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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrzeugabgassysteme und insbesondere Verfahren zum Steuern einer Abgasregenerierung in einer Nachbehandlungskomponente einer Brennkraftmaschine.
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HINTERGRUND
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Bei einer Verbrennung in einer Dieselkraftmaschine wird ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff durch ein Einlassventil an Zylinder geliefert und darin verdichtet und verbrannt. Nach der Verbrennung drücken die Kolben das Abgas in den Zylindern in ein Abgassystem. Das Abgas kann Feststoffe, Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) enthalten und die Emission dieser Bestandteile ist aus Umweltschutzgründen reglementiert. Daher enthalten Fahrzeuge, die mit Kompressionszündungs-Kraftmaschinen ausgestattet sind, oft Nachbehandlungskomponenten zum Konvertieren, Reduzieren und/oder Entfernen von Feststoffen und anderen reglementierten Bestandteilen aus ihren Abgasströmungen. Abgasbehandlungssysteme können Katalysatoren in einer oder mehreren Komponenten verwenden, die ausgestaltet sind, um einen Nachbehandlungsprozess durchzuführen, wie etwa das Reduzieren von NOx, um leichter tolerierbare Abgasbestandteile aus Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) zu erzeugen. Ein Reduktionsmittel kann dem Abgas stromaufwärts zu einer Nachbehandlungskomponente zugeführt werden, um die Reduktion der NOx zu unterstützen. Ein Dieselpartikelfilter (DPF) kann eingesetzt werden, um Ruß aufzufangen, und dieser Ruß kann während Regenerationszyklen periodisch verbrannt werden.
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Partikelfilter und andere Nachbehandlungskomponenten können effektiv sein, aber sie können auch einen Gegendruck erhöhen, wenn sie Feststoffe einsammeln, welche Asche und unverbrannte Kohlenstoffpartikel, die allgemein als Ruß bezeichnet werden, enthalten können. Wenn sich diese kohlenstoffbasierten Feststoffe in den Nachbehandlungskomponenten ansammeln, können sie den Gegendruck im Abgassystem erhöhen. Kraftmaschinen, die große Partikelmassenemissionsraten aufweisen, können übermäßige Gegendruckpegel in einer relativ kurzen Zeitspanne entwickeln, welche die Effizienz und die Fähigkeit zur Erzeugung von Leistung der Kraftmaschine verringern. Es ist daher wünschenswert, über Partikelfiltersysteme zu verfügen, die einen Gegendruck minimieren, während sie Feststoffe im Abgas auf effektive Weise einfangen.
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Um diese beiden konkurrierenden Ziele zu erreichen, müssen Nachbehandlungskomponenten regelmäßig überwacht und gewartet werden, entweder indem Komponenten ausgetauscht werden oder indem der angesammelte Ruß entfernt wird. Das Entfernen des angesammelten Rußes aus einer Nachbehandlungskomponente kann mithilfe einer Oxidation zu CO2 (d.h. einem Wegbrennen) erreicht werden und ist in der Technik als Regenerierung bekannt. Um Unterbrechungen durch Wartung zu vermeiden, wird das Regenerieren einem Austausch von Nachbehandlungskomponenten allgemein vorgezogen. Eine sich kontinuierlich regenerierende Falle (CRT) ist eine Nachbehandlungskomponente, die Partikel in der Abgasströmung einfängt und auch einen Katalysator enthält, um die Regenerierung zu unterstützen.
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Eine Weise, auf die die Regenerierung ermöglicht werden kann, besteht im Erhöhen der Temperaturen des Filtermaterials und/oder der angesammelten Feststoffe auf Pegel über der Verbrennungstemperatur der Feststoffe. Das Erhöhen der Temperatur ermöglicht den Verbrauch des Rußes, indem ermöglicht wird, dass überschüssiger Sauerstoff im Abgas die Feststoffe oxidiert. Der Regenerierungsprozess kann entweder passiv oder aktiv sein. Bei passiven Systemen tritt eine Regenerierung immer dann auf, wenn die Wärme (z.B. durch die Abgase befördert) und der Ruß (z.B. in den Nachbehandlungskomponenten eingefangen) ausreichen, um eine Oxidation zu ermöglichen. Bei aktiven Systemen wird eine Regenerierung bei gewünschten Zeitpunkten eingeleitet, indem Wärme von einer äußeren Quelle eingeleitet wird (z.B. einer elektrischen Heizung, einem Kraftstoffbrenner, einer Mikrowellenheizung und/oder von der Kraftmaschine selbst, etwa mit einer späten Einspritzung in Zylinder oder einer Einspritzung von Kraftstoff direkt in die Abgasströmung). Die aktive Regenerierung kann bei verschiedenen Fahrzeugbetriebsarten und Abgasbedingungen eingeleitet werden. Unter diesen günstigen Betriebsbedingungen befinden sich Betriebsarten mit einem stationären Fahrzeug, etwa wenn das Fahrzeug steht, zum Beispiel während eines Tankstopps.
