DE102018116590A1

DE102018116590A1 - Nachgeschaltete sauerstoffsensorleistung zur selektiven katalytischen reduktion

Info

Publication number: DE102018116590A1
Application number: DE102018116590.0A
Authority: DE
Inventors: David P. Quigley; Pablo E. Hernandez Garcia; Sarah Funk; Madeleine Brancaccio
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: CN109236435A; DE102018116590B4; CN109236435B; US20190010852A1; US10450933B2

Abstract

Es werden technische Lösungen für ein Emissionssteuerungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor beschrieben. Ein computerimplementiertes Verfahren zum Steuern eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, beinhaltet das Erfassen eines hohen Kohlenwasserstoffbereichs im Betrieb des Verbrennungsmotors. Das Verfahren beinhaltet weiterhin eine reaktionsschnelle Messung der Vorlauftemperatur einer Oxidationsvorrichtung des Abgassystems. Darüber hinaus beinhaltet das Verfahren als Reaktion auf die Vorlauftemperatur eine Verzögerung der O2-Diagnose des Abgassystems für eine zeitliche Verzögerung der Signalrationalität.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren und insbesondere Abgasanlagen mit selektiver katalytischer Reduktionsvorrichtung (SCR) zur Emissionssteuerung.
Das Abgas, das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide (NO_x) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe), enthält, die Partikel darstellen. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise auf Katalysatorträgern oder Substraten angeordnet sind, sind in einem Motorabgassystem als Teil eines Nachbehandlungssystems vorgesehen, um bestimmte oder sämtliche dieser Abgasbestandteile in nicht geregelte Abgaskomponenten umzuwandeln.
Abgasbehandlungssysteme beinhalten normalerweise selektive katalytische Reduktions (SCR)-Vorrichtungen. Eine SCR-Vorrichtung beinhaltet ein Substrat, mit einem darauf angeordneten SCR-Katalysator, um die Menge an NOx in dem Abgas zu reduzieren. Das typische Abgasbehandlungssystem beinhaltet auch ein Reduktionsmittelliefersystem, das ein Reduktionsmittel wie beispielsweise Ammoniak (NH3), Harnstoff (CO(NH2)2 usw.) einspritzt. Die SCR-Vorrichtung nutzt NH3 zur Reduktion von NOx. Wenn beispielsweise die geeignete Menge an NH3 unter den geeigneten Bedingungen an die SCR-Vorrichtung geliefert wird, reagiert das NH3 mit dem NOx in Gegenwart des SCR-Katalysators, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Wenn jedoch die Reduktionsreaktionsrate zu langsam ist oder wenn überschüssiges Ammoniak im Abgas vorhanden ist, kann Ammoniak aus dem SCR entweichen. Wenn andererseits zu wenig Ammoniak im Abgas vorhanden ist, wird die SCR-NOx-Umwandlungseffizienz verringert.
KURZDARSTELLUNG
Eine oder mehrere Ausführungsformen beschreiben ein Emissionssteuerungssystem für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor. Das Emissionskontrollsystem beinhaltet eine Oxidationsvorrichtung, ein O2-Diagnosemodul zum Diagnostizieren der Oxidationsvorrichtung und eine Steuerung zum Steuern des O2-Diagnosemoduls. Die Steuerung steuert beispielsweise das O2-Diagnosemodul durch das Erkennen eines hohen Kohlenwasserstoffanteils im Betrieb des Verbrennungsmotors. Weiterhin misst die Steuerung reagierend eine Vorlauftemperatur der Oxidationsvorrichtung. Darüber hinaus verzögert die Steuerung als Reaktion auf das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts das O2-Diagnosemodul um eine zeitliche Verzögerung der Signalrationalität.
Die Verzögerung des O2-Diagnosemoduls beinhaltet das Ausschalten des O2-Diagnosemoduls um die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität. In einem oder mehreren Beispielen ist die Verzögerungszeit der Signalrationalität eine vorgegebene Zeitspanne. In einem oder mehreren Beispielen wird die Verzögerungszeit der Signalrationalität basierend auf einem Zustand der Oxidationsvorrichtung bestimmt. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Bestimmen der zeitlichen Verzögerung der Signalrationalität den Zugriff auf eine Nachschlagetabelle, die der Leistung einer Oxidationsvorrichtung entspricht.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Erfassen des Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt das Erfassen einer Betankungsrate des Verbrennungsmotors, die unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. Darüber hinaus beinhaltet das Erfassen des Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt auch das Erfassen dessen, dass die Vorlauftemperatur unter einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert liegt.
