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EINLEITUNG
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Abgasnachbehandlungssysteme sind fluidisch an Verbrennungsmotoren gekoppelt, um die als Verbrennungs-Abfallprodukte erzeugten Abgase zu reinigen. Die Abgasnachbehandlungssysteme können Oxidationskatalysatoren, Reduktionskatalysatoren, selektive katalytische Reduktionskatalysatoren und Partikelfilter beinhalten. Verbrennungs-Abfallprodukte können unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickoxide, die als NOx-Moleküle bezeichnet werden können sowie Aerosole beinhalten. Der Betrieb kann durch eine oder mehrere Abtastvorrichtungen überwacht werden, die in dem Abgaszulauf angeordnet sind. Der Betrieb kann auch unter Verwendung von Simulationsmodellen bestimmt werden, die während des Betriebs dynamisch ausgeführt werden.
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Selektive katalytische Reduktionskatalysatoren (SCRs) können Reduktionsmittel zum Reduzieren von NOx-Molekülen zu elementarem Stickstoff verwenden. Ein Reduktionsmittel ist Harnstoff, der in einem Abgassystem in Ammoniak (NH3) umgewandelt werden kann. Das Reduktionsmittel kann in den Abgaszulauf stromaufwärts von einem oder mehreren selektiven katalytischen Reduktionskatalysatoren eingespritzt werden und kann auf einer Oberfläche gelagert oder anderweitig für die Verwendung bei der Reduktion von NOx-Molekülen gegenüber elementarem Stickstoff und Wasser eingefangen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist ein Abgasnachbehandlungssystem beschrieben, das zum Reinigen eines Abgasstroms für einen Verbrennungsmotor vorgesehen ist. Das Abgasnachbehandlungssystem beinhaltet erste und zweite selektive katalytische Reduktionsvorrichtungen (SCRs), wobei der erste SCR stromabwärts bezüglich des zweiten SCR angeordnet ist und ein Reduktionsmitteleinspritzsystem, das angeordnet ist, um ein Reduktionsmittel in den Abgaszulauf stromaufwärts relativ zum ersten SCR einzuspritzen. Ein erster Temperatursensor ist zum Überwachen einer Temperatur des Abgaszulaufs stromaufwärts relativ zum ersten SCR angeordnet, und ein zweiter Temperatursensor ist zum Überwachen des Abgaszulaufs stromaufwärts relativ zum zweiten SCR angeordnet. Eine Steuerung ist funktionsfähig mit dem Reduktionsmitteleinspritzsystem verbunden und steht mit dem ersten und zweiten Temperatursensor sowie dem Verbrennungsmotor in Verbindung. Die Steuerung beinhaltet einen Befehlssatz, der ausführbar ist, um eine Gesamt-Ammoniakspeicherkapazität und ein Ammoniakspeicherniveau für die ersten und zweiten SCRs zu ermitteln, und um ein Gesamt-Ammoniakspeicherniveau für die ersten und zweiten SCRs basierend auf dem Ammoniakspeicherniveau des ersten SCR und dem Ammoniakspeicherniveau des zweiten SCR zu ermitteln. Ein erster Speicherfehler wird basierend auf der Gesamt-Ammoniakspeicherkapazität für die ersten und zweiten SCRs und dem Gesamt-SCR-Ammoniakspeicherniveau für die ersten und zweiten SCRs bestimmt, und ein zweiter Speicherfehler wird basierend auf einem Ammoniakspeicherniveau für das zweite SCR und einer Ammoniakspeicherkapazität für das zweite SCR bestimmt. Eine erste Reduktionsmitteldosierrate wird basierend auf dem ersten Speicherfehler bestimmt, und eine zweite Reduktionsmitteldosierrate wird basierend auf dem zweiten Speicherfehler bestimmt. Das Reduktionsmitteleinspritzsystem wird gesteuert, um Reduktionsmittel in den Abgaszulauf basierend auf der zweiten Reduktionsmitteldosierrate einzuspritzen, wenn der zweite Speicherfehler ein Ungleichgewicht zwischen dem Ammoniakspeicher auf dem ersten SCR und dem Ammoniakspeicher auf dem zweiten SCR anzeigt.