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Einige Dieselkraftmaschinensysteme verwenden Zylindereinspritzventile, um Temperaturen in Nachbehandlungskomponenten zu steuern, indem sie dem Zylinder überschüssigen Kraftstoff mit der Absicht zuführen, dass der zusätzliche Kraftstoff zur Erhöhung von Temperaturen in der Nachbehandlungskomponente verfügbar ist. Andere Dieselkraftmaschinensysteme sind mit Nachbehandlungs-Kraftstoffeinspritzventilen ausgestattet, die auch als Kohlenwasserstoffeinspritzventile (HCI-Ventile) bekannt sind, um die Regenerierung eines DPF zu unterstützen, indem sie Kraftstoff direkt zum Kraftmaschinenabgassystem hinzufügen. Typischerweise wird die HCl nur während der Regenerierung des DPF verwendet und wird durch das Kraftmaschinensteuerungssystem eingeschaltet und spritzt Kraftstoff direkt in die Abgase der Kraftmaschine stromabwärts zum Turbolader der Kraftmaschine ein, wenn diese so ausgestattet ist. Die HCl liefert eine gemessene Kraftstoffmenge nur bei aktivierten Regenerierungsereignissen in das Abgas. Ein Oxidationskatalysator (DOC) setzt diesen hinzugefügten Kraftstoff in die Wärme um, die benötigt wird, um den DPF zu regenerieren, indem angesammelter Ruß verbrannt wird. Temperaturen des DOC werden während einer Regenerierung von Abgastemperatursensoren überwacht.
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Kraftmaschinensteuerungssysteme können verwendet werden, um nicht nur vorherzusagen, wann es vorteilhaft sein kann, ein Regenerierungsereignis auf aktive Weise zu ermöglichen, sondern auch, um eine Steuerung des Regenerierungsprozesses zu bewirken. Um eine aktive Steuerung eines Regenerierungsereignisses auszuüben, versucht ein Kraftmaschinensteuerungssystem oft, eine wünschenswerte Temperatur in der Nachbehandlungskomponente oder im DOC zu erreichen, die dem Regenerierungsprozess förderlich ist. Um eine stabile Steuerung durchzuführen, kann sich ein Kraftmaschinensteuerungsmodul auf einen Regler stützen, etwa einen Proportional-Integral-Derivativ-Regler (PID-Regler), der einen Fehlerwert als Differenz zwischen einer gemessenen Prozessvariablen, etwa einer Katalysatortemperatur, und einem Solleinstellpunkt berechnet. Der Regler verstellt eine oder mehrere Prozessvariablen, wie etwa die HCI-Menge, im Bestreben, den Wert des Fehlers zu minimieren, bis er innerhalb einer akzeptablen Toleranz liegt.
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Unglücklicherweise kann eine erhebliche Feinabstimmung erforderlich sein, um zu erreichen, dass ein PID-Regler ein stabiles reaktionsfähiges Regelungssystem bereitstellt. Wenn beispielsweise die Verstärkungen in einem PID-basierten Nachbehandlungs-Regenerierungsregler nicht korrekt eingestellt sind, kann die HCl zu schnell erhöht werden, was zu einem Überschwingen führt. Wenn der Regler wiederholt übermäßig große Veränderungen an der angeforderten HCl durchführt, kann die gewünschte Katalysatortemperatur derart überschwingen, dass die Katalysatortemperatur um die gewünschte Temperatur herum schwingt, statt sich ihr anzunähern. Wenn die Schwingungen im Lauf der Zeit zunehmen, dann ist das System instabil. Wenn die Schwingungen stetig kleiner werden, dann kann die Regelung ausreichend stabil sein, solange schließlich ein Gleichgewicht erreicht werden kann. Im Fall von PID-basierten Nachbehandlungs-Regenerierungsreglern kann die Menge der Kalibrierungsarbeit, die zur Feinabstimmung benötigt wird, um ein ausreichend stabiles und reaktionsfähiges Regelungssystem zu erreichen, mühsam und umfangreich sein, wobei oft die Verwendung zahlreicher Zuordnungen und Korrekturkurven notwendig ist, die jeweils Details in der Größenordnung von hunderten von Kalibrierungsdatenpunkten benötigen, um eine geeignete Regelungsstabilität und Reaktionsfähigkeit zu erzeugen.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 016 538 A1 offenbart ein Regenerationsverfahren für ein Partikelfilter, bei dem ein Regenerationsvorgang gestartet wird, wenn ein aus einem Druckabfallsignal und einem Massenstromsignal erzeugtes Beladungssignal einen vorbestimmten Grenzwert erreicht oder überschreitet, wobei während der Regeneration des Partikelfilters die Temperatur der Abgase mittels einer PID-Regelung eingestellt wird. Dabei werden Regelparameter in Abhängigkeit von dem Massenstrom des Abgases angepasst.