Weiterhin werden eine oder mehrere Ausführungsformen für ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor beschrieben, das eine selektive katalytische Reduktion (SCR) von Abgas durchführt. Das Abgassystem beinhaltet ein O₂ Diagnosemodul zum Diagnostizieren der Oxidationsleistung des Abgassystems. Das Abgassystem beinhaltet weiterhin eine Steuerung zum Regeln des Abgassystems durch Erfassen eines hohen Kohlenwasserstoffbereichs im Betrieb des Verbrennungsmotors. Darüber hinaus misst die Steuerung als Reaktion auf das Erfassen des hohen Kohlenwasserstoffanteils eine Vorlauftemperatur einer Oxidationsvorrichtung des Abgassystems. Als Reaktion auf das Überschreiten eines vorbestimmten Schwellenwerts verzögert die Steuerung das Diagnosemodul für eine zeitliche Verzögerung der Signalrationalität.
Die Verzögerung des O₂ Diagnosemoduls beinhaltet das Ausschalten des O₂ Diagnosemoduls um die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität. In einem oder mehreren Beispielen ist die Verzögerungszeit der Signalrationalität eine vorgegebene Zeitspanne. In einem oder mehreren Beispielen wird die Verzögerungszeit der Signalrationalität basierend auf einem Zustand der Oxidationsvorrichtung bestimmt. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Bestimmen der Signalrationalitätsverzögerungszeit den Zugriff auf eine Nachschlagetabelle, die der Leistung einer Oxidationsvorrichtung entspricht.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Erfassen des Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt das Erfassen einer Betankungsrate des Verbrennungsmotors, die unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Darüber hinaus beinhaltet das Erfassen des Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt auch das Erfassen dessen, dass die Vorlauftemperatur unter einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert liegt.
In einem oder mehreren Beispielen wird der hohe Kohlenwasserstoffbereich durch einen Leerlauf des Verbrennungsmotors, große Höhen und dergleichen verursacht.
Weiterhin beschreiben eine oder mehrere Ausführungsformen ein computerimplementiertes Verfahren zum Steuern eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, welches das Erfassen eines hohen Kohlenwasserstoffanteils im Betrieb des Verbrennungsmotors beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet weiterhin eine reaktionsschnelle Messung der Vorlauftemperatur einer Oxidationsvorrichtung des Abgassystems. Darüber hinaus beinhaltet das Verfahren als Reaktion auf die Vorlauftemperatur eine Verzögerung der O2-Diagnose des Abgassystems für eine zeitliche Verzögerung der Signalrationalität.
Die Verzögerung des O₂ Diagnosemoduls beinhaltet das Ausschalten des O₂ Diagnosemoduls um die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität. In einem oder mehreren Beispielen ist die Verzögerungszeit der Signalrationalität eine vorgegebene Zeitspanne. In einem oder mehreren Beispielen wird die Verzögerungszeit der Signalrationalität basierend auf einem Zustand der Oxidationsvorrichtung bestimmt. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Bestimmen der Signalrationalitätsverzögerungszeit den Zugriff auf eine Nachschlagetabelle, die der Leistung einer Oxidationsvorrichtung entspricht.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Erfassen des Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt das Erfassen einer Betankungsrate des Verbrennungsmotors, die unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Darüber hinaus beinhaltet das Erfassen des Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt auch das Erfassen dessen, dass die Vorlauftemperatur unter einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert liegt.
In einem oder mehreren Beispielen wird der hohe Kohlenwasserstoffbereich durch einen Leerlauf des Verbrennungsmotors, große Höhen und dergleichen verursacht.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne weiteres hervor.
Figurenliste
Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur exemplarisch in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, wobei gilt:

1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und ein Emissionssteuerungssystem nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 veranschaulicht exemplarische Komponenten eines Emissionssteuerungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3 veranschaulicht einen exemplarischen Gasdurchfluss durch eine SCR-Vorrichtung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
4 zeigt einen exemplarischen Überlaufzustand und ein daraus resultierendes O_.2 Diagnosefehlersignal gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
5 zeigt ein Blockdiagramm eines exemplarischen Steuermoduls gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen; und
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zur Verzögerung eines O₂ Sensors gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung in ihren An- oder Verwendungen zu beschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine Verarbeitungsschaltung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten, beinhalten kann.
Ein Motorfahrzeug gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist allgemein als 10 in 1 angegeben. Motorfahrzeug 10 ist in Form eines Kleinlastwagens dargestellt. Es ist selbstverständlich, dass das Kraftfahrzeug 10 verschiedene Formen annehmen kann, einschließlich Automobilen, kommerziellen Transportmitteln, Schiffen usw. Das Kraftfahrzeug 10 beinhaltet eine Karosserie 12 mit einem Fahrgastraum 14, einem Fahrgastraum 15 und einer Ladefläche 17. Motorraum 14 umfasst eine Brennkraftmaschinenanlage 24, welches, in der exemplarischen dargestellten Ausführungsform einen Dieselmotor 26 beinhalten kann. Die Brennkraftmaschinenanlage 24 beinhaltet ein Abgassystem 30, welches fluidisch mit einem Nachbehandlungs- oder Emissionssteuersystem 34 verbunden ist. Das vom Verbrennungsmotor (ICE)-System 24 erzeugte Abgas strömt durch das Emissionssteuerungssystem 34, um Emissionen zu reduzieren, die durch ein Abgasauslassrohr 36 in die Umgebung austreten können.