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Ein Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Steuern des Reduktionsmitteleinspritzsystems, um Reduktionsmittel in den Abgaszulauf einzuspritzen, basierend auf der zweiten Reduktionsmitteldosierrate, wenn der zweite Speicherfehler ein Ungleichgewicht zwischen dem Ammoniakspeicherniveau auf dem ersten SCR und dem Ammoniakspeicherniveau auf dem zweiten SCR anzeigt, das dem Ammoniakschlupf zugeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Überwachen der ersten und zweiten Temperatur des Abgaszulaufs und eines Abgasdurchflusses sowie die Bestimmung des Ammoniakspeichers, der dem ersten SCR zugeordnet ist, basierend auf der ersten und zweiten Temperatur des Abgaszulaufs und des Abgasdurchflusses.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Ermitteln des Ammoniakspeichers, der dem zweiten SCR zugeordnet ist, basierend auf der ersten und zweiten Temperatur des Abgaszulaufs und dem Abgasdurchfluss.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Ermitteln einer Ammoniakspeicherkapazität, die dem zweiten SCR zugeordnet ist, basierend auf der ersten und zweiten Temperatur des Abgaszulaufs und des Abgasdurchflusses, und das Ermitteln der gesamten SCR-Ammoniakspeicherkapazität für den ersten und zweiten SCR, die darauf basieren.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Reduktionsmittel als Harnstoff.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Einspritzen von Reduktionsmittel in den Abgaszulauf basierend auf der ersten Reduktionsmitteldosierrate, wenn der zweite Speicherfehler nicht das Ungleichgewicht zwischen dem Speicher an der ersten Vorrichtung und dem Speicher an der zweiten Vorrichtung anzeigt.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Reduktionsmitteleinspritzsystem, das so angeordnet ist, dass es sowohl das erste SCR als auch das zweite SCR mit Reduktionsmittel versorgt.
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Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich hervor.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen:
- 1 veranschaulicht schematisch einen Verbrennungsmotor in fluidischer Verbindung mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das erste und zweite selektive katalytische Reduktionsmittelvorrichtungen (SCRs) und ein Reduktionsmittelzufuhrsystem gemäß der Offenbarung beinhaltet;
- 2 veranschaulicht schematisch eine Reduktionsmitteleinspritzungssteuerungsroutine mit geschlossenem Regelkreis, die zum Steuern der Reduktionsmittelzufuhr in einer Ausführungsform des mit Bezug auf 1 beschriebenen Abgasnachbehandlungssystems gemäß der Offenbarung verwendet werden kann; und
- 3 stellt grafisch die Daten dar, die mit dem Betrieb einer Ausführungsform der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Reduktionsmitteleinspritzungssteuerungsroutine verbunden sind, um die Reduktionsmitteleinspritzung zu steuern, die eine Ausführungsform des Verbrennungsmotors und des Abgasnachbehandlungssystems verwendet, die unter Bezugnahme auf 1 gemäß der Offenbarung beschrieben sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung, wie beansprucht, einzuschränken, sondern sie ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung offengelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde zum Zwecke der Klarheit bestimmtes technisches Material, das im entsprechenden Stand der Technik verstanden wird, nicht ausführlich beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden. Des Weiteren sind die Zeichnungen vereinfacht und nicht im exakten Maßstab dargestellt. Lediglich zum Zweck der Einfachheit und Klarheit können richtungsbezogene Begriffe mit Bezug auf die Zeichnungen verwendet werden. Richtungsweisende Begriffe sind nicht so auszulegen, um den Umfang der Offenbarung zu beschränken. Wie hierin verwendet, beziehen sich der Begriff „stromaufwärts“ und ähnliche Begriffe auf Elemente, die auf eine Entstehung eines Strömungsflusses relativ zu einer angegebenen Position hindeuten und der Begriff „stromabwärts“ und ähnliche Begriffe beziehen sich auf Elemente, die von einer Entstehung eines Strömungsflusses relativ zu einer angegebenen Position entfernt sind. Darüber hinaus kann die Offenbarung, wie hierin veranschaulicht und beschrieben, in Abwesenheit eines Elements ausgeführt werden, das hierin nicht ausdrücklich offenbart ist.
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Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, worin die Darstellungen nur zur Veranschaulichung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen dienen, nicht jedoch zur Einschränkung derselben, wobei 1 schematisch einen exemplarischen Verbrennungsmotor (Motor) 100 veranschaulicht, der mit einem Abgasnachbehandlungssystem 50 fluidmäßig gekoppelt ist, 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.
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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 geeignete Direkteinspritzvorrichtungen 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.
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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.
