DE102017101785A1

DE102017101785A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Verbrennungsmotors in Verbindung mit einem Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102017101785A1
Application number: DE102017101785.2A
Authority: DE
Inventors: Min Sun; Shifang Li; Giuseppe MAZZARA BOLOGNA; Joshua Clifford Bedford
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-02-11
Filing date: 2017-01-30
Publication date: 2017-08-17
Also published as: CN107060967A; US20170234199A1; CN107060967B; US9771851B2

Abstract

Ein Verbrennungsmotor fluidisch verbunden mit einem Abgasnachbehandlungssystem beinhaltet eine Partikelfilter-Vorrichtung, eine erste selektive katalytische Reduktionsvorrichtung stromaufwärts relativ zu einer zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung und ein Einspritzsystem zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgaszulauf stromaufwärts relativ zur ersten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung. Ein Verfahren zum Steuern des Verbrennungsmotors beinhaltet eine Überwachung des Motorbetriebs und darauf basierend die Bestimmung einer Menge gespeicherten Aerosols auf dem Partikelfilter. Eine Menge des Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung und Betriebsbedingungen in Verbindung mit dem Abgasnachbehandlungssystem werden auch bestimmt. Ein Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters wird nur ausgeführt, wenn die Menge des auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung gespeicherten Reduktionsmittels größer als ein Mindestschwellwert ist und die Betriebsbedingungen für die Regeneration des Partikelfilters förderlich sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Verbrennungsmotoren in fluidisierter Verbindung mit Abgasnachbehandlungssystemen sowie Verfahren zu deren Steuerung.
HINTERGRUND
Verbrennungsmotoren sind fluidisiert mit Abgasnachbehandlungssystemen verbunden, welche die als Verbrennungs-Abfallprodukte erzeugten Abgase reinigen. Verbrennungs-Abfallprodukte können unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickoxide, die oft als NOx-Moleküle bezeichnet werden sowie Aerosole beinhalten. Aerosole können durch den Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Selbstzündermotor entstehen. Die Abgasnachbehandlungssysteme können Oxidationskatalysatoren, Reduktionskatalysatoren, selektive katalytische Reduktionskatalysatoren und Partikelfilter beinhalten.
Selektive katalytische Reduktionskatalysatoren können Reduktionsmittel zum Reduzieren von NOx-Molekülen zu elementarem Stickstoff verwenden. Die Reduktionsmittel können auf einer Oberfläche gespeichert oder anderweitig in selektiven katalytischen Reduktionskatalysatoren gefangen werden. Partikelfilter fangen Aerosole und können eine regelmäßige Regenerierung erfordern. Das Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters kann die Menge eines Reduktionsmittels beeinflussen, das auf einem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator stromabwärts vom Partikelfilter gespeichert ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein Verbrennungsmotor in fluidischer Verbindung mit einem Abgasnachbehandlungssystem beschrieben. Das Abgasnachbehandlungssystem beinhaltet eine Partikelfilter-Vorrichtung, eine erste selektive katalytische Reduktionsvorrichtung stromaufwärts relativ zu einer zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung angeordnet und ein Einspritzsystem zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgaszulauf stromaufwärts relativ zur ersten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung. Ein Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsmotors beinhaltet die Überwachung des Motorbetriebs und Bestimmung einer gespeicherten Aerosolmenge auf dem Partikelfilter basierend auf dem Motorbetrieb. Eine Menge des Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung und Betriebsbedingungen in Verbindung mit dem Abgasnachbehandlungssystem werden auch bestimmt. Ein Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters wird nur ausgeführt, wenn die Menge des auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung gespeicherten Reduktionsmittels größer als ein Mindestschwellwert ist und die Betriebsbedingungen für die Regeneration des Partikelfilters förderlich sind.
Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen deutlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Arten und weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Lehren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 schematisch einen Verbrennungsmotor in fluidischer Verbindung mit einem Abgasnachbehandlungssystem zeigt einschließlich der ersten und zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtungen (SCRs) und einem Partikelfilter gemäß der Offenbarung;
2 schematisch eine Steuerroutine zur Regeneration des Partikelfilters zeigt, die zur Steuerung einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors und Abgasnachbehandlungssystems eingesetzt werden kann, beschrieben mit Bezug auf 1 gemäß der Offenbarung; und
3 schematisch eine Ausführungsform der Ammoniak-Dosierraten-Steuerroutine zeigt, die zur Steuerung in einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors und Abgasnachbehandlungssystems eingesetzt werden kann, beschrieben mit Bezug auf 1, worin die Ammoniak-Dosierraten-Steuerroutine gemäß dieser Offenbarung die Menge des auf dem zweiten SCR gespeicherten Ammoniaks steuert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Der folgende Text bezieht sich auf die Zeichnungen, die lediglich zur Veranschaulichung bestimmter exemplarischer Ausführungen dienen und den Umfang der Erfindung nicht beschränken sollen. 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor (Motor) 100 in fluidischer Verbindung mit einem Abgasnachbehandlungssystem 50, das gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung angeordnet ist. Der Motor 100 ist ein mehrzylindriger Verbrennungsmotor, der ein Gemisch aus direkt eingespritztem Kraftstoff mit Ansaugluft verbrennt und Abgas zurückführt, um mechanische Leistung zu erzeugen. Der Motor 100 ist, wie gezeigt, als Selbstzündermotor ausgeführt, die hierin beschriebenen Konzepte können allerdings auch bei anderen Motor-Konfigurationen eingesetzt werden, die Ausführungsformen des hierin beschriebenen Abgasnachbehandlungssystems 50 verwenden. Der Motor 100 kann bei Bodenfahrzeugen eingesetzt werden, wie bei PKW, LKW, landwirtschaftlichen Fahrzeugen oder Baufahrzeugen, bei marinen-Fahrzeugen, aber auch bei Seefahrzeugen oder in stationären Anwendungen, z. B. angeschlossen an einen Stromgenerator. Wie hierin verwendet, beziehen sich der Begriff „stromaufwärts” und ähnliche Begriffe auf Elemente in Richtung der Herkunft einer Strömung relativ zu einem angegebenen Ort, und der Begriff „stromabwärts” und ähnliche Begriffe beziehen sich auf Elemente abseits von der Herkunft einer Strömung relativ zu einem angegebenen Ort.