Es ist anzumerken, dass die hierin beschriebenen technischen Lösungen für ICE-Systeme relevant sind, die Dieselmotorsysteme und Benzinmotorsysteme beinhalten können, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein ICE-System 24 kann eine Vielzahl von an einer Kurbelwelle angebrachten Hubkolben beinhalten, die betriebsmäßig an einem Antriebssystem angebracht sein können, wie einem Fahrzeugantriebssystem, um ein Fahrzeug anzutreiben (z. B. um Traktionsdrehmoment an das Antriebssystem abzugeben). So kann beispielsweise das ICE-System 24 eine beliebige Motorkonfiguration oder Anwendung sein, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. Automobil, Marine und dergleichen) sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Während die Verbrennungsmotoren in einem fahrzeugbezogenen Kontext (z. B. Drehmoment erzeugend) beschrieben werden können, befinden sich andere nicht fahrzeugbezogene Anwendungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung. Wenn daher auf ein Fahrzeug Bezug genommen wird, sollte diese Offenbarung dahingehend ausgelegt werden, dass sie für jede Anwendung eines ICE-Systems gilt.
Darüber hinaus kann der ICE im Allgemeinen jede Vorrichtung darstellen, die in der Lage ist, einen Abgasstrom zu erzeugen, der gasförmige (z. B. NO_x, O₂) kohlenstoffhaltige und/oder partikelförmige Substanzen umfasst, und die Offenbarung hierin sollte dementsprechend als auf alle diese Vorrichtungen anwendbar angesehen werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Abgas“ auf jede beliebige chemische Spezies oder jedes Gemisch aus chemischen Spezies, das eine Behandlung erfordert, und gasförmige, flüssige und feste Spezies beinhaltet. So kann beispielsweise ein Abgasstrom eine Mischung aus einer oder mehreren NO_x-Spezies, einer oder mehreren flüssigen Kohlenwasserstoff-Spezies und einer oder mehreren Feststoff-Partikel-Spezies (z. B. Asche) enthalten. Es sollte weiter verstanden werden, dass die hier offenbarten Ausführungsformen auf die Behandlung von Abwasserströmen anwendbar sind, die keine kohlenstoffhaltigen und/oder partikelförmigen Spezies beinhalten, und in solchen Fällen kann ICE 26 auch allgemein irgendeine Vorrichtung darstellen, die einen Abgasstrom mit solchen Spezies erzeugen kann. Abgaspartikelmaterial beinhaltet im Allgemeinen kohlenstoffhaltigen Ruß und andere feste und/oder flüssige kohlenstoffhaltige Spezies, die für ICE-Abgas relevant sind oder in einem Emissionssteuerungssystem 34 gebildet werden.
2 veranschaulicht exemplarische Komponenten des Emissionssteuerungssystems 34 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Es sollte angemerkt werden, dass, während das Verbrennungsmotorsystem 24 in dem obigen Beispiel einen Dieselmotor 26 aufweist, das hier beschriebene Emissionssteuerungssystem 34 in verschiedenen Motorsystemen implementiert werden kann. Die Emission Steuersystem 34 erleichtert die Steuerung und Überwachung von NO_x Speicherung und/oder Behandlung von Materialien, um Abgase, die durch den Verbrennungsmotor 24 erzeugt wurden, zu steuern. So stellen beispielsweise die technischen Lösungen hier Verfahren zum Steuern von selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtungen (SCR-Vorrichtungen) und zugehöriger NO_x-Sensoren bereit, wobei die SCR-Vorrichtungen so konfiguriert sind, dass sie Abgasströme von einer Abgasquelle empfangen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NO_x“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NO_x-Substanzen können N_yO_x-Substanzen beinhalten, worin y>0 und x>0. Nichteinschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO₂, N₂O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄, und N₂O₅ beinhalten. SCR-Vorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie Reduktionsmittel aufnehmen, beispielsweise mit variablen Dosierraten, wie nachstehend beschrieben wird.