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Folglich wäre es wünschenswert, über ein verbessertes System und Verfahren zum Steuern einer Regenerierung in einem Nachbehandlungssystem zu verfügen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern einer Regenerierung in einer Nachbehandlungskomponente eines Abgassystems, dass ein erster Wert eines gesteuerten Parameters bei einem ersten Zeitpunkt bestimmt wird, dass ein zweiter Wert des gesteuerten Parameters bei einem zweiten Zeitpunkt bestimmt wird, der ein Zeitinkrement nach dem ersten Zeitpunkt auftritt, und dass eine Änderungsrate des Werts des gesteuerten Parameters bestimmt wird, indem eine Differenz zwischen dem ersten Wert des gesteuerten Parameters und dem zweiten Wert des gesteuerten Parameters durch das Zeitinkrement dividiert wird. Ein Wert eines Fehlerterms wird bestimmt, indem ein Wert des Zielparameters von einem Wert des gesteuerten Parameters subtrahiert wird. Ein Wert eines Verstärkungsexponenten wird bestimmt, indem eine thermische Trägheit der Abgasströmung durch eine thermische Trägheit des Katalysators dividiert wird. Ein Wert eines feinabgestimmten Verstärkungsexponenten wird bestimmt, indem der Wert des Verstärkungsexponenten mit einem Feinabstimmungsfaktor multipliziert wird. Ein Wert eines proportionalen Verstärkungsfaktors wird bestimmt, indem die mathematische Konstante mit dem negativen Wert des feinabgestimmten Verstärkungsexponenten potenziert wird. Ein Wert eines Derivativ-Verstärkungsfaktors wird bestimmt, indem der Wert des proportionalen Verstärkungsfaktors mit dem Feinabstimmungsfaktor multipliziert wird. Ein Wert eines Derivativ-Steuerungsparameters wird bestimmt, indem die Änderungsrate des gesteuerten Parameters mit dem Wert des Derivativ-Verstärkungsfaktors multipliziert wird. Ein Wert eines proportionalen Steuerungsparameters wird bestimmt, indem der Wert des Fehlerterms mit dem Wert des proportionalen Verstärkungsfaktors multipliziert wird. Ein Wert eines rohen Steuerungsinkrements wird bestimmt, indem der Wert des Derivativ-Steuerungsparameters zu dem Wert des proportionalen Steuerungsparameters addiert wird. Ein Wert eines rationalen Steuerungsinkrements wird bestimmt, indem das rohe Steuerungsinkrement mit der thermischen Trägheit der Abgasströmung multipliziert wird.
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Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein System zum Steuern der Regenerierung in einer Nachbehandlungskomponente eines Abgassystems ein Rückkopplungsmodul, ein Fehlermodul, ein Verstärkungsmodul und ein Regenerierungs-Steuerungsmodul. Das Rückkopplungsmodul ist ausgestaltet, um einen ersten Wert eines gesteuerten Parameters bei einem ersten Zeitpunkt zu bestimmen, um einen zweiten Wert des gesteuerten Parameters bei einem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen, der ein Zeitinkrement nach dem ersten Zeitpunkt auftritt, und um eine Veränderungsrate des Werts des gesteuerten Parameters zu bestimmen, indem es eine Differenz zwischen dem ersten Wert des gesteuerten Parameters und dem zweiten Wert des gesteuerten Parameters durch das Zeitinkrement dividiert. Das Fehlermodul steht in Verbindung mit dem Rückkopplungsmodul und ist ausgestaltet, um einen Wert eines Fehlerterms zu bestimmen, indem es einen Wert eines Zielparameters von dem Wert des gesteuerten Parameters subtrahiert. Das Verstärkungsmodul ist ausgestaltet, um einen Wert eines Verstärkungsexponenten zu bestimmen, indem es eine thermische Trägheit der Abgasströmung durch eine thermische Trägheit des Katalysators dividiert. Das Verstärkungsmodul ist auch ausgestaltet, um einen Wert eines feinabgestimmten Verstärkungsexponenten zu bestimmen, indem es den Wert des Verstärkungsexponenten mit einem Feinabstimmungsfaktor multipliziert, um einen Wert eines proportionalen Verstärkungsfaktors zu bestimmen, indem es eine mathematische Konstante „e“ mit dem negativen Wert des feinabgestimmten Verstärkungsexponenten potenziert, und um einen Wert eines Derivativ-Verstärkungsfaktors zu bestimmen, indem es den Wert des proportionalen Verstärkungsfaktors mit dem Feinabstimmungsfaktor multipliziert. Das