Der Motor 100 beinhaltet vorzugsweise einen Motorblock 7 mit mehreren Zylindern, einen Ansaugkrümmer 8 für die Kanalisierung der Ansaugluft in die Zylinder des Motors 100 und einen Abgaskrümmer 9 zum Transportieren des Abgases zur Kanalisierung durch das Abgas-Nachbehandlungssystem 50. Andere nicht dargestellte Motorbauteile und Systeme beinhalten Kolben, Kurbelwelle, Zylinderköpfe, Einlassventile, Auslassventile, Nockenwellen und sofern genutzt, variable Nockenwellenversteller. Der Motor 100 arbeitet vorzugsweise in einem Viertakt-Verbrennungszyklus von wiederholt ausgeführten Takten von Ansaugen-Kompression-Verbrennung-Abgas. Ein Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) beinhaltet in einer Ausführungsform eine Turbine 28 in fluidischer Verbindung mit dem Abgaskrümmer 9 stromaufwärts relativ zum Abgasnachbehandlungssystem 50. Der Motor 100 beinhaltet eine Vielzahl von Direkteinspritzdüsen 47, die so angeordnet sind, dass der Kraftstoff direkt in die einzelnen Brennräume eingespritzt wird. Die Einspritzdüsen 47 können beliebige geeignete Direkteinspritz-Vorrichtungen sein, wie beispielsweise in einer Ausführungsform über Magnetventile betätigte Vorrichtungen. Kraftstoff wird über eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe 41, eine Kraftstofffilter-Baugruppe 42, eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe 43, ein Kraftstoff-Dosierventil 44, ein Kraftstoff-Verteilerrohr 45 und ein Druckregelventil 46 aus einem Kraftstofftank an die Einspritzdüsen 47 geliefert. Jeder der Motorzylinder beinhaltet vorzugsweise eine Glühkerze 25. Der Motor 100 beinhaltet ein Luftansaugsystem, das einen Ansaugluftfilter 48, einen Luftmassensensor 49, einen Kompressor 10 des VGT, einen Ladeluftkühler 11, ein Drosselventil 13, einen Sensor 12 zur Überwachung des Ladedrucks und der Einlasslufttemperatur sowie andere Messvorrichtungen beinhaltet, die nützlich sein können. Der Motor 100 beinhaltet eine Abgasrückführung (AGR), die die Abgase flüssig vom Abgaskrümmer 9 zum Ansaugkrümmer 8 transportiert. In einer Ausführungsform kann das AGR-System ein AGR-Ventil 14, einen AGR-Kühler 17 mit einem Bypassventil 15, einen AGR-Auslasstemperatursensor 18, einen AGR-Kühler-Einlasstemperatursensor 31 und einen Vakuumschalter 16 beinhalten. Der Ansaugkrümmer 8 kann auch mehrere Drallventile 19 zum Mischen der Ansaugluft mit den rückgeführten Abgasen beinhalten. Andere Motorüberwachungssensoren können einen Kurbelwellenstellungs-Sensor 20, einen Nockenwellenstellungs-Sensor 21, einen Kühlmitteltemperatur-Sensor 22, einen Ölpegelschalter 23 und einen Öldruckschalter 24 beinhalten, unter anderem. Eine oder mehrere Motorüberwachungssensoren können durch ein geeignetes ausführbares Modell ersetzt werden.
Eine Motorsteuerung 26 überwacht verschiedene Sensoren und führt Steuerroutinen, um verschiedene Stellglieder anzuweisen, um den Betrieb des Motors 100 als Reaktion auf die Anwenderbefehle zu steuern. Anwenderbefehle können aus verschiedenen Anwendereingabegeräten hervorgehen, z. B. einer Pedalbaugruppe 27, die zum Beispiel ein Gaspedal und ein Bremspedal beinhaltet. Andere Sensoren im Zusammenhang mit dem Betrieb des Motors können nur exemplarisch unter anderem ein Luftdrucksensor (nicht gezeigt), ein Umgebungsluft-Temperatursensor (nicht gezeigt), ein VGT-Positionssensor (nicht gezeigt), der Abgas-Temperatursensor 31, ein Ladelufteinlass-Temperatursensor 32 und ein Ladeluftauslass-Temperatursensor 33 sein.