Eine Abgasleitung 214, die mehrere Segmente umfassen kann, transportiert Abgas 216 vom Motor 26 zu den verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Emissionssteuerungssystems 34. So beinhaltet beispielsweise das Emissionssteuerungssystem 34, wie dargestellt, eine SCR-Vorrichtung 220. In einem oder mehreren Beispielen kann die SCR-Vorrichtung 220 eine selektive katalytische Filtervorrichtung (SCRF-Vorrichtung) beinhalten, die zusätzlich zu Partikelfilterfähigkeiten die katalytischen Aspekte von SCRs bereitstellt. Alternativ oder zusätzlich kann die SCR-Vorrichtung 220 auch auf ein Durchflusssubstrat beschichtet sein. Es versteht sich, dass das System 34 verschiedene zusätzliche Behandlungsvorrichtungen beinhalten kann, einschließlich unter anderem Oxidationskatalysatorvorrichtungen (OC-Vorrichtungen) 218 und Partikelfiltervorrichtungen (nicht gezeigt).
Wie zu erkennen ist, kann die OC-Vorrichtung 218 aus verschiedenen Durchfluss-Oxidationskatalysatorvorrichtungen bestehen, die in der Technik bekannt sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann die OC-Vorrichtung 218 ein durchströmbares Metall- oder Keramikmonolithsubstrat 224 beinhalten. Das Substrat 224 kann in einem Edelstahlkanister oder -gehäuse verpackt sein, der oder das über einen Einlass und einen Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 verfügt. Das Substrat 224 kann eine darauf angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung beinhalten. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete Metalloxidkatalysatoren und Kombinationen davon, enthalten. Die OC-Vorrichtung 218 ist für die Behandlung von unverbranntem gasförmigem und nicht-flüchtigem HC und CO nützlich, welche oxidieren, um Kohlendioxid und Wasser auszubilden. Eine Washcoat-Schicht beinhaltet eine in der Zusammensetzung unterschiedliche Materialschicht, die auf der Oberfläche des monolithischen Substrats oder einer darunter liegenden Washcoat-Schicht angeordnet ist. Ein Katalysator kann eine oder mehrere Washcoat-Schichten enthalten, und jede Washcoat-Schicht kann einzigartige chemische katalytische Funktionen aufweisen. In der SCR-Vorrichtung 220 können sich die Katalysatorzusammensetzungen für die SCR-Funktion und die NH₃-Oxidationsfunktion in diskreten Washcoat-Schichten auf dem Substrat befinden, oder alternativ können die Zusammensetzungen für die SCR- und NH₃-Oxidationsfunktionen in diskreten longitudinalen Zonen auf dem Substrat verbleiben.
Die Oxidationsvorrichtung 218 enthält beispielsweise Palladium, Platin und/oder Aluminiumoxid, die alle als Katalysatoren dienen können, um die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren. So kann beispielsweise ein chemisches Modell der Oxidationsvorrichtung 218 wie folgt dargestellt werden. 2CO + O₂ → 2CO₂ (1) C_xH_2x+2 + [(3x+1)/2] O₂ → x CO₂ + (x+1) H₂O (2)
Typischerweise schätzt das Steuermodul 238 ein HC-Speicherniveau der Oxidationsvorrichtung 218 basierend auf dem chemischen Modell. Darüber hinaus verwendet das Steuermodul 238 die Messwerte eines O₂ Sensors am Eingang der Oxidationsvorrichtung 218. In einem oder mehreren Beispielen vergleicht das Steuermodul 238 (oder ein O₂ Diagnosemodul) die Messwerte eines O₂ Sensor am Ausgang der Oxidationsvorrichtung 218 mit den vorhergesagten O₂ Werte basierend auf dem chemischen Modell. Wenn die Werte nicht übereinstimmen, löst das Steuermodul 238 (oder das Diagnosemodul) ein Fehlersignal aus, das auf einen Ausfall des Ausgangssensors O₂ und/oder der Oxidationsvorrichtung 218 hinweist.
Die SCR-Vorrichtung 220 kann stromabwärts der OC-Vorrichtung 218 angeordnet sein. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet die SCR-Vorrichtung 220 einen Filterabschnitt 222, der ein Wandflussfilter sein kann, der konfiguriert ist, um Kohlenstoff und andere Partikel aus dem Abgas 216 zu entfernen. In mindestens einer exemplarischen Ausführungsform ist der Filterabschnitt 222 als ein Partikelfilter (PF) ausgebildet, wie beispielsweise ein Dieselpartikelfilter (DPF). Der Filterabschnitt (d. h. der PF) kann beispielsweise unter Verwendung eines keramischen Wandstrom-Monolith-Abgasfilter-Substrats konstruiert werden, das in einer starren, hitzebeständigen Schale oder einem Behälter verpackt ist. Der Filterabschnitt 222 weist einen Einlass und einen Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 auf und kann Partikelmaterial einfangen, wenn das Abgas 216 dort hindurch strömt. Es versteht sich, dass ein keramisches Wandströmungs-Monolith-Filtersubstrat lediglich exemplarischer Natur ist und dass der Filterabschnitt 222 andere Filtervorrichtungen wie etwa gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern usw. enthalten kann. Das Emissionssteuerungssystem 34 kann auch einen Regenerationsprozess durchführen, der den Filterabschnitt 222 durch Abbrennen der in dem Filtersubstrat eingefangenen Partikel in einem oder mehreren Beispielen regeneriert.
