DE102015100286A1

DE102015100286A1 - Eindimensionales Dreiwegekatalysatormodell zur Steuerung und Diagnose

Info

Publication number: DE102015100286A1
Application number: DE102015100286.8A
Authority: DE
Inventors: Pankaj Kumar; Imad Hassan Makki
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2015-07-23
Also published as: CN104791057B; US9790878B2; CN104791057A; RU2015101267A; RU2678609C2; US20150204258A1; MX364686B; MX2015000745A; RU2015101267A3

Abstract

Ein Verfahren umfasst das Einstellen einer Kraftstoffeinspritzmenge basierend auf einem Teiloxidationszustand eines Katalysators, wobei der Teiloxidationszustand auf den Reaktionsgeschwindigkeiten gruppierter Oxidationsmittel- und Reduktionsmittel-Abgasarten überall in einem Katalysator und einem niedrigdimensionalen physikbasierten Modell basiert, das von einem ausführlichen zweidimensionalen Modell abgeleitet wird, um ein über die Zeit und den Raum gemitteltes eindimensionales Modell zu erhalten, das den Diffusionsbegrenzungen in der Zwischenschicht Rechnung trägt und die Emissionen während des Kaltstarts genau vorhersagt.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer Brennkraftmaschine.
Hintergrund und Zusammenfassung
Die Abgasreinigung in einer Benzin-Kraftmaschine unter Verwendung eines Katalysators ist am effizientesten, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Speisegases des Katalysators in der Nähe der Stöchiometrie liegt. Während des Betriebs in der realen Welt der Benzin-Kraftmaschine können Abweichungen von der Stöchiometrie auftreten. Im Allgemeinen wird Cerdioxid zu einem Katalysator hinzugefügt, um als ein Puffer für die Sauerstoffspeicherung zu wirken, um das Drosseln des Durchbruchs von Emissionen zu unterstützen und das Betriebsfenster um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu vergrößern. Der gespeicherte Sauerstoff kann bei einem gewünschten Sollwert basierend auf den Katalysatorüberwachungssensoren und/oder auf physikbasierten Katalysatormodellen aufrechterhalten werden.
Eine Herangehensweise, um die Abgasemissionen zu steuern und zu diagnostizieren, verwendet ein physikbasiertes Modell, um das Niveau des in einem Katalysator gespeicherten Sauerstoffs zu bestimmen, das mehrere partielle Differentialgleichungen in einer oder mehreren Dimensionen mit mehreren Abgasarten enthält. Eine weitere Herangehensweise verwendet ein axial gemitteltes physikbasiertes nulldimensionales Modell, das mehrere Abgasarten enthält, die in einer Oxidationsmittelgruppe und einer Reduktionsmittelgruppe gruppiert sein können.
Die Erfinder haben jedoch bei den obigen Herangehensweisen ein Problem erkannt. Das Bestimmen des Niveaus des gespeicherten Sauerstoffs unter Verwendung eines Modells, das mehrere partielle Differentialgleichungen in einer oder mehreren Dimensionen enthält, kann schwierig zu implementieren sein und kann mehr Verarbeitungsleistung erfordern, als typischerweise in einem Kraftmaschinen-Controller verfügbar ist. Ferner kann das Verwenden eines nulldimensionalen Modells Parameter vernachlässigen und kann die Emissionen während des Kaltstarts aufgrund der verringerten Ordnung des Modells nicht genau vorhersagen.
Folglich kann in einem Beispiel das obige Problem wenigstens teilweise durch ein Verfahren für ein Kraftmaschinen-Auslasssystem behandelt werden. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Einstellen einer Kraftstoff-Einspritzmenge basierend auf einem Teiloxidationszustand eines Katalysators, wobei der Teiloxidationszustand auf den Reaktionsgeschwindigkeiten der Abgasarten in einem eindimensionalen Modell mit über den Raum und die Zeit gemittelten Massenbilanz- und Energiebilanzgleichungen für eine Fluidphase und eine Zwischenschicht des Katalysators basiert. Den Gradienten in der Querrichtung wird in den inneren und äußeren Massenübertragungskoeffizienten Rechnung getragen. Dies kann die Rechenzeit des eindimensionalen Modells durch das Gruppieren der chemischen Abgasarten in zwei oder weniger Gruppen verbessern, die eine Oxidationsmittelgruppe und eine Reduktionsmittelgruppe enthalten können, wobei ein einziger Wert des Diffusionsvermögens verwendet werden kann.
Der Teiloxidationszustand kann z. B. basierend auf dem aus einem ausführlichen zweidimensionalen Modell abgeleiteten eindimensionalen Modell bestimmt werden. Das Modell kann die Entwicklung von zwei oder weniger gruppierten chemischen Abgasarten durch den Katalysator verfolgen. Ferner trägt das Modell außerdem der Diffusion innerhalb der Zwischenschicht, wo die Reaktionen stattfinden, durch die Verwendung eines Konzepts einer effektiven Massenübertragung Rechnung. Auf diese Weise kann ein vereinfachtes eindimensionales Modell verwendet werden, um sowohl eine Gesamtsauerstoffspeicherkapazität als auch einen Teiloxidationszustand des Katalysators vorherzusagen. Diese können bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der Kraftmaschine verwendet werden, um den Teiloxidationszustand des Katalysators bei einer Sollmenge aufrechtzuerhalten. Ferner kann die Verschlechterung des Katalysators angegeben werden, falls die Katalysatoraktivität oder die Gesamtsauerstoffspeichermenge unter einem Schwellenwert liegen.