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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 Vorrichtung sein, die konfiguriert ist, um Bestandteile des Abgaszulaufs 51 zu oxidieren, reduzieren, filtern und/oder anderweitig zu behandeln, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide (NOx) und Feinstaub. In der gezeigten Ausführungsform sind die erste, zweite und dritte abgasreinigende Vorrichtung 53, 54 und 55 jeweils implementiert. Die ersten und zweiten abgasreinigenden Vorrichtungen 53, 54 können eng mit dem Abgaskrümmer 9 verbunden sein, z. B. in einem Motorraum angeordnet sein. Die dritte abgasreinigende Vorrichtung (Katalysator) 55 kann entfernt angeordnet sein, wie beispielsweise in der Unterbodenverkleidung beim Einsatz in einem Bodenfahrzeug. 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 ist vorzugsweise als erster selektiver katalytischer Reduktionskatalysator konfiguriert, und wird im Folgenden als SCR 54 bezeichnet. In einer Ausführungsform kann der erste SCR 54 auch einen Partikelfilter zum Filtern von Partikelmaterial aus dem Abgaszulauf beinhalten. Der dritte Katalysator 55 ist vorzugsweise als zweiter SCR 55 konfiguriert. Einige Ausführungsformen können einen Oxidationskatalysator stromabwärts des zweiten SCR 55 verwenden. Ein Reduktionsmittelzuführsystem 60 beinhaltet vorzugsweise eine einzelne Reduziereinspritzvorrichtung 62 mit einer Einspritzdüse, die relativ zum ersten SCR 54 stromaufwärts positioniert ist. Das Reduktionsmittelzuführsystem 60 ist konfiguriert, um steuerbar einen dosierten Reduktionsmitteldurchfluss in den Abgaszulauf stromaufwärts des ersten SCR 54 zur Erleichterung der NOx-Reduktion durch den ersten und zweiten SCR 54, 55 bereitzustellen. In einer Ausführungsform sind die ersten und zweiten SCRs 54, 55 auf Harnstoff basierende Vorrichtungen und das eingespritzte Reduktionsmittel ist Harnstoff. Wie von Fachleuten auf dem Gebiet zu erkennen ist, kann Harnstoff zu Ammoniak (NH3) umgewandelt werden, das auf den Substraten der ersten und zweiten SCRs 54, 55 gespeichert werden kann und zur Reduktion mit NOx-Molekülen reagieren kann, um elementaren Stickstoff (N2) und andere inerte Gase zu bilden.
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Jeder der Oxidationskatalysatoren 53, des ersten SCR 54 und des zweiten SCR 55 beinhalten ein keramisches oder metallisches Substrat mit Strömungskanälen, die mit geeigneten Materialien beschichtet sind, die beispielsweise: Metalle der Platingruppe wie Platin, Palladium und/oder Rhodium; andere Metalle wie Kupfer; Cer und andere Materialien beinhalten. 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 der Oxidationskatalysator 53 und das erste SCR 54 auf einem einzelnen Substrat und/oder innerhalb einer einzelnen mechanischen Anordnung angeordnet sein. 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.
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Sensoren für die Überwachung der abgasreinigenden Vorrichtungen des Abgasnachbehandlungssystems 50 können jeweils einen ersten und einen zweiten Abgassensor 58, 61 einen oder mehrere Feinstaubsensoren 59 und einen Delta-Drucksensor 57 zur Überwachung des Druckabfalls im ersten SCR 54, erste und zweite Temperatursensoren 56, 63 und/oder andere geeignete Abtastvorrichtungen und Modelle für die Überwachung des Abgaszulaufs beinhalten. Der erste und der zweite Abgassensor 58, 61 sind vorzugsweise als NOx-Sensoren ausgebildet und können in einer Ausführungsform eine Weitbereichs-Lambda-Erfassungsfähigkeit beinhalten. Derartige Sensoren und Modelle können angeordnet sein, um Parameter, die sich auf den Abgaszulauf an bestimmten Stellen beziehen, zu überwachen oder anderweitig zu ermitteln. Als solches können die vorgenannten Sensoren und/oder Modelle vorteilhafterweise verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit einzelner abgasreinigender Vorrichtungen zu überwachen, Parameter im Zusammenhang mit der Leistung der einzelnen abgasreinigenden Vorrichtungen zu überwachen, um die Leistung eines Untersatzes der abgasreinigenden Geräte zu überwachen oder um die Leistung des gesamten Abgasnachbehandlungssystems 50 zu überwachen. Der erste Abgassensor 58 ist vorzugsweise so angeordnet, dass er den Abgaszulauf stromaufwärts relativ, wie dargestellt, vor dem Oxidationskatalysator 53 überwacht. Die zweite Abgassensor 61 ist vorzugsweise so angeordnet, um den Abgaszulauf stromaufwärts bezüglich des SCR 55 und stromabwärts des ersten SCR 54 zu überwachen. Die ersten und zweiten Abgassensoren 58, 61 können in einer Ausführungsform als eine planare Zirkonoxid-Doppelfeldvorrichtung mit einem Abtastelement und einem integrierten, elektrisch betriebenen Heizelement gefertigt sein.