In einem oder mehreren Beispielen empfängt die SCR-Vorrichtung 220 Reduktionsmittel, beispielsweise mit variablen Dosierraten. Reduktionsmittel 246 kann aus einer Reduktionsquelle zugeführt werden (nicht dargestellt). In einem oder mehreren Beispielen wird das Reduktionsmittel 246 an einer Stelle vor der SCR-Vorrichtung 220 mit einer Einspritzdüse 236 oder einem anderen geeigneten Abgabeverfahren in die Abgasleitung 214 eingespritzt. Das Reduktionsmittel 246 kann in Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung, wie einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen. In einem oder mehreren Beispielen kann das Reduktionsmittel 246 mit Luft in der Einspritzdüse 236 gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprühnebels zu unterstützen. Der katalysatorhaltige Washcoat, der auf dem Filterabschnitt 222 oder einem Durchflusskatalysator oder einem Wandstromfilter angeordnet ist, kann NOx-Bestandteile in dem Abgas 216 reduzieren. Die SCR-Vorrichtung 220 kann das Reduktionsmittel 246 verwenden, beispielsweise Ammoniak (NH₃), um das NOx zu reduzieren. Der katalysatorhaltige Washcoat kann einen Zeolith und eine oder mehrere Grundmetallkomponenten wie Eisen (Fe), Cobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V) enthalten, die effizient arbeiten können, um NOx-Bestandteile des Abgases 216 in Gegenwart von NH₃ umzuwandeln. In einem oder mehreren Beispielen kann ein Turbulator (d. h. ein Mischer) (nicht gezeigt) auch in der Abgasleitung 214 in unmittelbarer Nähe zur Einspritzdüse 236 und/oder der SCR-Vorrichtung 220 angeordnet sein, um weiter ein gründliches Mischen des Reduktionsmittels 246 mit dem Abgas 216 und/oder die gleichmäßige Verteilung in der gesamten SCR-Vorrichtung 220 zu unterstützen.
Das Emissionssteuerungssystem 34 beinhaltet ferner ein Reduktionsmittelzufuhrsystem 232, das ein Reduktionsmittel 246 in das Abgas 216 einführt. Das Reduktionsmittelzufuhrsystem 232 beinhaltet eine Zufuhr des Reduktionsmittels 246, eine Einspritzdüse 236 und einen Dosierregler 234. Die Reduktionsmittelversorgung speichert das Reduktionsmittel 246 und steht in Fluidverbindung mit der Einspritzdüse 236 und dem Dosierregler 234. Das Reduktionsmittel 246 kann beinhalten, ist aber nicht eingeschränkt auf NH₃. Dementsprechend kann die Einspritzdüse 236 eine wählbare Menge an Reduktionsmittel 246 in die Abgasleitung 214 einspritzen, sodass das Reduktionsmittel 246 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 220 in das Abgas 216 eingeleitet wird.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet das Schadstoffbegrenzungssystem 34 ferner ein Steuermodul 238, das betriebsmäßig über eine Anzahl an Sensoren verbunden ist, um den Motor 26 und/oder das Abgasbehandlungssystem 34 zu überwachen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppenprozessor) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten. So kann beispielsweise das Modul 238 ein chemisches SCR-Modell wie nachstehend beschrieben ausführen. Das Steuermodul 238 kann betriebsmäßig mit dem ICE-System 24, der SCR-Vorrichtung 220 und/oder einem oder mehreren Sensoren verbunden sein. Wie dargestellt, können die Sensoren einen stromaufwärtigen NO_x -Sensor 242 und einen stromabwärtigen NO_x -Sensor 242' beinhalten, der stromabwärts der SCR Vorrichtung 220, von denen jeder in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 ist. In einem oder mehreren Beispielen, ist der stromaufwärtige NO_x -Sensor 242 stromabwärts des ICE 26 und stromaufwärts der beiden SCR-Vorrichtungen 220 und der Einspritzdüse 236 angeordnet. Der stromaufwärtige NO_x-Sensor 242 und der stromabwärtige NO_x-Sensor 242' erfassen ein NO_x-Niveau benachbart zu ihrer Position in der Abgasleitung 214 und erzeugen NO_x -Signale, die dem NO_x -Niveau entsprechen. Ein NO_x -Niveau kann in einigen Ausführungsformen eine Konzentration, einen Massendurchsatz, oder eine volumetrische Durchflussmenge umfassen. Ein von einem NONO_x -Sensor erzeugtes _x -Signal kann beispielsweise vom Steuermodul 238 interpretiert werden. Das Steuermodul 238 kann optional in Verbindung mit einem oder mehreren Temperatursensoren, wie beispielsweise dem stromaufwärtigen Temperatursensor 244, stromaufwärts von der SCR-Vorrichtung 220 angeordnet sein. Zusätzlich überwachen ein Paar O₂-Sensoren, ein stromaufwärtiger O₂-Sensor 248 und ein stromabwärtiger O₂-Sensor 248' die O₂ Niveaus in den Abgasen 216, die in die und aus der Oxidationsvorrichtung 218 strömen. Das O₂ Messwerte von den O₂ Sensoren 248 und 248' werden an das Steuermodul 238 übermittelt, das seinerseits die Messwerte verwendet, um sicherzustellen, dass die Oxidationsvorrichtung 218 in Übereinstimmung mit einer oder mehreren regulatorischen Anforderungen und wie von einem Chemie-/Leistungsmodell der Oxidationsvorrichtung 218 vorhergesagt, läuft.