Die vorliegende Offenbarung kann mehrere Vorteile bieten. Die für das Katalysatormodell verwendeten Verarbeitungsbetriebsmittel können z. B. verringert werden. Ferner kann die Abgasreinigung durch das Aufrechterhalten des Katalysators bei einem Soll-Teiloxidationszustand verbessert werden. Außerdem können die Emissionen während eines Kaltstarts für eine Echtzeit-Steuerung der Kraftstoffbeaufschlagung genau vorhergesagt werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Herangehensweise ist, dass es eine nicht intrusive Katalysatorüberwachung für die Steuerung und die Diagnose bietet, die vom Sensorort weniger abhängig ist und folglich gleichermaßen sowohl auf Teil- als auch auf Vollvolumenkatalysatorsysteme anwendbar ist.
Die obigen Vorteile und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung leicht offensichtlich, wenn sie allein oder im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt ist, um eine Auswahl der Konzepte in vereinfachter Form einzuführen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben sind. Sie ist nicht beabsichtigt, Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Umfang eindeutig durch die Ansprüche definiert ist, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Außerdem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf die Implementierungen eingeschränkt, die alle oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angegebenen Nachteile beseitigen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch ein beispielhaftes Fahrzeugsystem.
2 veranschaulicht eine Steueroperation zum Schätzen einer Katalysatorverstärkung.
3A–3C zeigen schematisch beispielhafte graphische Darstellungen der Steuerstrategien der inneren und der äußeren Schleife.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Überwachen eines Katalysators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen eines Oxidationszustands eines Katalysators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung
Um den Durchbruch von Emissionen zu verringern, können Katalysatoren ein Sauerstoffspeichermaterial, z. B. Cerdioxid in der Form von Ceroxid, verwenden, um einen Puffer für den Sauerstoff während fetter oder magerer Abweichungen bereitzustellen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das in den Katalysator eintritt, kann z. B. so gesteuert werden, dass der Oxidationszustand des Katalysators auf einem Sollpegel aufrechterhalten wird. In einem beispielhaften Modell der vorliegenden Offenbarung kann die Konzentration verschiedener Abgasarten, wie z. B. H₂, CO, NOx, HC und O₂, am Einlass durchgehend zum Auslass des Katalysators unter Verwendung eines vereinfachten eindimensionalen Modells modelliert werden, das die verschiedenen Abgasarten in zwei oder weniger sich gegenseitig ausschließende Gruppen gruppiert. Das Modell trägt der komplexen Katalysatordynamik Rechnung, wie z. B. den Diffusionsbegrenzungen und der Reaktion in der Zwischenschicht, und der Katalysatoralterung und den Gradienten, denen in den inneren und äußeren Massenübertragungskoeffizienten Rechnung getragen wird, und vereinfacht die Dynamik in einen Satz von Gleichungen, die über den Raum und die Zeit gemittelt sind, mit einer verringerten Anzahl chemischer Arten, die erreicht werden, indem sie in nur zwei oder weniger Gruppen zusammengefasst werden. Die Modellgleichungen verfolgen das Gleichgewicht von nur den zwei oder weniger Gruppen der Abgasarten in der Fluidphase und in der Zwischenschicht des Katalysators. Das Modell kann die Emissionen während des Kaltstarts genau vorhersagen, während die Rechenanforderungen für die Echtzeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung während des Kraftmaschinenbetriebs verringert sind. Ferner kompensiert das Modell die Gesamtenergiebilanz in der Fluidphase und der Trennschicht des Katalysators.
Insbesondere kann das Modell die Änderung der Konzentration der beiden Gruppen der Abgasarten, z. B. einer Oxidationsmittelgruppe und einer Reduktionsmittelgruppe, verfolgen, um einen Teiloxidationszustand des Katalysators zu bestimmen, der verwendet werden kann, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Kraftmaschine zu steuern. Die Gruppierung der chemischen Abgasarten in einer Oxidationsmittelgruppe und einer Reduktionsmittelgruppe verringert ferner die Echtzeit-Steuerung der Kraftstoffbeaufschlagung, weil beide Gruppen so gewählt werden können, dass sie fast ähnliche Molekülmassen besitzen, und erlaubt, dass ein einziger Wert für das Diffusionsvermögen verwendet wird. Ferner kann eine Katalysatorverstärkung bestimmt und auf das Modell angewendet werden, um eine Änderung der Gesamtsauerstoffspeicherkapazität zu verfolgen, die angeben kann, ob der Katalysator verschlechtert ist oder nicht. 1 zeigt eine beispielhafte Kraftmaschine, die einen Katalysator und ein Steuersystem enthält. 2–5 veranschaulichen verschiedene Steuerroutinen, die durch die Kraftmaschine nach 1 ausgeführt werden können.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsystems 6. Das Fahrzeugsystem 6 enthält eine Kraftmaschine 10 mit mehreren Zylindern 30. Die Kraftmaschine 10 enthält einen Einlass 23 und einen Auslass 25. Der Einlass 23 enthält eine Drosselklappe 62, die über einen Einlasskanal 42 fluidtechnisch an den Einlasskrümmer 44 der Kraftmaschine gekoppelt ist. Der Auslass 25 enthält einen Auslasskrümmer 48, der zu einem Auslasskanal 35 führt, der das Abgas zur Atmosphäre leitet. Der Auslass 25 kann eine oder mehrere Abgasreinigungsvorrichtungen 70 enthalten, die in einer eng gekoppelten Position in dem Auslass angebracht sein können. Eine oder mehrere Abgasreinigungsvorrichtungen können einen Dreiwegekatalysator, eine Mager-NOx-Falle, einen Diesel- oder Benzinpartikelfilter, einen Oxidationskatalysator usw. enthalten. Es wird erkannt, dass andere Komponenten in der Kraftmaschine enthalten sein können, wie z. B. verschiedene Ventile und Sensoren.