Das Abgasnachbehandlungssystem 50 kann eine Vielzahl von fluidisch verbundenen abgasreinigenden Vorrichtungen zur Reinigung von Abgasen vor der Abgabe in die Umgebungsluft beinhalten. Eine abgasreinigende Vorrichtung kann eine beliebige Vorrichtung sein, um Bestandteile des Abgaszulaufs zu oxidieren, reduzieren, filtern oder anderweitig zu behandeln, einschließlich unter anderem Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickoxide (NOx) und Aerosol. In der gezeigten Ausführungsform sind die erste, zweite und dritte abgasreinigende Vorrichtung 53, 54 und 55 jeweils implementiert. Die erste und zweite abgasreinigende Vorrichtung 53, 54 sind eng mit dem Abgaskrümmer 9 verbunden und vorzugsweise im Motorraum angeordnet. Die dritte abgasreinigende Vorrichtung 55 kann entfernt angeordnet sein, beispielsweise in der Unterbodenverkleidung beim Einsatz in einem Landfahrzeug. Die erste abgasreinigende Vorrichtung 53 kann in bestimmten Ausführungsformen ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und anderen Bestandteilen im Abgaszulauf sein und wird hier im Folgenden als ein Oxidationskatalysator 53 bezeichnet. Die zweite abgasreinigende Vorrichtung 54 kann ein Partikelfilter zusammen mit einem ersten selektiven katalytischen Reduktionskatalysator sein und wird im Folgenden als DPF/ SCR 54 bezeichnet. Ein Reduktionsmittel-Liefersystem 60 einschließlich einer Einspritzdüse 62 kann stromaufwärts dazu positioniert werden, um kontrollierbar Reduktionsmittel in den Abgaszulauf zu geben und die Reduktion von NOx zu erleichtern. Die dritte abgasreinigende Vorrichtung 55 kann ein zweiter selektiver katalytischer Reduktionskatalysator sein, der im Folgenden als ein zweiter SCR 55 bezeichnet wird. In einer Ausführungsform können der erste und zweite SCR auf Harnstoff basierende Vorrichtungen sein und das eingespritzte Reduktionsmittel kann Harnstoff sein. Wie von Fachleuten einzusehen, kann Harnstoff zu Ammoniak (NH3) umgewandelt werden, der auf den Substraten entweder einer oder beider der DPF/ SCR 54 und dem zweiten SCR 55 gespeichert werden kann, und zur Reduktion mit NOx-Molekülen reagieren kann, um elementaren Stickstoff (N2) und andere inerte Gase zu bilden.
Jeder der Oxidationskatalysatoren 53, DPF/ SCR 54 und der zweite SCR 55 beinhalten ein keramisches oder metallisches Substrat mit Strömungskanälen, die mit geeigneten Materialien beschichtet sind, einschließlich unter anderem beispielsweise: Metallen der Platingruppe wie Platin, Palladium und/oder Rhodium; andere Metalle wie Kupfer; Cer und anderen Materialien. Die beschichteten Materialien bewirken chemische Reaktionen, um Bestandteile des Abgaszulaufs unter bestimmten Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Strömungsrate, Luft-/Kraftstoffverhältnis und anderen zu oxidieren, zu reduzieren, zu filtern oder anderweitig zu behandeln. Die dargestellte Ausführung beinhaltet die Elemente der Abgasnachbehandlungs-Systems 50 in einer Anordnung. In einer alternativen Ausführungsform können Partikelfilter und Oxydationskatalysator gemeinsam auf einem einzigen Substrat als Teil des Oxidationskatalysators 53 angeordnet und in einer einzigen mechanischen Baugruppe zusammengestellt werden. Im Rahmen dieser Offenbarung können auch andere Ausführungen der Bauteile des Abgasnachbehandlungssystems 50 eingesetzt werden, wobei derartige Anordnungen zusätzlich auch andere abgasreinigende Vorrichtungen beinhalten können bzw. keine anderen abgasreinigenden Vorrichtungen enthalten müssen, je nach den Anforderungen der entsprechenden Anwendung.
Sensoren für die Überwachung der abgasreinigenden Vorrichtungen des Abgasnachbehandlungssystems 50 können einen oder mehrere Abgassensoren 58, einen oder mehrere Feinstaubsensoren 56 und einen Delta-Drucksensor 57 zur Überwachung des Druckabfalls im DPF/SCR 54, einen oder mehrere Temperatursensoren 59 und/oder andere geeignete Sensoren und Modelle für die Überwachung des Abgaszulaufs beinhalten. Der Abgassensor 58 kann ein NOx-Sensor, eine Lambdasonde mit breitem Messbereich oder eine andere geeignete Abgas-Sensorvorrichtung sein. Solche Sensoren und Modelle können angebracht werden, um Parameter im Zusammenhang mit der Leistung der einzelnen abgasreinigenden Geräte zu überwachen und diese festzustellen, um die Parameter im Zusammenhang mit der Leistung eines Untersatzes der abgasreinigenden Geräte zu überwachen oder um die Parameter im Zusammenhang mit der Leistung des gesamten Abgasnachbehandlungs-Systems 50 zu überwachen. Der Abgassensor 58 ist vorzugsweise so angeordnet, dass er den Abgaszulauf stromaufwärts relativ vor dem Oxidationskatalysator 53 überwacht. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Abgassensor 58 so angeordnet werden, dass der Abgaszulauf stromabwärts hinter dem Oxidationskatalysator 53 überwacht wird. Der Abgassensor 58 kann als flaches Zirkonoxid-Doppelfeldgerät mit einem Sensorelement und einem integrierten, elektrisch betriebenen Heizelement gefertigt werden.