Regenerierungs-Steuerungsmodul steht in Verbindung mit dem Fehlermodul und dem Verstärkungsmodul und ist ausgestaltet, um einen Wert eines Derivativ-Steuerungsparameters zu bestimmen, indem es die Änderungsrate des gesteuerten Parameters mit dem Wert des Derivativ-Verstärkungsfaktors multipliziert. Das Regenerierungs-Steuerungsmodul ist auch ausgestaltet, um einen Wert eines proportionalen Steuerungsparameters zu bestimmen, indem es den Wert des Fehlerterms mit dem Wert des proportionalen Verstärkungsfaktors multipliziert, um einen Wert eines rohen Steuerungsinkrements zu bestimmen, indem es den Wert des Derivativ-Steuerungsparameters zu dem Wert des proportionalen Steuerungsparameters addiert, und um einen Wert eines rationalen Steuerungsinkrements zu bestimmen, indem es das rohe Steuerungsinkrement mit der thermischen Trägheit der Abgasströmung multipliziert.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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Figurenliste
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Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur als Beispiel in der folgenden genauen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei die genaue Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug nimmt, in denen:
- 1 ein Funktionsblockdiagramm eines Kraftmaschinensteuerungssystems ist, das ein Abgassteuerungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält; und
- 2 ein Funktionsblockdiagramm einer beispielhaften Implementierung eines Steuerungsmoduls des Abgassteuerungssystems von 1 ist.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bei der Verwendung hierin soll der Ausdruck A, B und/oder C so aufgefasst werden, dass der ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen Oder bedeutet. Es versteht sich, dass Schritte in einem Verfahren in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
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Der Begriff „Modul“ bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung stellt die vorliegende Offenbarung ein verbessertes System und Verfahren zum Steuern der Regenerierung in einer Nachbehandlungskomponente bereit. 1 zeigt ein beispielhaftes System 100 zum Steuern einer Regenerierung in einer Nachbehandlungskomponente einer Kompressionszündungs-Kraftmaschine 102 eines (nicht gezeigten) Fahrzeugs. Die Kompressionszündungs-Kraftmaschine 102 ist mit einem Abgassystem 104 gekoppelt, durch welches Abgas 103 von der Kraftmaschine 102 hindurchläuft und behandelt wird, bevor es in die Atmosphäre entlassen wird. Das Abgassystem 104 ist zur Reduzierung reglementierter Abgasbestandteile ausgestaltet und enthält daher mindestens eine Nachbehandlungskomponente 106, etwa ein Partikelfilter, um Feststoffe und andere reglementierte Bestandteile aus der Abgasströmung zu entfernen. Wie festzustellen ist, können die hier beschriebenen Nachbehandlungskomponenten, Systeme, Modelle und Steuerungen in verschiedenen Kraftmaschinensystemen implementiert werden. Derartige Kraftmaschinensysteme können beispielsweise Dieselkraftmaschinen, Benzinsysteme mit direkter Einspritzung und Kraftmaschinensysteme mit homogener Kompressionszündung umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Nachbehandlungskomponente 106 eine sich kontinuierlich regenerierende Falle (CRT), die sowohl einen Oxidationskatalysator (OC) als auch ein Partikelfilter enthält. Der OC der CRT 106 kann beispielsweise ein monolithisches Durchflusssubstrat aus Metall oder Keramik umfassen. Das Substrat kann in einer Hülle oder einem Behälter verpackt sein, die bzw. der einen Einlass zum Aufnehmen von Abgas aus der Kraftmaschine 102 und einen Auslass in Fluidverbindung mit dem Partikelfilter der CRT 106 aufweist. Das Substrat kann einen darauf angeordneten Oxidationskatalysatorstoff enthalten. Der Oxidationskatalysatorstoff kann als eine Sonderbeschichtung für Katalysatoren (engl.: wash coat) aufgebracht sein und kann Metall der Platin-Gruppe wie etwa Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus enthalten. Der OC behandelt nicht verbranntes gasförmiges und nicht volatiles HC und CO, welche oxidiert werden, um CO und H2O zu bilden.