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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 beinhalten die Steuerung der Betriebsparameter zum Warmlaufen des Motors 100 und zur Wärmeübertragung oder anderweitigen Erwärmung verschiedene des ersten Oxidationskatalysators 53, des ersten SCR 54 und des zweiten SCR 55, um einen wirksamen Betrieb davon zu erzielen.
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Die Begriffe Steuereinheit, Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuergerät, 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 deren zugeordneten nicht-transitorische Speicherkomponenten in Form von Arbeitsspeicher- und Datenspeichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenspeicher usw.). Die nicht-transitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in der Form einer oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingabe-/Ausgabeschaltung(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 Ein- und Ausgabevorrichtungen und Schaltungen gehören Analog-/Digitalwandler und ähnliche Vorrichtungen, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder in Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Befehle, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf von einer Steuereinheit ausführbaren Befehlssätze, wie z. B. Kalibrierungen und Wertetabellen. Jede Steuereinheit führt für Steuerroutine(n) aus, um die gewünschten Funktionen, darunter auch die Überwachung der Eingaben von Sensorgeräten und anderen vernetzten Steuereinheiten, bereitzustellen, und führt zudem Steuer- und Diagnoseroutinen aus, um die Betätigung von Stellgliedern zu steuern. Die Routinen können in regelmäßigen Intervallen, wie z. B. während des laufenden Betriebs alle 100 Mikrosekunden, ausgeführt werden. Alternativ dazu können Routinen in Reaktion auf ein Auslöseereignis ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen den Steuerungen und die Kommunikation zwischen Steuerungen und Stellgliedern und/oder Sensoren können über eine direkte Drahtverbindung, einen vernetzten Kommunikationsbus, eine drahtlose Verbindung oder eine andere geeignete Kommunikationsverbindung erfolgen. Die Kommunikation beinhaltet den Austausch von Datensignalen auf eine geeignete Art, darunter auch z. B. 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, sowie Kommunikationssignale zwischen Steuereinheiten darstellen. Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf physisch wahrnehmbare Anzeige, die Informationen übermittelt und kann eine 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 Begriff „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.
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Unter Bezugnahme auf 2, mit weiterer Bezugnahme auf 1, wird schematisch eine Reduktionsmitteleinspritzsteuerungsroutine 200 dargestellt, die zur Steuerung der Reduktionsmitteleinspritzung unter Verwendung einer Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 50 verwendet werden kann, das fluidisch mit dem Verbrennungsmotor 100 gekoppelt ist. Die Reduktionsmitteleinspritzsteuerroutine 200 dient zur Steuerung des einzelnen Reduktionsmittelzuführsystems 60, das dazu bestimmt ist, Reduktionsmittel in den Abgaszulauf 51 an einer einzelnen Stelle stromaufwärts gegenüber des ersten SCR 54 einzuspritzen. Wie hierin beschrieben, steuert die Reduktionsmitteleinspritzsteuerungsroutine 200 vorteilhaft den Betrieb des einzelnen Reduktionsmitteleinspritzsystems 60, um Reduktionsmittel sowohl dem ersten SCR 54 als auch dem zweiten SCR 55 zuzuführen.
