwindigkeits- und Temperaturwerte an einen entsprechenden Wirkungsgradausgang für jede Komponente angepasst werden.
Ein Priorisierungsblock 236 empfängt verschiedene Eingänge, um ausgeglichene Energiebeiträge zu bestimmen, um das Abgas von den verfügbaren Komponenten des Abgassystems 106 zu heizen. Eingänge in den Priorisierungsblock 236 umfassen den Gesamtenergiewert 221, die Netto-HCI-Energie 214, die Nettonacheinspritzungsenergie 216, die Nettoheizvorrichtungsenergie 218 wie auch den OC-Wirkungsgrad 229, den SCR-Vorrichtungswirkungsgrad 231 und den Heizvorrichtungswirkungsgrad 233. Der Priorisierungsblock 236 empfängt diese Eingänge und bestimmt eine ausgeglichene Energieverteilung, um die Solltemperatur für die Temperatursteuerstelle zu erreichen. Genauer repräsentiert ein HCI-Energiebeitrag 238 die Energiemenge, die die HCI 254 bereitstellt, um das Abgas zu heizen. Ein Nacheinspritzungsenergiebeitrag 240 repräsentiert die Energiemenge, die der Nacheinspritzprozess unter Verwendung des Kraftstoffsystems 156 in Zylinder 114 bereitstellt, um das Abgas zu heizen. Ein Heizvorrichtungsenergiebeitrag 242 repräsentiert den Energiebetrag (z.B. Watt), den die Heizvorrichtung 150 bereitstellt, um das Abgas zu heizen. Es sei angemerkt, dass einige Ausführungsformen des Abgassystems gewisse Komponenten nicht enthalten müssen, wobei ein Beitrag für den Regenerationsprozess unter Verwendung dieser Komponenten Null ist.
Bei einer Ausführungsform bestimmt der Prozess zum Energiebeitragsausgleich, der in dem Priorisierungsblock 236 stattfindet, eine Gesamtenergieanforderung (z.B. Wert 221) und vergleicht den Anforderungswert mit der verfügbaren Energie (z.B. bei Block 212 bestimmt). Wenn Energie erforderlich ist, um die Temperatur in dem System zu steuern, bestimmt der Prozess die effizientesten Komponenten und Prozesse, die zur Regeneration verfügbar sind, wobei entsprechende Steueranweisungen an die Komponenten gesendet werden, um die Energie zur Erwärmung des Abgases hinzuzufügen. Das System und der Prozess bewerten jede verfügbare Energiequelle (d.h. Nacheinspritzprozess, HCI, Heizvorrichtung), wobei Energiequellen die Prozesse und zugeordneten Komponenten sind, die zum Heizen des Abgases verwendet werden können. Eine Bewertung jeder Energiequelle kann ein Bestimmen der minimalen und maximalen verfügbaren Energie von jeder Quelle und zugeordneten Komponenten umfassen. Die Bewertung kann auch ein Anlegen der Wirkungsgrade von in Verbindung stehenden Abgaskomponenten aufweisen, wobei die Wirkungsgrade eine Bestimmung einer optimalen und ausgeglichenen Verteilung von Energie zwischen verfügbaren Quellen ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform sind die Werte für den HCI-Energiebeitrag 238, den Nacheinspritzenergiebeitrag 240 und den Heizvorrichtungsenergiebeitrag 242 Eingänge in den Anweisungsblock 244. Der Anweisungsblock 244 liefert Anweisungen zur Steuerung einer oder mehrerer Komponenten des Abgassystems 106, die einer Regenerations- oder Abgastemperatursteuerung zugeordnet sind, wobei eine oder mehrere Komponenten einem entsprechenden Prozess, wie einer Nacheinspritzung, zugeordnet sind. Bei einem Beispiel wird der HCI-Energiebeitrag 238 mit einem Wert von Kraftstoffenergie und -eigenschaften multipliziert, um ein HCI-Durchflusssignal 246 bereitzustellen. Das HCI-Durchflusssignal 246 ist ein Anweisungssignal zur Steuerung einer Menge von Kraftstoff, die von der HCI 154 strömt, entsprechend dem HCI-Energiebeitragswert 238. Zusätzlich wird ein beispielhafter Nacheinspritzenergiebeitrag 240 mit einer Kraftstoffenergieanforderung pro Kolbenhub multipliziert, wobei ein Nacheinspritzsignal 248 ein Anweisungssignal ist, das den Massendurchfluss des Kraftstoffsystems 156 steuert. Das Nacheinspritzsignal 248 und der resultierende hinzugefügte Kraftstoff pro Hub des Nacheinspritzprozesses sehen die Energie vor, die dem Nacheinspritzenergiebeitragswert 240 entspricht. Der Heizvorrichtungsenergiebeitrag 242 repräsentiert eine Anweisung, um ein Heizvorrichtungssignal 250 bereitzustellen und damit einen Strombetrag zu steuern, der an die Heizvorrichtung 150 geführt wird und dem Heizvorrichtungsenergiebeitragswert 242 entspricht.
Bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform sind, wenn ein Abgassystem keine Komponente, wie die HCI 154, aufweist, der HCI-Energiebeitrag 238 und der entsprechende Wert für das HCI-Durchflusssignal 246 Null, wobei die Energie zum Erreichen der Soll-Temperatur durch andere verfügbare Prozesse bereitgestellt wird, einschließlich dem Nacheinspritzprozess und/oder der Heizvorrichtung 150. Somit sehen das beispielhafte Verfahren und System, die durch das Schaubild 200 beschrieben sind, eine universale energiebasierte Bestimmung von ausgeglichenen Energiebeiträgen für verschiedene Komponenten, Quellen und/oder Prozesse in einem Abgassystem vor. Das beispielhafte Verfahren und System sind in der Anwendung universal, da sie mit einer Vielzahl von Abgassystemkonfigurationen und -komponenten mit wenig oder keiner Modifikation oder Kalibrierung verwendet werden können. Das Verfahren und System passen Änderungen in Systemkomponenten, Strömungsgeometrien, Wirkungsgraden, Energieverlusten und Systemkonfigurationen an. Zusätzlich optimieren das Verfahren und Systemenergiebeiträge von Abgassystemkomponenten, während eine Temperatursteuerung in dem Abgassystem vereinfacht und verbessert wird.
Bei einigen Ausführungsformen werden umfangreiche Tests und ein umfangreiches Aufzeichnen von Daten verwendet, um Energiebeiträge und entsprechende Temperaturen für Abgaskomponenten und -anordnungen für jedes System zu bestimmen. Umfangreiche Tests und Kalibrierungen für jede Abgassystemkomponente unter einer Vielzahl von Bedingungen können zur Bestimmung von Betriebseinstellungen über aufgezeichnete Daten verwendet werden. Daten werden auch in Bezug auf Änderungen in der Motor- und/oder Komponentenkalibrierung aufgezeichnet und Eingänge eingestellt, was zu umfangreichen und zeitaufwendigen Tests für jede Änderung der Konfiguration führt. Im Gegensatz dazu vereinfacht das beispielhafte Verfahren und System von 2 den Energiebeitrag jeder Regenerationskomponente unter Verwendung einer Mehrzahl von Eingängen und bringt diesen in Ausgleich, wobei die ausgeglichene Verteilung der Energiebeiträge die Steuerung des Abgassystems 106 verbessert, während auch das System vereinfacht wird.

Claims

Verbrennungsmotorsystem, umfassend: einen Zylinder (114); ein Kraftstoffsystem (156) in Fluidkommunikation mit dem Zylinder (114), um eine Kraftstoffströmung zur Mischung mit Luft in dem Zylinder (114) für einen Verbrennungsprozess zu führen; ein Abgassystem (106) in Fluidkommunikation mit dem Zylinder (114), um ein von dem Verbrennungsprozess erzeugtes Abgas aufzunehmen, wobei das Abgassystem (106) einen Oxidationskatalysator (126), einen SCR-Katalysator (128) und einen Partikelfilter (130) stromabwärts des SCR-Katalysators (128) aufweist; und ein Steuermodul (110), das eine Energiemenge, die erforderlich ist, um die Soll-Temperatur an einer Temperatursteuerstelle zu erreichen, bestimmt, die durch zumindest eines bereitgestellt werden soll aus: einem Nacheinspritzprozess unter Verwendung des Kraftstoffsystems (156), einer Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154) und einer Heizvorrichtung (150), die derart konfiguriert ist, das Abgas in dem Partikelfilter (130) zu heizen, wobei das Steuermodul (110) umfasst: einen Wirkungsgradblock (222), der anhand einer Raumgeschwindigkeit (224) im Oxidationskatalysator (126), einer in den Oxidationskatalysators (126) eintretenden Temperatur (226), einer Raumgeschwindigkeit (228) im SCR-Katalysator (128), einer in den SCR-Katalysator (128) eintretenden Temperatur (230), einer Raumgeschwindigkeit (232) in der Heizvorrichtung (150) und einer in die Heizvorrichtung (150) eintretenden Temperatur (234) Wirkungsgrade für den Oxidationskatalysator (126), die SCR-Vorrichtung (128) und die Heizvorrichtung (150) bestimmt, und einen Priorisierungsblock (236), der anhand der Wirkungsgrade eine ausgeglichene Energieverteilung der Energiebeiträge der Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154), des Nacheinspritzprozesses und der Heizvorrichtung (150) ermittelt, um die Solltemperatur für die Temperatursteuerstelle zu erreichen.