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Der Partikelfilterabschnitt der Nachbehandlungskomponente 106 wird betrieben, um Kohlenstoff und andere Partikel aus dem Abgas 103 auszufiltern. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Partikelfilterabschnitt der Nachbehandlungskomponente 106 unter Verwendung eines monolithischen Wandströmungsfilters oder anderer Filtervorrichtungen, wie etwa gewundene oder verpackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern usw. aufgebaut sein. Das Filter kann in der Hülle oder dem Behälter verpackt sein und kann einen Einlass in Fluidverbindung mit dem OC und einen Auslass zum Freisetzen von behandeltem Abgas 103 aufweisen.
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Die Ansammlung der Feststoffe im Partikelfilterabschnitt der Nachbehandlungskomponente 106 wird periodisch gereinigt oder regeneriert. Die Regenerierung umfasst die Oxidierung oder Verbrennung des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel in einer Umgebung, die typischerweise eine Hochtemperaturumgebung ist (>600°C). Die Oxidation im OC erzeugt die hohen Temperaturen, die zum Regenerieren benötigt werden.
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Wie in 1 gezeigt ist, ist eine Heizung 108 ausgestaltet, um der Nachbehandlungskomponente 106 Wärme (z.B. Wärme über einen Wärmetauscher, zusätzlichen Kraftstoff) zuzuführen, um eine Regenerierung in der Nachbehandlungskomponente 106 auf aktive Weise einzuleiten. Ein Kraftmaschinensteuerungssystem 110 ist ausgestaltet, um vorherzusagen, wann es notwendig oder vorteilhaft sein kann, eine Regenerierung der Nachbehandlungskomponente zu durchlaufen, und um, wenn es passend ist, ein Regenerierungsereignis aktiv zu ermöglichen. Das Kraftmaschinensteuerungssystem 110 kann ein derartiges Ereignis beispielsweise ermöglichen, indem es Wärme in die Nachbehandlungskomponente 106 von einer äußeren Quelle, etwa der Heizung 108, einleitet, welche ausgestaltet sein kann, um das Einspritzen von Kraftstoff in die Kraftmaschine 102 oder in das Abgassystem 104 zu veranlassen.
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Um zu ermöglichen, dass das Kraftmaschinensteuerungssystem 110 seine Funktionen besser durchführen kann, sind verschiedene Instrumente in der Kraftmaschine 102 und im Abgassystem 104 positioniert. Die Instrumente sind ausgestaltet, um auf Veränderungen bei relevanten Parametern in der Kraftmaschine 102 und im Abgassystem 104 anzusprechen und um Signale an das Kraftmaschinensteuerungssystem 110 zu übertragen, wobei die Signale den Betrieb der Kraftmaschine 102 und der Nachbehandlungskomponente 104 angeben. Zum Beispiel misst bei einer beispielhaften Ausführungsform ein stromaufwärts gelegener Drucksensor 112 Drücke der Abgasströmung stromaufwärts zu der Nachbehandlungskomponente 106 und erzeugt Stromaufwärts-Drucksignale 114. Auf ähnliche Weise misst ein stromabwärts gelegener Drucksensor 116 Drücke des Abgassystems stromabwärts zu der Nachbehandlungskomponente 106 und erzeugt Stromabwärts-Drucksignale 118. Zudem misst ein stromaufwärts gelegener Temperatursensor 120 Temperaturen der Abgasströmung stromaufwärts zu der Nachbehandlungskomponente 106 und erzeugt Stromaufwärts-Temperatursignale 122.
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Ein stromabwärts gelegener Temperatursensor 124 misst Temperaturen der Abgasströmung stromabwärts zu der Nachbehandlungskomponente 106 und erzeugt Stromabwärts-Temperatursignale 126. Es ist festzustellen, dass die Stromabwärts-Temperatursignale 126 Temperaturen des Abgases 103 oder Temperaturen eines Oxidationskatalysators der Nachbehandlungskomponente 106 wiedergeben können. Ein Kraftmaschinendrehzahlsensor 128 erfasst Drehzahlen der Kraftmaschine 102 und erzeugt Kraftmaschinendrehzahlsignale 130. Ein Kraftmaschinenströmungssensor 132 erfasst Massenströmungsraten bzw. Massendurchflussgeschwindigkeiten eines Arbeitsfluids (z.B. Luft oder Luft und Kraftstoff oder Abgas) 103, das in die Kraftmaschine 102 oder das Abgassystem 104 strömt, und erzeugt Kraftmaschinenströmungsratensignale 134. Ein Kraftmaschinen-Ansauglufttemperatursensor 142 erfasst eine Temperatur von Verbrennungsluft, die in die Kraftmaschine 102 eintritt, und erzeugt Ansauglufttemperatursignale 144. Ein stromabwärts gelegener Ladeluftkühler-Temperatursensor 146 erfasst eine Temperatur von Verbrennungsluft stromabwärts zu einem Ladeluftkühler, der mit der Strömung von Verbrennungsluft, die in die Kraftmaschine 102 eintritt, verbunden ist, und erzeugt ein Ladelufttemperatursignal 148. Ein Umgebungstemperatursensor 150 erfasst eine Temperatur der umgebenden Umwelt, in welcher die Kraftmaschine 102 arbeitet, und erzeugt ein Umgebungstemperatursignal 152.