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Insgesamt beinhaltet die Reduktionsmitteleinspritzungssteuerroutine 200 die Überwachung des Motorbetriebs und andere Faktoren, um eine anfängliche Reduktionsmitteldosierungsrate 240 zu ermitteln, die auf den Motorbetrieb anspricht. Eine zweite Reduktionsmitteldosierungsrate 260 wird basierend auf einer Schätzung oder Bestimmung einer Menge Ammoniak, die durch das erste SCR 54 (236) und andere Faktoren verbraucht wurde, bestimmt. Entweder wird die erste Reduktionsmitteldosierungsrate 240 oder die zweite Reduktionsmitteldosierungsrate 260 ausgewählt und als Enddosierungsrate 280 implementiert, wobei die Auswahl auf einem zweiten Speicherfehler 229 basiert, der einer zweiten SCR-Ammoniakspeicherstufe 218 und einer zweiten Ammoniakspeicherkapazität 224 für das zweite SCR 55 zugeordnet ist. Die zweite Reduktionsmitteldosierungsrate 260 wird ausgewählt, um die Reduktionsmitteldosierungsrate auszugleichen, um den Ammoniakdurchbruch durch das erste SCR 54 zu berücksichtigen, um ausgewogene Ammoniakspeicherniveaus auf dem ersten und zweiten SCR 54, 55 zu erreichen. Die ausgewählte der ersten und zweiten Reduktionsmitteldosierungsraten 240, 260 wird von der Reduktionsmitteleinspritzsteuerungsroutine 200 ausgegeben und an die Steuerung 26 übermittelt, um den Betrieb des einzelnen Reduktionsmittelzuführungssystems 60 zu steuern, um Reduktionsmittel in den Abgaszulauf 51 stromaufwärts des ersten SCR 54 zuzuführen.
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Die Reduktionsmitteleinspritzsteuerungsroutine 200 ist konfiguriert, um separate Ammoniakspeicher-Sollwerte für jeden der ersten und zweiten SCRs 54, 55 zu definieren, wobei beide aktiv im Ammoniakspeicher gesteuert werden, wobei der Einspritzmassenstrom zum zweiten SCR 54 durch den Ammoniakschlupfmassenstrom vom ersten SCR 54 dargestellt wird. Die Reduktionsmitteleinspritzsteuerungsroutine 200 ist konfiguriert, um den Gesamtsollwert zu erreichen, d. h. die Summe der Speichersollwerte, die für den ersten und zweiten SCR 54, 55 kalibriert wurden.
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Die erste Reduktionsmitteldosierungsrate 240 wird wie folgt bestimmt. Der Motorbetrieb und die Motor- und Abgassensoren werden stromaufwärts des ersten SCR 54 überwacht, um eine erste Temperatur 202 und einen ersten Abgasdurchfluss 204 zu ermitteln, die in eine erste SCR-Sollwertkalibrierung 210 eingegeben werden, um eine erste SCR-Ammoniakspeicherkapazität 222 zu ermitteln, die mit einer Menge an Reduktionsmittel verbunden ist, die auf dem ersten SCR 54 gespeichert werden kann. Der Motorbetrieb und die Motor- und Abgassensoren werden stromabwärts des ersten SCR 54 und stromaufwärts des zweiten SCR 55 überwacht, um eine zweite Temperatur 206 und einen zweiten Abgasdurchfluss 208 zu ermitteln, die einer zweiten SCR-Sollwertkalibrierung 220 zugeführt werden, um eine zweite Ammoniakspeicherkapazität 224 zu ermitteln, die mit einer Menge an Reduktionsmittel verbunden ist, die auf dem zweiten SCR 55 gespeichert werden kann.
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Die ersten und zweiten Ammoniakspeicherkapazitäten 222, 224 werden basierend auf den zuvor genannten Temperaturen, Abgasdurchflussraten, Raumgeschwindigkeiten und Alterungsfaktoren ermittelt, die den ersten und zweiten SCRs 54, 55 zugeordnet sind. Die Gesamt-Ammoniakspeicherkapazität 217 wird durch eine arithmetische Kombination der ersten SCR-Ammoniakspeicherkapazität 222 und der zweiten Ammoniakspeicherkapazität 224 bestimmt.
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Die erste Temperatur 202 und der erste Abgasdurchfluss 204 werden auch in ein erstes eindimensionales kinetisches Modell 215 eingegeben, das dem ersten SCR 54 zugeordnet ist, um ein erstes SCR-Ammoniakspeicherniveau 216 zu schätzen, das eine Ammoniakmenge angibt, die auf dem ersten SCR 54 gespeichert ist, basierend auf den gemessenen oder geschätzten Motor- und Abgassystembetriebsparametern. In ähnlicher Weise werden die zweite Temperatur 206 und der zweite Abgasdurchfluss 208 in ein zweites eindimensionales kinetisches Modell 225 des zweiten SCR 55 eingegeben, um ein zweites SCR-Ammoniakspeicherniveau 218 zu schätzen, das eine Ammoniakmenge angibt, die auf dem zweiten SCR 55 gespeichert ist, basierend auf den gemessenen oder geschätzten Motor- und Abgassystembetriebsparametern. Eindimensionale kinetische Modelle von SCRs zum Erzeugen von Ausgaben, die eine geschätzte Menge an gespeichertem Ammoniak auf dem SCR beinhalten, können ausgeführt werden und basieren auf Temperatur, Raumgeschwindigkeit des SCR und anderen Betriebsparametern. Zustände der Temperaturen, Raumgeschwindigkeiten und anderer Betriebsparameter sind anwendungsspezifisch und können durch technische Praktiken während der Produktentwicklung bestimmt werden oder lassen sich anderweitig ermitteln. Das erste SCR-Ammoniakspeicherniveau 216 und das zweite SCR-Ammoniakspeicherniveau 218 werden arithmetisch kombiniert, um ein gesamtes SCR-Ammoniakspeicherniveau 227 auf dem ersten und zweiten SCR 54, 55 zu ermitteln.