Die Kraftmaschine 10 kann Kraftstoff von einem (nicht gezeigten) Kraftstoffsystem empfangen, das einen Kraftstofftank und eine oder mehrere Pumpen, um den den Einspritzdüsen 66 der Kraftmaschine 10 zugeführten Kraftstoff unter Druck zu setzen, enthält. Während nur eine einzige Einspritzdüse 66 gezeigt ist, sind zusätzliche Einspritzdüsen für jeden Zylinder bereitgestellt. Es kann erkannt werden, dass das Kraftstoffsystem ein rückführungsloses Kraftstoffsystem, ein Rückführungs-Kraftstoffsystem oder verschiedene andere Typen des Kraftstoffsystems sein kann. Der Kraftstofftank kann mehrere Kraftstoffmischungen enthalten, einschließlich Kraftstoff mit einem Bereich von Alkoholkonzentrationen, wie z. B. verschiedene Benzin-Ethanol-Mischungen, einschließlich E10, E85, Benzin usw. und deren Kombinationen.
Das Fahrzeugsystem 6 kann ferner ein Steuersystem 14 enthalten. Es ist gezeigt, dass das Steuersystem 14 Informationen von mehreren Sensoren 16 empfängt (von denen verschiedene Beispiele hier beschrieben sind) und Steuersignale an mehrere Aktuatoren 81 (von denen verschiedene Beispiele hier beschrieben sind) sendet. Als ein Beispiel können die Sensoren 16 einen Abgassensor 126 (wie z. B. einen linearen UEGO-Sensor), der sich stromaufwärts der Abgasreinigungsvorrichtung befindet, einen Temperatursensor 128 und einen stromabwärts gelegenen Abgassensor 129 (wie z. B. einen binären HEGO-Sensor) enthalten. Andere Sensoren, wie z. B. Druck-, Temperatur- und Zusammensetzungssensoren können an verschiedene Orte in dem Fahrzeugsystem 6 gekoppelt sein, wie hier ausführlicher erörtert ist. In einem Beispiel kann ein Aktuator eine "Mittteilungszentrale" enthalten, das eine Betriebsanzeige 82 enthält, wo als Reaktion auf eine Angabe der Verschlechterung des Katalysators eine Nachricht an eine Bedienungsperson des Fahrzeugs ausgegeben werden kann, die eine Notwendigkeit angibt, das Emissionssystem zu warten. Als ein weiteres Beispiel können die Aktuatoren eine Kraftstoffeinspritzdüse 66 und eine Drosselklappe 62 enthalten. Das Steuersystem 14 kann einen Controller 12 enthalten. Der Controller kann Eingangsdaten von den verschiedenen Sensoren empfangen, die Eingangsdaten verarbeiten und die Aktuatoren als Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten basierend auf Anweisungen oder Code, die entsprechend einer oder mehreren Routinen darin programmiert sind, auslösen. Beispielhafte Steuerroutinen sind hier bezüglich der 2–5 beschrieben.
Für die Katalysatordiagnose können verschiedene Eingangsparameter in ein Katalysatormodell verwendet werden. In einer Ausführungsform können die Eingangsparameter die Katalysatorverstärkung, eine Luftmenge (AM), wie z. B. eine Luftmassen-Durchflussmenge vom MAF-Sensor, eine basierend auf den Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, wie z. B. der Drehzahl, der Last usw., geschätzte Katalysatortemperatur, eine HEGO-Ausgabe und eine UEGO-Ausgabe enthalten. In einigen Ausführungsformen können alle oben aufgelisteten beispielhaften Eingaben in dem Katalysatormodell verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann ein HEGO-Modell in Reihe mit dem Katalysatormodell verwendet werden. In einem derartigen Modell wird die geschätzte Modellspannung mit der gemessenen Sensorspannung (z. B. der HEGO-Spannung) verglichen, wobei der berechnete Fehler dann verwendet wird, um die Katalysatoraktivität (a_c) zu aktualisieren. Die Katalysatoraktivität wird als eine Angabe des Katalysatoralters für die Diagnose verwendet. Diese modellbasierte Herangehensweise ist nicht intrusiv und weniger vom Ort des HEGO-Sensors abhängig, was sie gleichermaßen sowohl für einen Teil- als auch Vollvolumenkatalysator gültig macht. In anderen Ausführungsformen kann nur eine Teilmenge der Eingangsparameter verwendet werden, wie z. B. die Katalysatortemperatur und die Katalysatorverstärkung.
Der Katalysatorverstärkung ist eine Online-Schätzung der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators, die sich verringert, wenn der Katalysator altert, und ist in 2 veranschaulicht. Die beispielhafte Funktion nach 2 zeigt, dass die Katalysatorverstärkung eine Funktion der Luftmasse, der Katalysatortemperatur und des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der Abgase (z. B. Lambda) ist. Die Katalysatorverstärkung kann die Katalysatorbedingungen, wie z. B. eine in dem Katalysator gespeicherte Sauerstoffmenge, den Katalysatorumsetzungswirkungsgrad usw. angeben.
2 veranschaulicht eine beispielhafte Funktion 200 zum Berechnen der Katalysatorverstärkung aus der UEGO- und der HEGO-Sensoreingabe. Die Katalysatorverstärkung kann als ein lineares, zeitunabhängiges System definiert sein, das als ein Impuls auf die oben beschriebenen Eingaben reagiert. Das Bestimmen der Katalysatorverstärkung stützt sich auf Übertragungsfunktionen (TF), die die Beziehung zwischen den Eingaben und den Ausgaben in dem System repräsentieren. Die beiden Übertragungsfunktion (TF) sind im Folgenden im Laplace-Bereich gezeigt, wobei s der Laplace-Operator ist: a / s + a Übertragungsfunktion 1 (TF1) b(s) / conv([x y],[x z])(s) Übertragungsfunktion 2 (TF2)
Dabei faltet w = conv(u, v) die Vektoren u und v. Algebraisch ist die Faltung die gleiche Operation wie das Multiplizieren der Polynome, deren Koeffizienten die Elemente von u und v sind.