Die Motorsteuerung beinhaltet vorzugsweise die Steuerung verschiedener Motorbetriebsparameter, einschließlich der Steuerung bevorzugter Motorsteuerzustände zur Minimierung verschiedener Abgasbestandteile durch chemische Reaktionsprozesse, zu diesen beispielsweise und ohne zu beschränken Oxidation, Reduktion, Filterung und selektive Reduktion gehören. Andere Motorsteuerzustände enthalten die Steuerung der Betriebsparameter zum Warmlaufen des Motors 100 und zur Wärmeübertragung oder anderweitigen Erwärmung der Oxidationskatalysatoren 53, DPF/SCR 54 und dem zweiten SCR 55, um einen wirksamen Betrieb davon zu erzielen.
In einer Ausführungsform kann ein Verfahren zum raschen Anwärmen des zweiten SCR 55 die Weiterleitung unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgaszulauf zum Strom an den Oxidationskatalysator 53 enthalten, um darin zu oxidieren und die Temperatur des Abgaszulaufs zu erhöhen, wenn er in den zweiten SCR 55 gelangt. Eine Motorsteuerung, welche die unverbrannten Kohlenwasserstoffe an den Abgaszulauf weiterleiten kann, beinhaltet Nachverbrennungs-Kraftstoffeinspritzungs-Ereignisse. Eine Nachverbrennungs-Kraftstoffeinspritzung ist eine Kraftstoffeinspritzung während eines Teils des Verbrennungszyklus, wenn Kraftstoff nach einer Verbrennung in einen Brennraum eingespritzt wird, was zu unverbranntem Kraftstoff in der Brennkammer führt, der in den Abgaszulauf zum Abgasnachbehandlungssystem 50 gelangen kann. Dies kann Einspritzen von Kraftstoff spät in jedem Verbrennungstakt oder während eines Ausstoßtaktes durch Aktivieren der Einspritzdüsen 47 beinhalten.
Die Begriffe Steuerung, Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und Ähnliches beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (ASIC), elektronische(r) Schaltkreis(e), Zentraleinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und diesen zugeordneten nicht-transitorische Speicherkomponenten in Form von Speicher- und Speichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriff, Festplatte usw.). Die nichtflüchtige Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Anweisungen in der Form von einem oder mehreren Software- oder Firmware-Programmen oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und -Vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Zu den Geräten und Kreisen für Ein- und Ausgaben gehören Analog-/Digitalwandler-verwandte Geräte, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder als Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf jedwede von einer Steuerung ausführbare Befehlssätze, wie Kalibrierungen und Lookup-Tabellen. Jede Steuerung führt für die gewünschten Funktionen (eine) Steuerroutine(n) aus, so auch die Überwachung der Eingaben von Sensorgeräten und anderen vernetzten Steuerungen und führt Steuer- und Diagnoseroutinen zum Steuern der Betätigung von Stellgliedern durch. Die Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, zum Beispiel während des laufenden Betriebs alle 100 Mikrosekunden. Alternativ können Routinen als Reaktion auf ein Auslöseereignis ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen den Steuerungen und zwischen Steuerungen, Stellgliedern und/oder Sensoren kann über eine Punkt-zu-Punkt-Direktverkabelung, eine Netzwerkkommunikations-Busverbindung, eine drahtlose Verbindung oder jede andere geeignete Kommunikationsverbindung bewerkstelligt werden. Die Kommunikation beinhaltet den Austausch von Datensignalen auf jede beliebige geeignete Art, darunter auch als Beispiele elektrische Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetische Signale durch die Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Datensignale können diskrete, analoge oder digitalisierte analoge Signale beinhalten, die Eingaben von Sensoren und Stellgliedbefehle darstellen sowie Kommunikationssignale zwischen Steuerungen. Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf jede physisch wahrnehmbare Anzeige, die Informationen übermittelt und kann jede geeignete Wellenform (z. B. elektrische, optische, magnetische, mechanische oder elektromagnetische) umfassen, wie beispielsweise Gleichstrom, Wechselspannung, Sinuswellen, Dreieckswelle, Rechteckwelle, Vibration und dergleichen, die durch ein Medium laufen können. Der Ausdruck „Modell“ bezeichnet einen prozessorbasierten oder einen mittels des Prozessors ausführbaren Code und der zugehörigen Kalibrierung, die die physische Existenz einer Vorrichtung oder eines physischen Prozesses simuliert. Wie hierin verwendet, beschreibt der Begriff „dynamisch“ Schritte oder Verfahren, die in Echtzeit ausgeführt werden und das Überwachen oder sonstige Ermitteln von Parameterzuständen und das regelmäßige oder periodische Aktualisieren von Parameterzuständen beim Ausführen einer Routine oder zwischen Iterationen beim Ausführen der Routine enthalten können.
Die Motorsteuerung 26 beinhaltet ausführbaren Code zum Vorladen des zweiten SCR 55, um eine gewünschte Menge Ammoniakspeicher vor dem Ausführen einer Routine zur Regeneration des Partikelfilters des DPF/ SCR 54 zu haben, und somit die NOx-Minderung im zweiten SCR 55 während der Regeneration zu erleichtern. Das mildert eine Unfähigkeit zur Steuerung der Ammoniakladung am zweiten SCR 55 beim Regenerieren des DPF/ SCR 54 aufgrund der Wahrscheinlichkeit, dass das vom Reduktionsmittel-Liefersystem 60 eingespritzte Reduktionsmittel im DPF/ SCR 54 oxidiert werden kann. Ein derartiger Betrieb ist mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben.