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Ein gesamter gespeicherter Ammoniakfehler 228 wird basierend auf einer arithmetischen Differenz zwischen der gesamten Ammoniakspeicherkapazität 217 und des gesamten SCR-Ammoniakspeicherniveaus 227 ermittelt. Der gesamte gespeicherte Ammoniakfehler 228, hierin auch als „erster Speicherfehler“ bezeichnet, wird in eine Ammoniakspeichersteuerungsroutine 230 eingegeben, die darauf aufbauend eine anfängliche Reduktionsmitteldosierrate 232 bestimmt. Eine erste Schätzung des verbrauchten Ammoniak 234 im Zusammenhang mit dem Betrieb des ersten SCR 54 wird z. B. durch den Betrieb des ersten eindimensionalen kinetischen Modells 215 des ersten SCR 54 ermittelt. Ähnlich wird eine zweite Schätzung des verbrauchten Ammoniak 236 im Zusammenhang mit dem Betrieb des zweiten SCR 55 ermittelt, z. B. durch den Betrieb des zweiten eindimensionalen kinetischen Modells 225 des zweiten SCR 55. Die anfängliche Reduktionsmitteldosierrate 232, die erste Schätzung des verbrauchten Ammoniaks 234 und die zweite Schätzung des verbrauchten Ammoniaks 236 werden arithmetisch kombiniert, um die erste Reduktionsmitteldosierrate 240 zu ermitteln, die unter bestimmten Umständen zum Steuern des einzelnen Reduktionsmittelzuführsystems 60 verwendet werden kann.
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Die erste Temperatur 202 und der erste Abgasdurchfluss 204 werden in eine Alterungskalibrierung 242 eingegeben, die einen Alterungsfaktor 244 bestimmt, der dem ersten SCR 54 zugeordnet ist. Der Alterungsfaktor 244 berücksichtigt zeit- und temperaturbedingte Belastungen aus dem Abgasstrom, welche die Kapazität des ersten SCR 54 zum Speichern von Ammoniak beeinträchtigen können. Die zweite Schätzung von verbrauchtem Ammoniak 236, die dem ersten SCR 54 zugeordnet ist, wird basierend auf dem Alterungsfaktor 244 angepasst, um die zweite Reduktionsmitteldosierrate 260 zu ermitteln. Die zweite Reduktionsmitteldosierungsrate 260 ist eine Reduktionsmitteldosierrate, die ausgewählt wird, um den Ammoniakdurchbruch durch das erste SCR 54 zu berücksichtigen, um ausgewogene Ammoniakspeicherniveaus auf den ersten und zweiten SCRs 54, 55 zu erreichen.
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Ein zweiter Speicherfehler 229, der dem zweiten SCR 55 zugeordnet ist, wird basierend auf einer Differenz zwischen dem zweiten SCR-Ammoniakspeicher 218 und dem zweiten SCR-Ammoniakspeicher 224 ermittelt. Der zweite Speicherfehler 229, der dem zweiten SCR 55 zugeordnet ist, wird einer auf Katalysatoralterung basierenden Hysteresesteuerung (HCA) 250 unterzogen, die ein Gleichgewicht zwischen den Ammoniakspeichern der ersten und zweiten SCR 54, 55 bewertet, wobei die zweite Temperatur 206 und der zweite Abgasdurchfluss 208, der dem zweiten SCR 55 zugeordnet ist, berücksichtigt werden.