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Das Kraftmaschinensteuerungssystem 110 empfängt Informationen wie etwa ein oder mehrere von den Stromaufwärts-Drucksignalen 114, den Stromabwärts-Drucksignalen 118, den Stromaufwärts-Temperatursignalen 122, den Stromabwärts-Temperatursignalen 126, den Kraftmaschinendrehzahlsignalen 130, den Kraftmaschinenströmungsratensignalen 134, den Ansauglufttemperatursignalen 144, den Ladelufttemperatursignalen 148 und den Umgebungstemperatursignalen 152 vom Stromaufwärts-Drucksensor 112, dem Stromabwärts-Drucksensor 116, dem Stromaufwärts-Temperatursensor 120, dem Stromabwärts-Temperatursensor 124, dem Kraftmaschinendrehzahlsensor 128, dem Kraftmaschinenströmungssensor 132, dem Kraftmaschinen-Ansauglufttemperatursensor 142, dem Stromabwärts-Ladeluftkühler-Temperatursensor 146 und dem Umgebungstemperatursensor 150. Ein Prozessor 136 des Kraftmaschinensteuerungssystems 110 arbeitet mit einem Speicher 138 zusammen, der mit dem Kraftmaschinensteuerungssystem 110 verbunden ist, um Anweisungen auszuführen, die ausgestaltet sind, um das Kraftmaschinensteuerungssystem 110 in die Lage zu versetzen, eine effektive Überwachung, Diagnose und Steuerung des Betriebs der Nachbehandlungskomponente 106 zu ermöglichen, was umfasst, dass festgestellt oder angenommen wird, wann eine Regenerierung in der Nachbehandlungskomponente 106 notwendig oder wünschenswert sein kann, dass eine Regenerierung in der Nachbehandlungskomponente 106 ermöglicht wird und/oder dass ein Regenerierungsprozess oder andere Gegenmaßnahmen gesteuert werden.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Kraftmaschinensteuerungssystem 110 ein Rückkopplungsmodul 190, ein Fehlermodul 192, ein Verstärkungsmodul 194 und ein Regenerierungs-Steuerungsmodul 196. Das Rückkopplungsmodul 190 ist ausgestaltet, um einen ersten Wert eines gesteuerten Parameters bei einem ersten Zeitpunkt zu bestimmen, um einen zweiten Wert des gesteuerten Parameters bei einem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen, der ein Zeitinkrement nach dem ersten Zeitpunkt auftritt, und um eine Änderungsrate des Werts des gesteuerten Parameters zu bestimmen, indem es eine Differenz zwischen dem ersten Wert des gesteuerten Parameters und dem zweiten Wert des gesteuerten Parameters durch das Zeitinkrement dividiert. Das Fehlermodul 192 steht in Verbindung mit dem Rückkopplungsmodul 190 und ist ausgestaltet, um einen Wert eines Fehlerterms zu bestimmen, indem es einen Wert eines Zielparameters von dem Wert des gesteuerten Parameters subtrahiert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der gesteuerte Parameter eine erfasste Temperatur des Katalysators und der Zielparameter ist eine gewünschte Temperatur des Katalysators.