2 zeigt schematisch eine Steuerroutine 200 zur Partikelfilterregeneration, die zur Steuerung eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann, der ein Abgasnachbehandlungssystem mit ersten und zweiten SCRs und einen Partikelfilter beinhaltet. Eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotors 100 und eines Abgasnachbehandlungssystems 50 mit einem ersten und zweiten SCR und einen Partikelfilter ist beschrieben mit Bezug auf 1. Insgesamt beinhaltet die Steuerroutine 200 zur Partikelfilterregeneration die Überwachung des Motorbetriebs zur Bestimmung einer Menge der auf dem Partikelfilter gespeicherten Partikel und zur Bestimmung einer Menge des gespeicherten Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung. Die Betriebszustände der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung werden ebenfalls bestimmt. Ein Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters wird erst ausgeführt, wenn die Menge des auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung gespeicherten Reduktionsmittels größer als ein Mindestschwellwert ist und die Betriebsbedingungen für die Regeneration des Partikelfilters förderlich sind. Die Steuerroutine 200 der Partikelfilterregeneration ist vorzugsweise periodisch durch die Motorsteuerung 26 als ein oder mehrere Befehlssätze mit den dazugehörigen Kalibrierungen während des Motorbetriebs ausgeführt. Tabelle 1 beinhaltet eine Aufschlüsselung, in der die numerisch gekennzeichneten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt festgelegt sind und entsprechend der Steuerroutine 200 zur Partikelfilterregeneration ausgeführt werden. Tabelle 1

BLOCK	BLOCKINHALTE
202	Überwachung von Motorbetrieb und Abgaszulauf
204	Liegt eine Anforderung zur Regeneration des Partikelfilters vor?
206	Sind die Startbedingungen zur Regeneration erfüllt?
208	Ist die Menge des Ammoniakspeichers auf dem zweiten SCR größer als der Mindestschwellwert für die Ammoniakspeicherung
210	Partikelfilterregeneration erlauben?
220	Ausführen der Motorsteuerung zur Vorbereitung der Partikelfilterregeneration
230	Ausführen der Partikelfilterregeneration
240	SCR für Partikelfilterregeneration vorbereiten
250	Ende der Iteration

Die Steuerroutine der Partikelfilterregeneration (PF Regen Routine) 200 wird vorzugsweise periodisch während des Motorbetriebs ausgeführt. Das beinhaltet die regelmäßige, periodische Überwachung des Motorbetriebs und des Abgaszulaufs durch Sensoren und/oder von der Steuerung ausführbaren Modellen (202). Eine derartige Überwachung beinhaltet das Ermitteln der Aerosolbelastung des Partikelfilters, die durch Überwachung des Druckabfalls am Partikelfilter und die Schätzung der Aerosolbelastung basierend auf dem Druckabfall durch eine Korrelation oder durch Schätzung der Aerosolbelastung basierend auf akkumulierten Motordrehzahlen, Last- und Temperatur-Parametern oder durch Anwendung anderer geeigneter Überwachungsschemata erreicht wird. Verfahren und Routinen zur Schätzung des durch den Betrieb eines Verbrennungsmotors erzeugten Aerosols sind Fachleuten auf dem Gebiet bekannt. Erfolgt eine Anzeige, dass sich die Aerosolbelastung des Partikelfilters einem Schwellenwert nähert, erzeugt die PF Regen Routine 200 eine Anforderung zur Regeneration des Partikelfilters (204)(1).
Die PF Regen Routine 200 bewertet Startbedingungen für die Partikelfilterregeneration (206) gleichzeitig mit der Auswertung der gespeicherten Menge Ammoniak auf den zweiten SCR (208).
Die Bewertung der Startbedingungen für die Partikelfilterregeneration (206) beinhaltet vorzugsweise die Überwachung der Abgastemperatur. Wenn die Startbedingungen zur Regeneration des Partikelfilters nicht erfüllt sind (206)(0), wird die Motorsteuerung so gesteuert, um die Regeneration (220) vorzubereiten und diese Iteration endet (250).
Die Steuerung des Motorbetriebs zur Vorbereitung der Partikelfilterregeneration beinhaltet vorzugsweise die Regelung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts (220). Die Beurteilung der gespeicherten Menge Ammoniak auf dem zweiten SCR (208) beinhaltet vorzugsweise die Berechnung einer Menge gespeicherten Ammoniaks auf dem zweiten SCR.
Wenn die Ammoniakspeicherung auf dem zweiten SCR kleiner als ein Mindestschwellwert der Ammoniak-Speichermenge (208)(0) ist, wird der Betrieb des Motors so gesteuert, um die Ammoniak-Speicherung auf dem zweiten SCR (240) zu erhöhen und diese Iteration (250) zu beenden. Eine Ausführungsform einer Steuerroutine 300 der Ammoniak-Dosierung zur Erhöhung der Ammoniak-Speicherung auf dem zweiten SCR ist beschrieben mit Bezug auf 3.