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Der zweite Speicherfehler 229 berücksichtigt dabei das erste SCR-Ammoniakspeicherniveau 216 in Bezug auf die erste SCR-Ammoniakspeicherkapazität 222 und das zweite SCR-Ammoniakspeicherniveau 218 in Bezug auf die zweite SCR-Ammoniakspeicherkapazität 224. Der zweite Speicherfehler 229 zeigt das Vorhandensein oder Fehlen eines Ungleichgewichts zwischen dem Ammoniakspeicher auf dem ersten SCR in Bezug auf die Ammoniakspeicherkapazität für das erste SCR und dem Ammoniakspeicher auf dem zweiten SCR in Bezug auf die Ammoniakspeicherkapazität für das zweite SCR an. Das HCA 250 erzeugt ein diskretes Ausgangssignal 252, das entweder „1“ oder „0“ ist, mit dem entweder die erste Reduktionsmitteldosierrate 240 oder die zweite Reduktionsmitteldosierrate 260 gewählt werden kann.
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Das diskrete Ausgangssignal 252 wird basierend auf dem zweiten Speicherfehler 229 bestimmt, wobei die zweite Temperatur 206 und der zweite Abgasdurchfluss 208, der dem zweiten SCR 55 zugeordnet ist, berücksichtigt werden. Die zweite Temperatur 206 und der zweite Abgasdurchfluss 208 in Verbindung mit dem zweiten SCR 55 werden verwendet, um dynamisch eine Ammoniakspeicherkapazität 224 für den zweiten SCR 55 zu ermitteln und Hysterese- und Alterungsfaktoren zu berücksichtigen. Das diskrete Ausgangssignal 252 des HCA 250 zeigt entweder ein Vorhandensein oder ein Fehlen eines Ungleichgewichts zwischen der Menge an Ammoniak, die auf dem zweiten SCR 55 gespeichert ist, und der Menge an Ammoniak, die auf dem ersten SCR 54 gespeichert ist, worin das Ungleichgewicht zwischen der Menge an Ammoniak, die auf dem zweiten SCR 55 gespeichert ist, und der Menge an Ammoniak, die auf dem ersten SCR 54 gespeichert ist, anzeigt, dass eine überschüssige Menge an Ammoniak, die auf dem zweiten SCR 55 gespeichert ist, und eine reduzierte Menge an Ammoniak, die auf dem ersten SCR 54 gespeichert ist, vorhanden ist. Das Vorhandensein eines Ungleichgewichts zwischen der Ammoniakmenge, die auf dem zweiten SCR 55 gespeichert ist, und der Ammoniakmenge, die auf dem ersten SCR 54 gespeichert ist, kann dazu führen, dass Ammoniak aus dem zweiten SCR 55 entweicht. Wenn also ein Ungleichgewicht zwischen der Menge an Ammoniak, die auf dem zweiten SCR 55 gespeichert ist, und der Menge an Ammoniak, die auf dem ersten SCR 54 gespeichert ist, besteht, sodass eine überschüssige Menge Ammoniak, die auf dem zweiten SCR 55 gespeichert ist, und eine reduzierte Menge Ammoniak, die auf dem ersten SCR 54 gespeichert ist, vorhanden sind, wobei das HCA 250 die zweite Reduktionsmitteldosierrate 260, die geringer ist als die erste Reduktionsmitteldosierrate 240, anweist, den Reduktionsmittelspeicher zwischen dem ersten und dem zweiten SCR 54, 55 auszugleichen.
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Das diskrete Ausgangssignal 252 wird zum Steuern des Betriebs einer IF/THEN/ELSE-Logikvorrichtung 270 oder ihres funktionalen Äquivalents verwendet. Die Eingänge zur IF/THEN/ELSE-Logikvorrichtung 270 beinhalten die erste Reduktionsmitteldosierrate 240 und die zweite Reduktionsmitteldosierrate 260, wobei der Betrieb über das diskrete Ausgangssignal 252 gesteuert wird. Wenn das diskrete Ausgangssignal 252 „0“ ist, wird die erste Reduktionsmitteldosierungsrate 240 ausgewählt und als Enddosierrate 280 implementiert, die von der Reduktionsmitteleinspritzsteuerungsroutine 200 ausgegeben und an die Steuerung 26 übermittelt wird, um den Betrieb des einzelnen Reduktionsmittelzuführsystems 60 zu steuern, um Reduktionsmittel in den Abgaszulauf 51 abzuführen. Wenn das diskrete Ausgangssignal 252 „1“ ist, wird die zweite Reduktionsmitteldosierungsrate 260 ausgewählt und als Enddosierrate 280 implementiert, die von der Reduktionsmitteleinspritzsteuerungsroutine 200 ausgegeben und an die Steuerung 26 übermittelt wird, um den Betrieb des einzelnen Reduktionsmittelzuführsystems 60 zu steuern, um Reduktionsmittel in den Abgaszulauf 51 abzuführen.