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Das Verstärkungsmodul 194 ist ausgestaltet, um einen Wert eines Verstärkungsexponenten zu bestimmen, indem es eine thermische Trägheit der Abgasströmung durch eine thermische Trägheit des Katalysators dividiert. Das Verstärkungsmodul 194 ist auch ausgestaltet, um einen Wert eines feinabgestimmten Verstärkungsexponenten zu bestimmen, indem es den Wert des Verstärkungsexponenten mit einem Feinabstimmungsfaktor multipliziert, um einen Wert eines proportionalen Verstärkungsfaktors zu bestimmen, indem es die mathematische Konstante „e“ (d.h. die Eulersche Zahl 2,71828...) mit dem negativen Wert des feinabgestimmten Verstärkungsexponenten potenziert, und um einen Wert eines Derivativ-Verstärkungsfaktors zu bestimmen, indem es den Wert des proportionalen Verstärkungsfaktors mit dem Feinabstimmungsfaktor multipliziert.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Verstärkungsmodul 194 ausgestaltet, um eine thermische Trägheit der Abgasströmung zu bestimmen, indem es eine Massenströmungsrate der Abgasströmung mit einer spezifischen Wärme der Abgasströmung multipliziert, und um eine thermische Trägheit des Katalysators zu bestimmen, indem es eine Masse des Katalysators mit einer spezifischen Wärme des Katalysators multipliziert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Verstärkungsmodul 194 ausgestaltet, um den Feinabstimmungsfaktor auf der Grundlage von empirischen Daten zu bestimmen. Das Verstärkungsmodul 194 kann ausgestaltet sein, um den Feinabstimmungsfaktor so zu bestimmen, dass eine stabile Steuerung des Zielparameters bereitgestellt wird, und außerdem, dass eine kritisch gedämpfte Steuerung des Zielparameters bereitgestellt wird. Das Verstärkungsmodul 194 kann ausgestaltet sein, um den Wert des Verstärkungsexponenten durch zwei zu dividieren bzw. zu halbieren.
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Das Regenerierungs-Steuerungsmodul 196 steht in Verbindung mit dem Fehlermodul 192 und dem Verstärkungsmodul 194 und ist ausgestaltet, um einen Wert eines Derivativ-Steuerungsparameters zu bestimmen, indem es die Änderungsrate des gesteuerten Parameters mit dem Wert des Derivativ-Verstärkungsfaktors multipliziert. Das Regenerierungs-Steuerungsmodul 196 ist auch ausgestaltet, um einen Wert eines proportionalen Steuerungsparameters zu bestimmen, indem es den Wert des Fehlerterms mit dem Wert des proportionalen Verstärkungsfaktors multipliziert, um einen Wert eines rohen Steuerungsinkrements zu bestimmen, indem es den Wert des Derivativ-Steuerungsparameters zu dem Wert des proportionalen Steuerungsparameters addiert, und um einen Wert eines rationalen Steuerungsinkrements zu bestimmen, indem es das rohe Steuerungsinkrement mit der thermischen Trägheit der Abgasströmung multipliziert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann das rationale Steuerungsinkrement verwendet werden, um eine Veränderung bei der Kraftstoffmenge zu repräsentieren, die in die Abgasströmung eingespritzt werden soll. Zudem kann das rationale Steuerungsinkrement verwendet werden, um das Hinzufügen von Wärme durch andere Mittel wie etwa die Heizung 108 zu lenken.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung und wie in 2 gezeigt ist, umfasst ein beispielhafter Prozess 200 zum Steuern der Regenerierung in einer Nachbehandlungskomponente einer Kompressionszündungs-Kraftmaschine den Schritt des Empfangens eines oder mehrerer Werte von einem oder mehreren Parametern, die mit einer Abgasströmung verbunden sind, die durch die Nachbehandlungskomponente hindurchläuft (Schritt 202). Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Parameter einen Stromaufwärts-Druck, einen Stromabwärts-Druck, eine Druckänderung über die Nachbehandlungskomponente hinweg, eine Stromaufwärts-Temperatur, eine Stromabwärts-Temperatur, die Temperatur eines Oxidationskatalysators, eine Kraftmaschinendrehzahl oder eine Kraftmaschinenströmungsrate repräsentieren.
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Der Wert kann als ein Signal vom Stromaufwärts-Drucksensor 112, vom Stromabwärts-Drucksensor 116, vom Stromaufwärts-Temperatursensor 120, vom Stromabwärts-Temperatursensor 124, vom Kraftmaschinendrehzahlsensor 128 oder vom Kraftmaschinenströmungssensor 132 oder von einer darauf beruhenden Kombination empfangen werden. Der Parameter kann ein Druckabnahmeindex, der eine Abnahme des Drucks einer Abgasströmung angibt, wenn diese die Nachbehandlungskomponente durchläuft, ein Strömungsratenindex, der eine Strömungsrate der Abgasströmung angibt, und/oder ein Temperaturindex sein, der eine Temperatur der Abgasströmung oder des Oxidationskatalysators angibt.