Wenn der Betrieb des Motors zur Regenerierung (206)(1) vorbereitet und die Ammoniak-Speicherung auf dem zweiten SCR größer als der minimale Schwellwert der Ammoniak-Speichermenge (208)(1) ist, führt die PF Regen Routine 200 das Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters (230) aus und diese Iteration der Routine (250) endet. Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters können die Erhöhung der Temperatur des Abgaszulaufs auf eine Temperatur enthalten, die zur Oxidation des gespeicherten Partikelmaterials ausreicht, wie Fachleuten bekannt ist.
3 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Steuerroutine 300 für die Ammoniak-Dosierrate in 2, die zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem ersten und zweiten SCR und einem Partikelfilter verwendet werden kann, worin die Steuerung durchgeführt wird, um die Menge des auf dem zweiten SCR gespeicherten Ammoniaks zu erhöhen oder anderweitig zu managen, d. h. im Schritt 240 von 2. In bestimmten Ausführungsformen entspricht der erste SCR der DPF/ SCR 54 und ist beschrieben mit Bezug auf 1 und der zweite SCR entspricht dem zweiten SCR 55 und ist beschrieben mit Bezug auf 1.
Eingaben für die Steuerroutine 300 der Ammoniak-Dosierrate enthalten vorzugsweise eine Vielzahl von erfassten oder abgeschätzten Betriebsparametern 302 des Motors und Abgassystems. Die Betriebsparameter 302 des Motors und Abgassystems beinhalten vorzugsweise eine Ammoniak-Dosierrate, eine Abgas-Strömungsrate und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches direkt überwacht werden kann oder basierend auf überwachten Zuständen des Motors schlussgefolgert wird. Andere Parameter beinhalten die Abgastemperatur 311 und Raumgeschwindigkeit 313 für jeden der ersten und zweiten SCRs, worin die Raumgeschwindigkeit 313 anhand von Volumina (ml) der ersten und zweiten SCRs und einer volumetrischen Geschwindigkeit (l/s) des Abgases bestimmt wird. Fachleute auf dem Gebiet können die Raumgeschwindigkeit für die Abgasnachbehandlungs-Vorrichtungen wie die ersten und zweiten SCRs bestimmen, die beschrieben sind mit Bezug auf 1.
Die Steuerroutine 300 der Ammoniak-Dosierrate beinhaltet einen Modellabschnitt 310, um eine wirksame Menge Ammoniak zu bestimmen, die auf dem ersten und zweiten SCR 309 gespeichert ist, basierend auf den erfassten oder abgeschätzten Betriebsparametern 302 des Motors und Abgassystems. Der Modellabschnitt beinhaltet ein erstes Modell 304, das ein eindimensionales kinetisches Modell des ersten SCR ist und ein zweites Modell 306, das ein eindimensionales kinetisches Modell des zweiten SCR ist. Eindimensionale kinetische Modelle der SCRs sind den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt. Das erste Modell 304 erzeugt ein Ausgangssignal 305, das Messwerte der Ammoniak- und NOx-Moleküle beinhaltet, die auf dem ersten SCR gespeichert sind und auf den erfassten oder geschätzten Betriebsparametern 302 des Motors und Abgassystems basieren. Das vom ersten Modell 304 erzeugte Ausgangssignal 305 zeigt vorzugsweise auch einen Durchbruch von Ammoniak- und NOx-Molekülen aus dem ersten SCR an. Das zweite Modell 306 erzeugt ein Ausgangssignal 307, das Messwerte der Ammoniak- und NOx-Moleküle beinhaltet, die auf dem zweiten SCR 55 gespeichert sind und auf dem Ausgangssignal vom DPF/SCR 54 basieren, das hier als Eingang dient. Das zweite Modell 306 kann auch einen Durchbruch von Ammoniak- und NOx-Molekülen aus dem zweiten SCR anzeigen.
Die Ammoniak-Speicherung auf dem ersten SCR, was der Ausgangswert 305 vom ersten Modell 304 ist, und die Ammoniak-Speicherung auf dem zweiten SCR, was der Ausgangswert 307 vom zweiten Modell 306 ist, werden einem Summenelement 308 bereitgestellt, welches basierend darauf einen effektiven Ammoniak-Speicherwert für den ersten und zweiten SCR 309 bestimmt. Der effektive Ammoniak-Speicher für den ersten und zweiten SCR 309 wird wie folgt ermittelt: NH3_EFF = NH3_SCR1 + f_Tabelle (T_SCR2)·NH3_SCR2 [1] worin:

NH3_EFF: der effektive Ammoniak-Speicher für den ersten und zweiten SCR ist;
NH3_SCR1: der Ammoniak-Speicher für den ersten SCR ist;
T_SCR2: eine Temperatur des zweiten SCR ist;
f_Tabelle: (TSCR2) ein Parameter basierend auf TSCR2 ist; und
NH3_SCR2: der Ammoniak-Speicher für den zweiten SCR ist;

Die Abgastemperatur 311 und Raumgeschwindigkeit 313 für jeden der ersten und zweiten SCRs werden in einem ersten Modell 314 angewendet, um einen ersten Ammoniak-Speichersollwert 315 zugehörig zum ersten SCR zu bestimmen. Der erste zum ersten SCR gehörende Ammoniak-Speichersollwert 315 zeigt vorzugsweise eine maximale Ammoniak-Speicherkapazität für den ersten SCR basierend auf seiner Temperatur und Raumgeschwindigkeit an. Zusätzliche Mengen Ammoniak im Abgaszulauf können zum Durchbruch von Ammoniak führen, wovon ein Teil zum zweiten SCR gelangen würde.