Das Bestimmen der Katalysatorverstärkung umfasst bei 210 das Bestimmen der Ausgabe der TF1 unter Verwendung der Eingabe vom HEGO-Sensor. Diese Ausgabe kann in die Ausgabe der TF2 eingespeist werden, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Bei 212 wird der Unterschied zwischen der Ausgabe des UEGO-Sensors und Lambda (z. B. 1) bestimmt, wobei dieser Unterschied bei 214 mit der Luftmasse multipliziert wird. Dieses Produkt wird bei 216 als die Eingabe für die TF2 verwendet. Da die Katalysatorverstärkung kontinuierlich berechnet und aktualisiert werden kann, kann die Ausgabe der vorhergehenden Bestimmungen der Katalysatorverstärkung bei 218 in die Funktion eingespeist werden. Das Produkt aus der TF2 und der vorhergehenden Katalysatorverstärkung kann bei 220 zur Ausgabe der TF1 hinzugefügt werden. Bei 222 wird der Unterschied zwischen der Eingabe von dem HEGO-Sensor und dem Produkt aus 220 bestimmt, wobei dieser bei 224 mit der Ausgabe der TF2 multipliziert wird. Um die Katalysatorverstärkung, K, zu bestimmen, wird bei 226 das Integral des in 224 bestimmten Produkts ermittelt.
3A–3B sind beispielhafte graphische Darstellungen, die die Steuerstrategien der inneren Schleife und der äußeren Schleife zum Aufrechterhalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer Kraftmaschine darstellen. Die Kraftmaschine 10 und die Abgasreinigungsvorrichtung 70 nach 1 sind nicht einschränkende Beispiele der Kraftmaschinenkomponenten, die unter Verwendung der folgenden Steuerstrategien überwacht und/oder gesteuert werden können. 3A stellt eine beispielhafte graphische Darstellung 300 dar, die eine innere Schleife 302 und eine äußere Schleife 304 enthält. Die Steuerstrategie der inneren Schleife 302 enthält einen ersten Luft-Kraftstoff-Controller C1 306, der einen Kraftstoffbefehl der Kraftmaschine 308 zuführt. Die Kraftmaschine erzeugt Abgas, dessen Sauerstoffkonzentration durch einen stromaufwärts gelegenen Sensor, wie z. B. einen UEGO 310, bestimmt wird, bevor es einen Katalysator, wie z. B. den TWC 312, erreicht. Die äußere Schleife 304 enthält die Rückkopplung von einem stromabwärts gelegenen Sauerstoffsensor, wie z. B. einem HEGO 314, die in einen zweiten Luft-Kraftstoff-Controller C2 316 eingespeist wird. Die Ausgabe von einem Katalysatorverstärkungsmodell 318 (siehe 2), das eine Eingabe von dem UEGO 310, der Kraftmaschine 308 und dem HEGO 314 empfängt, wird in das Katalysatormodell 320 eingespeist (siehe 5). Wie im Folgenden ausführlicher erklärt wird, bestimmt das Katalysatormodell die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität und den Teiloxidationszustand des Katalysators. Zwischen der Ausgabe von C2 und dem UEGO-Signal kann bei 322 ein Unterschied bestimmt werden, der als ein Fehlersignal an den ersten Controller C1 ausgegeben wird.
3B stellt eine beispielhafte graphische Darstellung 330 dar, die zur Steuerstrategie der graphischen Darstellung 300 nach 3A ähnlich ist, mit Ausnahme, dass das Katalysatormodell 320 eine Eingabe von einem HEGO-Modell 324 anstatt von dem Katalysatorverstärkungsmodell empfängt. Das HEGO-Modell 324 kann in Reihe mit dem Katalysatormodell 320 verwendet werden. Das HEGO-Modell 324 vergleicht die HEGO-Spannung, wie sie durch das Katalysatormodell 320 vorhergesagt wird, mit der gemessenen HEGO-Spannung. Der berechnete Fehler wird dann verwendet, um die Katalysatoraktivität (a_c) zu aktualisieren.
3C stellt eine beispielhafte graphische Darstellung 340 mit einer Steuerstrategie dar, wobei das Katalysatormodell 320 sowohl von dem Katalysatorverstärkungsmodell 318 als auch dem HEGO-Modell 324 Eingaben empfängt.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 400 zum Überwachen eines Katalysators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Das Verfahren 400 kann durch ein Kraftmaschinen-Steuersystem, wie z. B. das Steuersystem 14 nach 1, unter Verwendung der Rückkopplung von verschiedenen Kraftmaschinensensoren ausgeführt werden. Bei 402 enthält das Verfahren 400 das Bestimmen der Katalysatorverstärkung. Die Katalysatorverstärkung kann gemäß dem oben bezüglich 2 beschriebenen Prozess bestimmt werden. Bei 404 wird die Konzentration der gruppierten Abgasarten am Einlass des Katalysators bestimmt. Das Bestimmen der Konzentration der Einlassarten kann das Bestimmen der Konzentration von zwei oder weniger Gruppen enthalten, die O₂, H₂O, CO, HC, NOx, H₂ und CO₂ umfassen. Ferner können die Arten in eine Oxidationsmittelgruppe und eine Reduktionsmittelgruppe gruppiert sein. Die Konzentrationen der Einlassarten können basierend auf der Luftmasse und/oder der Temperatur und/oder dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und/oder der Kraftmaschinendrehzahl und/oder der Funkenzeitsteuerung und/oder der Last bestimmt werden. Die Konzentrationen der gruppierten Arten können auf die Luftmasse, die Temperatur, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Kraftmaschinendrehzahl offline abgebildet werden, wobei die Konzentrationen in einer Nachschlagtabelle in dem Speicher des Steuersystems gespeichert werden können.