Die Sensoren des Emissionskontrollsystem 34 können ferner mindestens einen Drucksensor 230 (z. B. einen Deltadrucksensor) beinhalten. Der Deltadrucksensor 230 kann die Druckdifferenz (d. h. Δp) über die SCR-Vorrichtung 220 ermitteln. Obwohl ein einzelner Deltadrucksensor 230 veranschaulicht ist, versteht es sich, dass eine Vielzahl an Drucksensoren verwendet werden können, um die Druckdifferenz der SCR-Vorrichtung 220 zu ermitteln. So kann beispielsweise ein erster Drucksensor am Einlass der SCR-Vorrichtung 220 angeordnet sein, und ein zweiter Drucksensor kann am Auslass des SCR 220 angeordnet sein. Dementsprechend kann die Differenz zwischen dem durch den zweiten Deltadrucksensor erfassten Druck und dem durch den ersten Deltadrucksensor erfassten Druck die Druckdifferenz über den SCR 220 anzeigen. Es sollte beachtet werden, dass in anderen Beispielen die Sensoren andere, zusätzliche oder weniger Sensoren als die hier dargestellten/beschriebenen beinhalten können.
In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet die SCR-Vorrichtung 220 eine oder mehrere Komponenten, die das Reduktionsmittel 246 und einen Katalysator verwenden, um NO und NO₂aus den Abgasen 216 zu transformieren. Die SCR-Vorrichtung 220 kann beispielsweise ein Durchfluss-Keramik- oder Metall-Monolith-Substrat beinhalten, das in einem Mantel oder einem Behälter mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 214 und optional anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen verpackt werden kann. Der Mantel oder Behälter kann idealerweise einen gegenüber den Abgasbestandteilen, wie z. B. Edelstahl, weitgehend inerten Werkstoff beinhalten. Das Substrat kann eine SCR-Katalysatorverbindung beinhalten, die darauf aufgebracht wird.
Der Substratkörper kann beispielsweise ein keramischer Ziegelstein, eine Plattenstruktur oder jede andere geeignete Struktur sein, wie eine monolithische Wabenstruktur, die mehrere hundert bis mehrere tausend parallele Durchflusszellen pro Quadratzoll enthält, obwohl andere Konfigurationen geeignet sind. Jede der Durchflusszellen kann durch eine Wandoberfläche definiert werden, auf der die SCR-Katalysatorzusammensetzung per Washcoat-Verfahren aufgetragen werden kann. Der Substratkörper kann aus einem Material ausgebildet sein, das den Temperaturen und der chemischen Umgebung, die mit dem Abgas 216 verbunden ist, standhalten kann. Einige spezifische Beispiele für Materialien, die verwendet werden können, beinhalten Keramik, wie extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit, Petalit, oder ein hitze- und korrosionsbeständiges Metall, wie Titan oder Edelstahl. Das Substrat kann beispielsweise ein nichtsulfatierendes TiO₂-Material beinhalten. Der Substratkörper kann eine PF-Vorrichtung sein, wie nachfolgend erläutert.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung ist im Allgemeinen ein poröses Material mit großer Oberfläche, das effizient arbeiten kann, um NO_x-Bestandteile im Abgas 216 bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels 246, wie Ammoniak, umzuwandeln. So kann beispielsweise die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith und eine oder mehrere Basismetallkomponenten, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (W) und Kombinationen davon, enthalten. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith enthalten, der mit einem oder mehreren von Kupfer, Eisen oder Vanadium imprägniert ist. In einigen Ausführungsformen kann der Zeolith ein β-Zeolith, ein Y-Zeolith, ein ZM5-Zeolith oder eine beliebige andere kristalline Zeolithstruktur, wie ein Chabazit oder ein USY (ultrastabiler Y-Typ)-Zeolith, sein. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ. Geeignete SCR-Katalysatorzusammensetzungen können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit Partikelfilter (PF)-Vorrichtungen verwendet werden oder wenn sie in die nachstehend beschriebenen SCRF-Vorrichtungen integriert werden, die mithilfe von Hochtemperatur-Rußverbrennungsverfahren regeneriert werden.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren beinhalten, um die SO₃-Bildung weiter zu verringern und die Standzeit des Katalysators zu verlängern. Die einen oder mehreren basischen Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ beinhalten. In einer Ausführungsform kann WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ in Kombination mit V₂O₅ verwendet werden.