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Zusätzlich zum Empfangen eines oder mehrerer erfasster Werte umfasst der Prozess 200, dass ein erster Wert eines gesteuerten Parameters bei einem ersten Zeitpunkt bestimmt wird (Schritt 204), dass ein zweiter Wert des gesteuerten Parameters bei einem zweiten Zeitpunkt, der ein Zeitinkrement nach dem ersten Zeitpunkt auftritt, bestimmt wird (Schritt 206), und dass eine Änderungsrate des Werts des gesteuerten Parameters bestimmt wird, indem eine Differenz zwischen dem ersten Wert des gesteuerten Parameters und dem zweiten Wert des gesteuerten Parameters durch das Zeitinkrement dividiert wird (Schritt 208).
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Wert eines Fehlerterms bestimmt, indem ein Wert des Zielparameters von einem Wert des gesteuerten Parameters subtrahiert wird (Schritt 210). Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der gesteuerte Parameter eine erfasste Temperatur des Oxidationskatalysators und der Zielparameter ist eine gewünschte Temperatur des Oxidationskatalysators.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Wert eines Verstärkungsexponenten bestimmt, indem eine thermische Trägheit der Abgasströmung durch eine thermische Trägheit des Katalysators dividiert wird (Schritt 212). Eine thermische Trägheit der Abgasströmung kann bestimmt werden, indem eine Massenströmungsrate der Abgasströmung mit einer spezifischen Wärme der Abgasströmung multipliziert wird (Schritt 214). Eine thermische Trägheit des Katalysators kann bestimmt werden, indem eine Masse des Katalysators mit einer spezifischen Wärme des Katalysators multipliziert wird (Schritt 216).
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Wert eines feinabgestimmten Verstärkungsexponenten bestimmt, indem der Wert des Verstärkungsexponenten mit einem Feinabstimmungsfaktor multipliziert wird (Schritt 218). Es wird erwähnt, dass der Feinabstimmungsfaktor auf der Grundlage empirischer Daten vorbestimmt sein kann und so ausgestaltet sein kann, dass er eine stabile Steuerung des Zielparameters bereitstellt, und ferner so ausgestaltet sein kann, dass er eine kritisch gedämpfte Steuerung des Zielparameters bereitstellt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird der Wert des Verstärkungsexponenten durch zwei dividiert (Schritt 220).
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Ein Wert eines proportionalen Verstärkungsfaktors wird bestimmt, indem die mathematische Konstante „e“ (d.h. die Eulersche Zahl 2,71828...) mit dem negativen Wert des feinabgestimmten Verstärkungsexponenten potenziert wird (Schritt 222). Ein Wert eines Derivativ-Verstärkungsfaktors wird bestimmt, indem der Wert des proportionalen Verstärkungsfaktors mit dem Feinabstimmungsfaktor multipliziert wird (Schritt 224).
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Ein Wert eines Derivativ-Steuerungsparameters wird bestimmt, indem die Änderungsrate des gesteuerten Parameters mit dem Wert des Derivativ-Verstärkungsfaktors multipliziert wird (Schritt 226). Ein Wert eines proportionalen Steuerungsparameters wird bestimmt, indem der Wert des Fehlerterms mit dem Wert des proportionalen Verstärkungsfaktors multipliziert wird (Schritt 228). Ein Wert eines rohen Steuerungsinkrements wird bestimmt, indem der Wert des Derivativ-Steuerungsparameters zu dem Wert des proportionalen Steuerungsparameters addiert wird (Schritt 230). Ein Wert eines rationalen Steuerungsinkrements wird bestimmt, indem das rohe Steuerungsinkrement mit der thermischen Trägheit der Abgasströmung multipliziert wird (Schritt 232). Bei einer beispielhaften Ausführungsform stellt das rationale Steuerungsinkrement eine Veränderung bei der Kraftstoffmenge, die in das Abgassystem eingespritzt werden soll, oder der Wärme, die diesem zugeführt werden soll, dar.
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Entsprechend werden ein verbessertes System und Verfahren zum Steuern der Regenerierung in einem Nachbehandlungssystem bereitgestellt, wobei die Komplexität und andere Schwierigkeiten vermieden werden, die mit der Verwendung von Kalibrierungskurven und anderen herkömmlichen Techniken verbunden sind, um einen PID-Regler in die Lage zu versetzen, eine stabile und reaktionsfähige Steuerung des Regenerationsprozesses bereitzustellen. Die Erfindung sorgt für eine stabile und reaktionsfähige Steuerung des Regenerierungsprozesses in der Form einer direkten Berechnung auf der Grundlage einer gemessenen Rückkopplung, wobei sie eine Feinabstimmung von Verstärkungsparametern durch die Verwendung eines Feinabstimmungsfaktors ermöglicht.