Die Abgastemperatur 311 und Raumgeschwindigkeit 313 für jeden der ersten und zweiten SCRs werden in einem zweiten Modell 316 verwendet, um einen zweiten Ammoniak-Speichersollwert 317 zugehörig zum zweiten SCR zu bestimmen. Der zweite zum zweiten SCR gehörende Ammoniak-Speichersollwert 317 zeigt vorzugsweise eine Ammoniak-Speicherkapazität für den zweiten SCR basierend auf seiner Temperatur und Raumgeschwindigkeit an, die für einen effektiven Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems nötig sein kann, um das durch den Motorbetrieb erzeugte NOx zu reduzieren. Der zweite Ammoniak-Speichersollwert 317 wird basierend auf den Parametern im Zusammenhang mit der Abgastemperatur 311 und den Raumgeschwindigkeiten 313 für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung bestimmt, wenn diese nicht die Ausführung des Verfahrens zur Regeneration des Partikelfilters vorbereiten.
Die Abgastemperatur 311 und Raumgeschwindigkeit 313 für jeden der ersten und zweiten SCRs werden in einem dritten Modell 318 zur Bestimmung eines dritten Ammoniak-Speichersollwerts 319 in Verbindung mit dem zweiten SCR verwendet, wenn dieser daran arbeitet, den Motor für die Regeneration des Partikelfilters vorzubereiten. Der dritte Ammoniak-Speichersollwert 319 ist mit dem zweiten SCR verbunden und zeigt vorzugsweise eine maximale Ammoniak-Speicherkapazität für den zweiten SCR basierend auf seiner Temperatur und Raumgeschwindigkeit an. Zusätzliche Mengen Ammoniak können zum Durchbruch von Ammoniak führen, der als Ammoniakschlupf bezeichnet wird. Zustände der Temperaturen, Raumgeschwindigkeiten und anderer Betriebsparameter sind anwendungsspezifisch und können durch bekannte technische Praktiken während der Produktentwicklung bestimmt werden oder lassen sich anderweitig bestimmen.
Wie bei Element 320 angegeben, dient der Regenerations-Trigger 245 zur Auswahl des zweiten Ammoniak-Speichersollwerts 317 als bevorzugter Ammoniak-Speichersollwert 321, sofern der Motor nicht zur Regeneration des Partikelfilters arbeitet. Wenn der Motor zur Regeneration des Partikelfilters arbeitet, wählt der Regenerations-Trigger 245 den dritten Ammoniak-Speichersollwert 319 als bevorzugten Ammoniak-Speichersollwert 321 aus. Nochmals bezugnehmend auf 2, zeigt der Regenerations-Trigger 245 an, dass der Motor zur Regeneration des Partikelfilters durch die PF Regen Routine 200 als Teil von Schritt 240 arbeitet, was die Steuerung des Motorbetriebs beinhaltet, um die Ammoniak-Speicherung auf dem zweiten SCR zu erhöhen.
Der erste Ammoniak-Speichersollwert 315 in Verbindung mit dem ersten SCR und der bevorzugte Ammoniak-Speichersollwert 321 im Zusammenhang mit dem zweiten SCR (322) sind kombiniert, um einen gesamten effektiven Ammoniak-Speichersollwert 325 zu bestimmen.
Der gesamte effektive Ammoniak-Speichersollwert 325 wird mit dem effektiven Ammoniak-Speicher für den ersten und zweiten SCR 309 (330) verglichen und eine bevorzugte Reduktionsmittel-Dosierrate 335 ausgewählt, um die Dosier-Vorrichtung basierend darauf zu steuern. Dies beinhaltet vorzugsweise die Erhöhung der Reduktionsmittel-Dosierrate 335, wenn der effektive Ammoniak-Speicher für den ersten und zweiten SCR 309 weniger als der gesamte effektive Ammoniak-Speichersollwert 325 ist, und eine Verringerung der Reduktionsmittel-Dosierrate 335, wenn der effektive Ammoniak-Speicher für den ersten und zweiten SCR 309 größer als der gesamte effektive Ammoniak-Speichersollwert 325 ist. Dies beinhaltet die Auswahl einer Größe der Reduktionsmittel-Dosierrate 335 basierend auf dem Unterschied zwischen der effektiven Ammoniak-Speicherung für den ersten und zweiten SCR 309 und dem gesamten effektiven Ammoniak-Speichersollwert 325.