Bei 406 werden die Katalysatorverstärkung und die Konzentration der Arten in ein Katalysatormodell eingegeben. In einer weiteren Ausführungsform wird ein HEGO-Modell verwendet, um anstatt der Katalysatorverstärkung die Katalysatoraktivität in Echtzeit zu aktualisieren. Das Katalysatormodell enthält einen Satz von Gleichungen, die über den Raum und die Zeit gemittelt sind, ein Gleichgewicht in der Fluidphase des Katalysators für die gruppierten Arten, ein Gleichgewicht in der Zwischenschicht des Katalysators für die gruppierten Arten, eine Energiebilanz der Fluidphase und der Zwischenschicht und das Oxidations-/Reduktionsgleichgewicht des Cerdioxids in dem Katalysator. Bei 408 werden aus dem Katalysatormodell die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität und der Teiloxidationszustand des Katalysators bestimmt, was im Folgenden im Hinblick auf 5 ausführlicher erklärt wird. Bei 410 wird die Kraftstoffeinspritzung eingestellt, um einen Soll-Teiloxidationszustand aufrechtzuerhalten. Es kann z. B. erwünscht sein, den Teiloxidationszustand des Katalysators (z. B. die Teiloxidation des Cerdioxids in dem Katalysator) auf einem Sollniveau, das basierend auf der Kraftmaschinenlast und der Kraftmaschinentemperatur geeicht ist, wie z. B. 50 %, für eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten.
Bei 412 wird bestimmt, ob die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität des Katalysators größer als ein Schwellenwert ist. Die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität des Katalysators gibt den Zustand des Katalysators an, ein frischer Katalysator besitzt z. B. eine relativ hohe Sauerstoffspeicherkapazität, während ein verschlechterter Katalysator aufgrund der verminderten Kapazität des Cerdioxids, Sauerstoff zu speichern, eine relativ niedrige Sauerstoffspeicherkapazität besitzt. Die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität eines frischen Katalysators kann basierend auf der Menge des Cerdioxids, die in dem Katalysator während der Herstellung vorhanden ist, bestimmt werden oder kann während des anfänglichen Betriebs des Katalysators bestimmt werden. Der Schwellenwert kann ein geeigneter Schwellenwert sein, unter dem der Katalysator damit aufhört, die Emissionen effizient zu steuern. Falls die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität größer als der Schwellenwert ist, wird bei 414 keine Verschlechterung angegeben, wobei dann das Verfahren 400 zurückkehrt. Falls die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität nicht größer als der Schwellenwert ist, d. h., falls die Sauerstoffspeicherkapazität kleiner als der Schwellenwert ist, wird bei 416 eine Verschlechterung des Katalysators angegeben, wobei eine vorgegebene Maßnahme ergriffen wird. Die vorgegebene Maßnahme kann das Benachrichtigen einer Bedienungsperson des Fahrzeugs über eine Fehlfunktionsindikatorlampe, das Setzen eines Diagnosecodes und/oder das Einstellen der Betriebsparameter der Kraftmaschine enthalten, um die Erzeugung von Emissionen zu verringern. Dann kehrt das Verfahren 400 zurück.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 500 zum Bestimmen eines Oxidationszustands eines Katalysators unter Verwendung eines Katalysatormodells veranschaulicht. Das Verfahren 500 kann während der Ausführung des Verfahrens 400 nach 4 durch das Kraftmaschinen-Steuersystem 14 ausgeführt werden. Bei 502 wird die Massenbilanz für die Fluidphase des Katalysators für jede Gruppe von Arten berechnet. Die Massenbilanz trägt der Übertragung der Masse von jeder Gruppe der Arten von der Fluidphase zu der Zwischenschicht Rechnung. Die Massenbilanz für die Fluidphase kann unter Verwendung der folgenden Gleichung (1) berechnet werden:
Dabei ist Xfm der Molenbruch der gasförmigen Art in der Volumenfluidphase, ist 〈X_wc〉 der Molenbruch der Art in der Zwischenschicht, ist RΩ der hydraulische Radius des Kanals, ist 〈u〉 die durchschnittliche Speisegasgeschwindigkeit und ist Kmo der Massenübertragungskoeffizient zwischen dem Fluid und der Zwischenschicht, der als: k –1 / mo = k –1 / me + k –1 / mi definiert ist. Hier sind k_me und k_mi der äußere und der innere Massenübertragungskoeffizient. Den Gradienten in der Querrichtung wird durch die Verwendung des inneren und des äußeren Massenübertragungskoeffizienten Rechnung getragen, die unter Verwendung der Sherwood-Zahl-Korrelationen (Sh) berechnet werden. Der äußere Massenübertragungskoeffizient k_me ist als:
definiert. Hier ist D_f eine Matrix des Diffusionsvermögens der Gasphase und ist Sh eine Diagonalmatrix, die durch Sh = Sh_∞I gegeben ist, wobei I die Einheitsmatrix ist. Eine positionsabhängige Sherwood-Zahl Sh, die für die vollständig entwickelte Strömung mit einer konstanten Strömungsrandbedingung definiert ist, ist
wobei Sh1 = 3:2 für einen abgerundeten quadratischen Kanal gilt.