Der SCR-Katalysator verwendet im Allgemeinen das Reduktionsmittel 246, um NO_x-Spezies (z. B. NO und NO₂) in unschädliche Bestandteile zu reduzieren. Harmlose Bestandteile beinhalten beispielsweise eine oder mehrere Spezies, die keine NO_x Spezies, zweiatomigen Stickstoff, stickstoffhaltige inerte Spezies oder Spezies, die als annehmbare Emissionen angesehen werden, sind. Das Reduktionsmittel 246 kann Ammoniak (NH₃) sein, wie z. B. wasserfreies Ammoniak oder wässriges Ammoniak, oder aus einer Stickstoff- und wasserstoffreichen Substanz wie Harnstoff (CO(NH₂)₂) erzeugt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Reduktionsmittel 246 jede Zusammensetzung haben, die in der Lage ist, sich bei Vorhandensein von Abgas 216 und/oder Wärme zu zersetzen oder zu reagieren, um Ammoniak auszubilden. Die Gleichungen (3) - (7) liefern exemplarische chemische Reaktionen für NO_x-Reduktion mit Ammoniak. 6NO+4NH₃→5N₂+6H₂O (3) 4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O (4) 6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O (5) 2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O (6) NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O (7) Es versteht sich, dass die Gleichungen (3) - (7) lediglich veranschaulichend sind und nicht dazu gedacht sind, die SCR-Vorrichtung 220 auf einen bestimmten NOx-Reduktionsmechanismus oder -mechanismen zu begrenzen, noch den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Die SCR-Vorrichtung 220 kann so konfiguriert sein, dass sie eine der oben genannten NOx-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der vorstehenden NOx-Reduktionsreaktionen und andere NOx-Reduktionsreaktionen ausführt.
Das Reduktionsmittel 246 kann in verschiedenen Implementierungen mit Wasser verdünnt werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 246 mit Wasser verdünnt wird, verdampft die Wärme (z. B. aus dem Abgas) das Wasser und Ammoniak wird der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt. Nicht-Ammoniak-Reduktionsmittel können, wie gewünscht, als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 245 Harnstoff enthält, reagiert der Harnstoff mit dem Abgas, um Ammoniak zu erzeugen, und Ammoniak wird der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt. Die nachfolgende Reaktion (6) stellt eine exemplarische chemische Reaktion der Ammoniakproduktion durch Harnstoffzersetzung bereit. CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂ (8) Es versteht sich, dass die Gleichung (6) lediglich veranschaulichend, und nicht dazu gedacht ist, die Zersetzung von Harnstoff oder eines anderen Reduktionsmittels 246 auf einen bestimmten einzigen Mechanismus zu beschränken und den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen.
Der SCR-Katalysator kann das Reduktionsmittel zum Zusammenwirken mit dem Abgas 216 speichern (d. h. absorbieren und/oder adsorbieren). Das Reduktionsmittel 246 kann beispielsweise innerhalb der SCR-Vorrichtung 220 oder des Katalysators als Ammoniak gespeichert werden. Eine gegebene SCR-Vorrichtung 220 weist eine Reduktionsmittelkapazität oder eine Menge an Reduktionsmittel oder einem Reduktionsmittel-Derivat auf, das gespeichert werden kann. Die Menge eines innerhalb einer SCR-Vorrichtung 220 gespeicherten Reduktionsmittels im Verhältnis zur Kapazität der SCR-Vorrichtung kann als die „Reduktionsmittelbelastung“ der SCR-Vorrichtung bezeichnet werden und kann in einigen Instanzen als eine %-Belastung (z. B. 90% Reduktionsmittelbelastung) angegeben werden. Während des Betriebs der SCR-Vorrichtung 220 wird eingespritztes Reduktionsmittel 246 in dem SCR-Katalysator gespeichert und während Reduktionsreaktionen mit NOx-Spezies verbraucht und muss kontinuierlich ergänzt werden. Das Ermitteln der genauen einzuspritzenden Menge an Reduktionsmittel 246 ist entscheidend, um Abgasemissionen auf einem akzeptablen Niveau zu halten: unzureichende Reduktionsmittelpegel innerhalb des Systems 34 (z. B. innerhalb der SCR-Vorrichtung 220) können unerwünschte NOx-Spezies-Emissionen („NOx-Durchbruch“) zur Folge haben B. über ein Fahrzeugendrohr, während eine übermäßige Reduktionsmitteleinspritzung 246 dazu führen kann, dass unerwünschte Mengen an Reduktionsmittel 246 durch die SCR-Vorrichtung 220 unreagiert oder als unerwünschtes Reaktionsprodukt aus der SCR-Vorrichtung 220 austreten („Reduktionsmittelschlupf“). Reduktionsmittelschlupf und NOx-Durchbruch können auch auftreten, wenn die Temperatur des SCR-Katalysators unterhalb einer „Anspringtemperatur“ liegt. Die SCR-Dosierlogik kann verwendet werden, um die Dosierung des Reduktionsmittels 246 anzuweisen, und Anpassungen davon, und kann beispielsweise durch das Modul 238 implementiert werden.