System nach Anspruch 1, wobei die Solltemperatur an der Temperatursteuerstelle in dem Abgassystem (106) eine Temperatur des Abgases umfasst, das in den Partikelfilter (130) zur Regeneration des Partikelfilters (130) eintritt.
Verfahren zum Steuern der Temperatur von Abgas in einem Abgassystem (106) eines Verbrennungsmotors (100), wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen einer Raumgeschwindigkeit (224) in einem Oxidationskatalysator (126), einer in den Oxidationskatalysators (126) eintretenden Temperatur (226), einer Raumgeschwindigkeit (228) in einem SCR-Katalysator (128), einer in den SCR-Katalysator (128) eintretenden Temperatur (230), einer Raumgeschwindigkeit (232) in einer Heizvorrichtung (150) und einer in die Heizvorrichtung (150) eintretenden Temperatur (234), Bestimmen einer Energiemenge, die erforderlich ist, um die Soll-Temperatur an einer Temperatursteuerstelle zu erreichen, die durch zumindest eines bereitgestellt werden soll aus: einem Nacheinspritzprozess unter Verwendung eines Kraftstoffsystems (156), das mit einem Zylinder (114) des Verbrennungsmotors (100) gekoppelt ist, einer Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154) in dem Abgassystem (106) und einer Heizvorrichtung (150) nahe einem Partikelfilter (130), Bestimmen von Wirkungsgraden für den Oxidationskatalysator (126), die SCR-Vorrichtung (128) und die Heizvorrichtung (150) aus der der Raumgeschwindigkeit (224) im Oxidationskatalysator (126), der in den Oxidationskatalysators (126) eintretenden Temperatur (226), der Raumgeschwindigkeit (228) im SCR-Katalysator (128), der in den SCR-Katalysator (128) eintretenden Temperatur (230), der Raumgeschwindigkeit (232) in der Heizvorrichtung (150) und der in die Heizvorrichtung (150) eintretenden Temperatur (234), Ermitteln einer ausgeglichenen Energieverteilung der Energiebeiträge der Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154), des Nacheinspritzprozesses und der Heizvorrichtung (150) anhand der Wirkungsgrade, um die Solltemperatur für die Temperatursteuerstelle zu erreichen; und Kommunizieren von zumindest einem aus: einem Signal zur Steuerung einer Kraftstoffmenge an das Abgas in dem Zylinder (114), die der Energiemenge entspricht, die von dem Nacheinspritzprozess bereitgestellt werden soll, einem Signal zur Steuerung einer Kraftstoffmenge von der Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154) an das Abgassystem (106), die der Energiemenge entspricht, die von der Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154) bereitgestellt werden soll, und einem Signal zur Steuerung eines Stromes, der an die Heizvorrichtung (150) gesendet wird und der Energiemenge entspricht, die von der Heizvorrichtung (150) bereitgestellt werden soll.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Soll-Temperatur an der gewählten Stelle in dem Abgassystem (106) eine Temperatur des Abgases umfasst, das in den Partikelfilter (130) zur Regeneration des Partikelfilters (130) eintritt.
Abgassystem (106), umfassend: einen Durchgang zum Aufnehmen des Abgases von einem Zylinder (114) eines Verbrennungsmotors (100) und zum Lenken des Abgases an einen Oxidationskatalysator (126); einen SCR-Katalysator (128) stromabwärts des Oxidationskatalysators (126); einen Partikelfilter (130) stromabwärts des SCR-Katalysators (128); eine Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154) stromaufwärts des Partikelfilters (130); eine Heizvorrichtung (150), die derart konfiguriert ist, Abgas in dem Partikelfilter (130) zu heizen; und ein Steuermodul (110), das eine Energiemenge bestimmt, die durch zumindest eines bereitgestellt werden soll aus: einem Nacheinspritzprozess unter Verwendung eines Kraftstoffsystems (156), der Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154) und der Heizvorrichtung (150), um ein Erwärmen des Abgases zu bewirken, wobei das Steuermodul (110) umfasst: einen Wirkungsgradblock (222), der anhand einer Raumgeschwindigkeit (224) im Oxidationskatalysator (126), einer in den Oxidationskatalysators (126) eintretenden Temperatur (226), einer Raumgeschwindigkeit (228) im SCR-Katalysator (128), einer in den SCR-Katalysator (128) eintretenden Temperatur (230), einer Raumgeschwindigkeit (232) in der Heizvorrichtung (150) und einer in die Heizvorrichtung (150) eintretenden Temperatur (234) Wirkungsgrade für den Oxidationskatalysator (126), die SCR-Vorrichtung (128) und die Heizvorrichtung (150) bestimmt, und einen Priorisierungsblock (236), der anhand der Wirkungsgrade eine ausgeglichene Energieverteilung der Energiebeiträge der Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (154), des Nacheinspritzprozesses und der Heizvorrichtung (150) ermittelt, um die Solltemperatur für die Temperatursteuerstelle zu erreichen.