Ähnlich wird der Konzentrationsgradient innerhalb der Zwischenschicht und die Diffusionswirkung durch den inneren Massenübertragungskoeffizienten erfasst, der als:
definiert ist, wobei D_s die Matrix der Diffusionskoeffizienten der Zwischenschicht ist und Sh_i die Matrix der inneren Sherwood-Zahlen ist, die als eine Funktion der Thiele-Matrix φ ausgewertet wird: Sh_i = Sh_i,∞ + (I + ΛΦ)^–1ΛΦ².
Die effektive Geschwindigkeitskonstante ist als:
definiert, wobei in diesem Fall φ² eine Diagonalmatrix wird, wobei die Diagonalterme als:
definiert sind. Das Gruppieren der chemischen Abgasarten in eine Oxidationsmittelgruppe und eine Reduktionsmittelgruppe ermöglicht die Verwendung eines einzigen Wertes des Diffusionsvermögens, da beide Gruppen fast ähnliche Molekülmassen besitzen. In einem Beispiel werden die Oxidationsmittel- und die Reduktionsmittelgruppe spezifisch ausgewählt, um einen einzigen Wert des Diffusionsvermögens bereitzustellen, wobei derselbe Wert in dem eindimensionalen Modell sowohl für die Oxidationsmittel- als auch die Reduktionsmittelgruppe in Echtzeit während des Kraftmaschinenbetriebs beim Bestimmen der verschiedenen Arten und Werte in dem Modell verwendet wird, die dann verwendet werden, um die Kraftstoffbeaufschlagung einzustellen, um die Sollzustände der Oxidationsmittel und der Reduktionsmittel über dem Katalysator zu erreichen. Ein derartiger vorteilhafter Betrieb ist infolge der eindeutigen Wechselwirkung zwischen den beiden gruppierten Arten bei den verschiedenen Vereinfachungen und mathematischen Manipulationen, die hier beschrieben sind, für das eindimensionale Modell im Vergleich zu anderen Modellen besonders geeignet. Folglich können die hier beschriebenen Verfahren, die die verschiedenen Parameter schätzen, einen einzigen Wert des Diffusionsvermögens enthalten, wobei derselbe einzige Wert sowohl für die gruppierten Oxidationsmittel als auch die gruppierten Reduktionsmittel in der Diagonalmatrix während des Kraftmaschinenbetriebs verwendet wird, um dadurch die Bestimmung und die tatsächliche Einspritzung der Kraftstoffmengen in die Kraftmaschine zu verbessern.
Bei 504 wird die Massenbilanz für die Zwischenschicht für jede Gruppe von Arten, die dem Beitrag von der Massenübertragung von der Grenzfläche zu der Volumen-Zwischenschicht und dem Verbrauch aufgrund der Reaktion Rechnung trägt, unter Verwendung der folgenden Gleichung (2):
berechnet. Dabei ist r die Reaktionsgeschwindigkeit, ist ε_w die Porosität der Zwischenschicht, repräsentiert ν die stöchiometrische Matrix und ist δ_c die Dicke der Zwischenschicht.
Bei 506 wird die Energiebilanz für die Fluidphase unter Verwendung der folgenden Gleichung (3) berechnet:
wobei ρf die durchschnittliche Dichte des Gases ist, T_f die Temperatur der Fluidphase ist, T_s die Temperatur der festen Phase ist, Cp_f die spezifische Wärmekapazität ist und h der Wärmeübergangskoeffizient ist.
Bei 508 wird die Energiebilanz für die Zwischenschicht unter Verwendung der Gleichung (4) berechnet:
wobei δ_c die Dicke der Zwischenschicht ist und δ_w die effektive Wanddicke ist (die als die Summe δs + δc definiert ist, wobei δs die Halbwertsdicke der Wand ist), wobei ρ_w und C_ρw die effektive Dichte und die spezifische Wärmekapazität sind, die als: δ_wρwCp_w = δ_cρcCp_c + δ_sρsCp_s und δ_wk_w = δ_ck_c + δ_sk_s definiert sind, wobei die unteren Indizes s und c den Träger bzw. die Katalysator-Zwischenschicht repräsentieren.
Bei 510 wird die Geschwindigkeit der Oxidation des Cerdioxids unter Verwendung der folgenden Gleichung (5) berechnet: ∂θ / ∂t = 1 / 2TOSC(_rstore – r_relase) Wobei r_store und r_release die Reaktionsgeschwindigkeiten für die Oxidation bzw. die Reduktion des Cerdioxids sind und θ der Teiloxidationszustand des Cerdioxids (FOS) ist,
Die Geschwindigkeit der Speicherung (r₂), r_store, und die Geschwindigkeit der Freisetzung (r₃), r_release, des Sauerstoffs von dem Cerdioxid kann auf den folgenden Gleichungen basieren:
Dabei ist a_c die Katalysatoraktivität oder der Alterungsparameter des Katalysators. Der Alterungsparameter des Katalysators gibt den Sauerstoffspeicherzustand des Katalysators an. Wenn der Katalysator z. B. altert, kann sich seine Kapazität, Sauerstoff zu speichern, vermindern. In einem Beispiel gibt ein Alterungsparameter von eins einen frischen Katalysator an, wobei abnehmende Alterungsparameter eine verringerte Kapazität angeben, Sauerstoff zu speichern. Der Alterungsparameter kann auf den Volumenschätzungen des stromaufwärtigen Luft-/Kraftstoffverhältnisses, des stromabwärtigen Luft-/Kraftstoffverhältnisses, der Luftmasse und der Temperatur basieren. In einigen Ausführungsformen kann der Alterungsparameter aus der vorgegebenen Katalysatorverstärkung berechnet werden, die bezüglich 2 beschrieben worden ist. In einer weiteren Ausführungsform wird ein HEGO-Modell in Reihe mit dem Katalysatormodell verwendet, um die stromabwärtige HEGO-Spannung zu schätzen, wobei dann unter Verwendung der gemessenen HEGO-Spannung ein Fehler berechnet wird, der verwendet wird, um die Katalysatoraktivität zu aktualisieren. Die Terme A und E geben den Vorfaktor der Exponentialfunktion bzw. die Aktivierungsenergie an. A und E sind abstimmbare Parameter, die offline unter Verwendung eines genetischen Algorithmus oder einer anderen nichtlinearen eingeschränkten Optimierung optimiert werden können.