Unter Bezugnahme auf 1 und mit weiterer Bezugnahme auf 3 erzeugt die Motorsteuerung 26 Steuersignale zur Steuerung des Reduktionsmittel-Liefersystems 60 zur Lieferung von Reduktionsmittel in den Abgaszulauf basierend auf der Reduktionsmittel-Dosierrate 335. Daher lädt die Motorsteuerung 26 den zweiten SCR 55 vor, um eine gewünschte Menge Ammoniak-Speicher aufzuweisen, bevor eine Routine zur Regeneration des Partikelfilters des DPF/ SCR 54 ausgeführt wird, und somit die NOx-Reduktion im zweiten SCR 55 während der Regeneration zu erleichtern.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die vorliegenden Lehren, doch wird der Umfang der vorliegenden Lehren einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während ein paar der besten Arten und Weisen und weitere Ausführungsformen der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren in den angehängten Ansprüchen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors in fluidischer Verbindung mit einem Abgasnachbehandlungssystem, worin das Abgasnachbehandlungssystem einen Partikelfilter, eine erste selektive katalytische Reduktionsvorrichtung stromaufwärts relativ zu einer zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung angeordnet und ein Einspritzsystem zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgaszulauf stromaufwärts relativ zur ersten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung enthält, das Verfahren umfassend: die Überwachung des Motorbetriebs; die Bestimmung einer Menge des auf dem Partikelfilter gespeicherten Aerosols basierend auf dem Motorbetrieb; die Bestimmung einer Menge gespeicherten Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung; die Bestimmung der Betriebsbedingungen in Verbindung mit dem Abgasnachbehandlungssystem; und über eine Steuerung die Ausführung eines Verfahrens zur Regeneration des Partikelfilters nur dann, wenn die Menge des gespeicherten Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung größer als ein Mindestschwellwert ist und die Betriebsbedingungen für die Regeneration des Partikelfilters förderlich sind.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Steuern des Einspritzsystems zum Einspritzen von Reduktionsmittel in den Abgaszulauf über die Steuerung, um die Menge des gespeicherten Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Steuerung des Einspritzsystems zum Einspritzen von Reduktionsmittel in den Abgaszulauf zur Regelung der Menge des gespeicherten Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung umfasst: Bestimmen eines effektiven Reduktionsmittel-Speichers für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung; Bestimmen eines gesamten effektiven Reduktionsmittel-Speichersollwerts für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung; und Steuern des Einspritzsystems zum Einspritzen von Reduktionsmittel in den Abgaszulauf basierend auf dem effektiven Reduktionsmittel-Speicher für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung und dem gesamten effektiven Reduktionsmittel-Speichersollwert für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die Bestimmung eines effektiven Reduktionsmittel-Speichers für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung umfasst: Bestimmen von Parametern im Zusammenhang mit einer Reduktionsmittel-Dosierrate, einer Abgas-Strömungsgeschwindigkeit und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis; Bestimmen einer Menge gespeicherten Reduktionsmittels auf der ersten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung basierend auf den Parametern; Bestimmen einer Menge gespeicherten Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung basierend auf der Menge des gespeicherten Reduktionsmittels auf der ersten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung Vorrichtung und den Parametern; und Bestimmen des effektiven Reduktionsmittel-Speichers für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung basierend auf der Menge gespeicherten Reduktionsmittels auf der ersten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung und der Menge gespeicherten Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die Bestimmung eines gesamten effektiven Reduktionsmittel-Speichersollwerts für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung umfasst: Bestimmen von Parametern im Zusammenhang mit der Abgastemperatur und Raumgeschwindigkeiten für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung; Bestimmen eines ersten Reduktionsmittel-Speichersollwerts für die erste selektive katalytische Reduktionsvorrichtung basierend auf den Parametern im Zusammenhang mit der Abgastemperatur und der Raumgeschwindigkeit für die erste selektive katalytische Reduktionsvorrichtung; Bestimmen eines zweiten Reduktionsmittel-Speichersollwerts für die zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung basierend auf den Parametern im Zusammenhang mit der Abgastemperatur und den Raumgeschwindigkeiten für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung, wenn nicht die Ausführung des Verfahrens zur Regeneration des Partikelfilters vorbereitet wird; Bestimmen eines dritten Reduktionsmittel-Speichersollwerts für die zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung basierend auf den Parametern im Zusammenhang mit der Abgastemperatur und den Raumgeschwindigkeiten für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung vor der Ausführung des Verfahrens zur Regeneration des Partikelfilters; und Bestimmen des gesamten effektiven Reduktionsmittel-Speichersollwerts für die erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung basierend auf dem ersten und dritten Reduktionsmittel-Sollwert vor der Ausführung des Verfahrens zur Regeneration des Partikelfilters.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Reduktionsmittel Harnstoff ist.
Ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen Partikelfilter und eine erste selektive katalytische Reduktionsvorrichtung, angeordnet stromaufwärts relativ zu einer zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung, ein Einspritzsystem zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgaszulauf stromaufwärts relativ zur ersten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung, eine Steuerung zur Überwachung des Abgasnachbehandlungssystems, des Abgaszulaufs und des Verbrennungsmotors sowie zur Steuerung des Einspritzsystems; die Steuerung umfassend einen Befehlssatz, der ausführbar ist, um: den Betrieb des Motors zu überwachen, eine Menge des gespeicherten Aerosols auf dem Partikelfilter basierend auf dem Betrieb des Motors zu bestimmen, eine Menge des gespeicherten Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung zu bestimmen, die Betriebsbedingungen in Verbindung mit dem Verbrennungsmotor und dem Abgasnachbehandlungssystem zu bestimmen, und den Partikelfilter nur dann zu regenerieren, wenn die Menge des gespeicherten Reduktionsmittels auf der zweiten selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung größer als ein Mindestschwellwert ist und die Betriebsbedingungen in Verbindung mit dem Verbrennungsmotor und Abgasnachbehandlungssystem für die Regeneration des Partikelfilters förderlich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin der Verbrennungsmotor ein Selbstzündermotor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin sich der Partikelfilter und die erste selektive katalytische Reduktionsvorrichtung auf einem gemeinsamen Substrat befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin sich der Verbrennungsmotor auf einem Fahrzeug befindet und worin sich die zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtung in einer Unterbodenverkleidung des Fahrzeugs befindet.