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3 stellt grafisch die Daten dar, die mit dem Betrieb einer Ausführungsform der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Reduktionsmitteleinspritzungssteuerungsroutine 200 verbunden sind, um die Reduktionsmitteleinspritzung zu steuern, die eine Ausführungsform des Verbrennungsmotors 100 und des Abgasnachbehandlungssystems 50 verwendet, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben sind. Verschiedene Parameter werden gleichzeitig auf der vertikalen Achse in Bezug auf die Zeit dargestellt, die auf der horizontalen Achse angezeigt wird. Die überwachten Parameter beinhalten dabei das erste SCR-Ammoniakspeicherniveau 216 und das erste Ammoniakspeicherniveau 222, das zweite SCR-Ammoniakspeicherniveau 218 und das zweite SCR-Ammoniakspeicherniveau 224, die Gesamt-Ammoniakspeicherkapazität 217, das Gesamt-SCR-Ammoniakspeicherniveau 227, die Enddosierrate 280. Darüber hinaus werden ein globaler NOx-Wirkungsgrad 312 und Ammoniakschlupf 310 dargestellt und sind Indikatoren für die Leistungsfähigkeit der Reduktionsmitteleinspritzsteuerungsroutine 200. Im Betrieb wird die erste Reduktionsmitteldosierrate 240 als Enddosierrate 280 implementiert, bis ein Ungleichgewicht zwischen des ersten SCR-Ammoniakspeicherniveaus 216 und des zweiten SCR-Ammoniakspeicherniveaus 218 besteht, das zu einem Überschuss an Reduktionsmittel auf dem zweiten SCR 55 führt, gekoppelt mit einem reduzierten Reduktionsmittel auf dem ersten SCR 54, mit einer gewissen Berücksichtigung der Hysterese im System, wie sie beim Zeitpunkt 320 auftritt. An diesem Punkt wird die zweite Reduktionsmitteldosierrate 260 ausgewählt und als Enddosierrate 280 implementiert, die von der Reduktionsmitteleinspritzsteuerungsroutine 200 ausgegeben und an die Steuerung 26 übermittelt wird, um den Betrieb des einzelnen Reduktionsmittelzuführsystems 60 zu steuern, um Reduktionsmittel in den Abgaszulauf 51 zu fördern. Dieser Betriebsvorgang wird fortgesetzt, bis das zweite SCR-Ammoniakspeicherniveau 218, wie beim Zeitpunkt 322 angegeben, auf eine vorgegebene Menge reduziert wird. An diesem Punkt wird die erste Reduktionsmitteldosierrate 240 als Enddosierrate 280 implementiert. Dieser Betrieb hält den globalen NOx-Wirkungsgrad 312 auf einem im Wesentlichen unveränderten Niveau, während der Ammoniakschlupf 310 auf ein akzeptables Niveau begrenzt wird.
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Die hierin beschriebenen Konzepte führen vorteilhaft zu einer Minimierung oder Vermeidung des Auftretens von Ammoniakschlupf aus dem zweiten SCR 55, auch unter Bedingungen hochgradienter SCR-Temperaturänderungen. Darüber hinaus können die Verbrauchswerte des eingespritzten Reduktionsmittels gesteuert werden.
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Das Flussdiagramm und die Blockdiagramme in den Flussdiagrammen veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammen gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In dieser Hinsicht kann jeder Block in den Flussdiagrammen oder Blockdiagrammen ein Modul, ein Segment oder einen Abschnitt eines Codes darstellen, der zum Implementieren der spezifizierten logischen Funktion(en) einen oder mehrere ausführbare Befehle umfasst. Es wird auch darauf hingewiesen, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder Flussdiagrammdarstellungen und Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammdarstellungen durch Spezialzweck-Hardware-basierte Systeme, die die spezifizierten Funktionen oder Vorgänge durchführen, oder Kombinationen von Spezialzweck-Hardware und Computerbefehlen implementiert werden können. Diese Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das einen Computer oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung steuern kann, um in einer bestimmten Art und Weise zu funktionieren, sodass die in dem computerlesbaren Medium gespeicherten Befehle einen Herstellungsartikel erzeugen, einschließlich Anweisungsmitteln, die die Funktion/Vorgang, der in dem Flussdiagramm und/oder Blockdiagrammblock oder Blöcken angegeben ist, implementieren.
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Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind.