Bei 512 werden der Teiloxidationszustand (FOS) und die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität (TOSC) bestimmt. Der FOS kann unter Verwendung der obigen Gleichung für θ bestimmt werden. Die TOSC repräsentiert die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität, und weil jedes Cerdioxid-Molekül (Ce₂O₃) ein halbes Mol Sauerstoff speichert, kann die TOSC zu der Hälfte der gesamten Cerdioxid-Kapazität äquivalent sein.
Die Anfangs- und Randbedingungen für die obigen Gleichungen sind als: X_fm,j(x, 0) = X 0 / fm,j(x), 〈X_wc,j(x, 0)〉 = 〈X 0 / wc,j(x)〉, T_f(x, 0) = T 0 / f(x), T_s(x, 0) = T 0 / S(x),
gegeben.
Folglich stellen die oben bezüglich der 4 und 5 dargestellten Verfahren 400 und 500 ein Verfahren für eine Kraftmaschine bereit, die einen Katalysator enthält. Das Verfahren umfasst das Bestimmen der Katalysatoraktivität basierend auf einem Fehler zwischen einer vorhergesagten Abgassensorausgabe und einer gemessenen Abgassensorausgabe; das Anwenden der Katalysatoraktivität und der Konzentrationen von zwei oder weniger gruppierten Einlassabgasarten auf ein Katalysatormodell, das einen Satz von über die Zeit und den Raum gemittelten Gleichungen der Massenbilanzen und der Energiebilanzen einer Fluidphase und einer Zwischenschicht des Katalysators enthält, um eine Gesamtsauerstoffspeicherkapazität und einen Teiloxidationszustand des Katalysators zu bestimmen; das Aufrechterhalten eines Luft-Kraftstoff-Sollverhältnisses basierend auf der Gesamtsauerstoffspeicherkapazität und dem Teiloxidationszustand des Katalysators; und das Angeben einer Verschlechterung des Katalysators, falls die Katalysatoraktivität oder die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität kleiner als ein Schwellenwert ist. Auf diese Weise kann jede Gruppe der Abgasarten in ein Katalysatormodell eingegeben werden, das die Katalysatordynamik über die Zeit und den Raum gleichzeitig mittelt, wie z. B. die Temperatur, die Zusammensetzung usw. Basierend auf den Katalysatormodell kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert werden und kann eine Verschlechterung des Katalysators angegeben werden.
Während die im Hinblick auf die 4 und 5 beschriebene Ausführungsform die Massenbilanz für zwei oder weniger gruppierte Abgasarten berechnet, die: CO, HC, NOx, H₂, H₂O, O₂ und CO₂ umfassen, wird folglich die Rechengeschwindigkeit vergrößert und werden die Kaltstartemissionen genau vorhergesagt. Die gruppierten Arten können z. B. in Oxidationsmittel (z. B. O₂ und NOx) und Reduktionsmittel (z. B. HC, CO und H₂) gruppiert sein.
Es ist klar, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Verfahren beispielhafter Art sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinn zu betrachten sind, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Die obige Technik kann z. B. auf V-6-, R-4- (I-4-), R-6- (I-6-), V-12-, Boxer-4- und andere Kraftmaschinentypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthält alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und anderen Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart sind.
Die folgenden Ansprüche legen bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders dar, die als neuartig und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder dessen Äquivalent beziehen. Derartige Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente enthalten und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Darstellung neuer Ansprüche in dieser oder einer in Beziehung stehenden Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche, ob ihr Umfang umfassender als der, enger als der oder gleich dem Umfang der ursprünglichen Ansprüche ist oder vom Umfang der ursprünglichen Ansprüche verschieden ist, werden außerdem als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.

Claims

Kraftmaschinenauslass-Verfahren, das Folgendes umfasst: Einstellen einer Kraftstoff-Einspritzmenge basierend auf einem Teiloxidationszustand eines Katalysators, wobei der Teiloxidationszustand auf den Reaktionsgeschwindigkeiten von zwei oder weniger Gruppierungen von Abgasarten in einem Katalysator und einem eindimensionalen Modell von über den Raum und die Zeit gemittelten Massenbilanz- und Energiebilanzgleichungen für eine Fluidphase und eine Zwischenschicht des Katalysators basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gruppierungen der Abgasarten ferner das Zusammenfassen der chemischen Abgasarten in einer Oxidationsmittelgruppe und einer Reduktionsmittelgruppe umfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein einziger Wert des Diffusionsvermögens in den Massenbilanzgleichungen sowohl für die Oxidationsmittelgruppe als auch für die Reduktionsmittelgruppe verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Einstellen der Kraftstoffeinspritzmenge basierend auf dem Teiloxidationszustand eines Katalysators während des Kaltstarts einer Kraftmaschine verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bestimmen einer geschätzten Gesamtsauerstoffspeicherkapazität und das Einstellen der Kraftstoffeinspritzmenge basierend auf der geschätzten Gesamtsauerstoffspeicherkapazität umfasst, wobei die geschätzte Gesamtsauerstoffspeicherkapazität bei 50 % aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner das Angeben der Verschlechterung des Katalysators umfasst, falls die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität unter einer Schwellenkapazität liegt oder falls die bestimmte Katalysatoraktivität unter einem geeichten Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bestimmen der Gesamtsauerstoffspeicherkapazität und des Teiloxidationszustands ferner das Bestimmen der Auslasskonzentrationen der gruppierten Arten basierend auf Einlasskonzentrationen der gruppierten Arten umfasst, wobei die Einlasskonzentrationen der gruppierten Arten basierend auf der Luftmasse, der Temperatur, dem Luft-/Kraftstoffverhältnis des Abgases und der Kraftmaschinendrehzahl bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reaktionsgeschwindigkeiten der gruppierten Abgasarten und der Teiloxidationszustand ferner auf einer bestimmten Katalysatorverstärkung basieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoffeinspritzmenge ferner basierend auf einer Eingabe von einem Sauerstoffsensor stromaufwärts des Katalysators und einem Sauerstoffsensor stromabwärts des Katalysators eingestellt wird und wobei die Kraftstoffeinspritzmenge eingestellt wird, um den Teiloxidationszustand auf einem Schwellenniveau aufrechtzuerhalten, das basierend auf der Kraftmaschinenlast und der Kraftmaschinentemperatur geeicht ist.
System, das Folgendes umfasst: einen Katalysator, der in einem Auslasssystem der Kraftmaschine positioniert ist; einen Controller, der Anweisungen enthält, um: eine Katalysatoraktivität, eine Gesamtsauerstoffspeicherkapazität und einen Teiloxidationszustand des Katalysators basierend auf einem Katalysatormodell zu bestimmen, das eine Änderung der Konzentration von zwei oder weniger Gruppierungen der Arten durch den Katalysator unter Verwendung eines eindimensionalen Modells von über den Raum und die Zeit gemittelten Massenbilanz- und Energiebilanzgleichungen für eine Fluidphase und eine Zwischenschicht des Katalysators verfolgt; und die Verschlechterung des Katalysators anzugeben, falls die Katalysatoraktivität oder die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität unter einem Schwellenwert liegt.
System nach Anspruch 10, wobei die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität eine Funktion eines geschätzten Fehlers zwischen der durch das Modell vorhergesagten Abgassensorspannung und der gemessenen Abgassensorspannung ist.
System nach Anspruch 11, wobei eine Katalysatorverstärkung auf einem stromaufwärtigen Luft-/Kraftstoffverhältnis, einem stromabwärtigen Luft-/Kraftstoffverhältnis, einer Luftmasse und einer Temperatur basiert.
System nach Anspruch 10, wobei der Controller ferner Anweisungen enthält, um eine Kraftstoffeinspritzmenge in die Kraftmaschine einzustellen, falls der Teiloxidationszustand außerhalb eines Schwellenbereichs liegt.
System nach Anspruch 10, wobei der Controller ferner nichtflüchtige Anweisungen enthält, die im Speicher gespeichert sind, um die Einlasskonzentration der gruppierten Arten basierend auf einer Luftmasse, einer Temperatur, einem Luft-/Kraftstoffverhältnis des Abgases und einer Kraftmaschinendrehzahl zu bestimmen, wobei die gruppierten Einlassarten ferner eine Oxidationsmittelgruppe und eine Reduktionsmittelgruppe umfassen, wobei die Oxidationsmittelgruppe ferner NOx und/oder O₂ und/oder H₂O und/oder CO₂ umfasst und die Reduktionsmittelgruppe ferner CO und/oder HC und/oder H₂ und/oder H₂O umfasst und wobei der Katalysator ein Dreiwegekatalysator ist.
Verfahren für eine Kraftmaschine, die einen Katalysator enthält, wobei das Verfahren Folgendes umfasst. Bestimmen der Katalysatoraktivität basierend auf einem Fehler zwischen einer vorhergesagten Abgassensorausgabe und einer gemessenen Abgassensorausgabe; Anwenden der Katalysatoraktivität und der Konzentrationen von zwei oder weniger Gruppierungen von Einlassabgasarten auf ein Katalysatormodell, das ein eindimensionales Modell von über den Raum und die Zeit gemittelten Massenbilanzen und Energiebilanzen einer Fluidphase und einer Zwischenschicht des Katalysators enthält, um eine Gesamtsauerstoffspeicherkapazität und einen Teiloxidationszustand des Katalysators zu bestimmen; Aufrechterhalten eines Luft-Kraftstoff-Sollverhältnisses basierend auf der Gesamtsauerstoffspeicherkapazität und dem Teiloxidationszustand des Katalysators; und Angeben einer Verschlechterung des Katalysators, falls die Katalysatoraktivität oder die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität kleiner als ein Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Teiloxidationszustand des Katalysators ferner den Teiloxidationszustand des Cerdioxids in dem Katalysator umfasst, der basierend auf einer Änderung der Sauerstoffkonzentration durch den Katalysator bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Einlassabgasarten CO, HC, NOx, H₂, H₂O, O₂ und CO₂ umfassen und das Verfahren ferner das Zusammenfassen der Einlassabgasarten in einer Oxidationsmittelgruppe und einer Reduktionsmittelgruppe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis ferner basierend auf den Eingaben von einem Sauerstoffsensor stromaufwärts des Katalysators und einem Sauerstoffsensor stromabwärts des Katalysators aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Katalysatoraktivität die Gesamtsauerstoffspeicherkapazität des Katalysators angibt.