Eine Reduktionsmitteleinspritzdosierrate (z. B. Gramm pro Sekunde) kann durch ein chemisches SCR-Modell ermittelt werden, das die in der SCR-Vorrichtung 220 gespeicherte Menge an Reduktionsmittel 246 basierend auf Signalen von einer oder mehreren Einspritzungen des Reduktionsmittels 246 (z. B. Rückkopplung von Einspritzventil 236) und stromaufwärtigem NOx (z. B. NOx-Signal von dem stromaufwärtigen NOx-Sensor 242) vorhersagt. Das chemische SCR-Modell sagt ferner NOx-Niveaus von Abgas 216 voraus, die von der SCR-Vorrichtung 220 abgegeben werden. Das chemische SCR-Modell kann durch das Steuermodul 238 implementiert werden. Das chemische SCR-Modell kann beispielsweise um einen oder mehrere Prozesswerte über die Zeit aktualisierbar sein. Der Dosierregler 234, der in einem oder mehreren Beispielen durch das Modul 238 gesteuert wird, überwacht den durch das Das chemische SCR-Modell vorhergesagten Reduktionsmittelspeicherpegel und vergleicht diesen mit einem gewünschten Reduktionsmittelspeicherpegel. Abweichungen zwischen dem vorhergesagten Reduktionsmittel-Speicherlevel und dem gewünschten Reduktionsmittel-Speicherlevel können kontinuierlich überwacht werden und eine Dosieranpassung kann ausgelöst werden, um die Reduktionsmitteldosierung zu erhöhen oder zu verringern, um die Abweichung zu eliminieren oder zu reduzieren. So kann beispielsweise die Reduktionsmitteldosierrate angepasst werden, um eine gewünschte NO_x-Konzentration oder Durchflussrate im Abgas 216 stromabwärts von der SCR-Vorrichtung 220 oder eine gewünschte NO_x-Umwandlungsrate zu erreichen. Eine gewünschte Umwandlungsrate kann durch viele Faktoren ermittelt werden, wie beispielsweise die Eigenschaften des SCR-Katalysatortyps und/oder die Betriebsbedingungen des Systems (z. B. ICE 26-Betriebsparameter).
In einem oder mehreren Beispielen setzt der Dosierregler 234 die Dosierstrategie für das Reduktionsmittel (z. B. Harnstoff) um und wird zum Erreichen der maximalen NOx-Umwandlung (Reduzierung des NOx-Durchbruchs) ohne übermäßigen NH3-Schlupf aus der SCR-Vorrichtung 220 verwendet. Bei einer derartigen speicherbasierten Dosiersteuerung ermittelt der Dosierregler 234 eine korrigierende Dosiermenge zum Erreichen des NH₃ Speichersollwerts, basierend auf der Abweichung des NH₃ Speichersollwerts auf den geschätzten NH₃ Speicherung auf der SCR-Vorrichtung 220.
Mit der Zeit können Ungenauigkeiten des SCR-Chemikalienmodells zu anerkennenden Fehlern zwischen der modellierten SCR-Reduktionsmittelbeladung und der tatsächlichen Beladung führen. Dementsprechend kann das chemische SCR-Modell kontinuierlich korrigiert werden, um Fehler zu minimieren oder zu eliminieren. Ein Verfahren zum Korrigieren eines SCR-Chemikalienmodells beinhaltet das Vergleichen der modellierten SCR-Abgabegas-NOx-Niveaus mit den tatsächlichen NOx-Niveaus (z. B. gemessen durch den stromabwärtigen NOx-Sensor 242'), um eine Diskrepanz zu ermitteln und anschließend das Modell zu korrigieren, um die Diskrepanz zu eliminieren oder zu reduzieren. Da NOx-Sensoren (z. B. stromabwärtiger NOx-Sensor 242') für Reduktionsmittel (z. B. NH₃ und NOx) querempfindlich sind, ist es wichtig, zwischen Reduktionsmittelsignalen und NOx-Signalen zu unterscheiden, da Reduktionsmittelschlupf mit unzureichender NOx-Umwandlung verwechselt werden kann.
In einem oder mehreren Beispielen ist eine passive Analysetechnik, die zum Unterscheiden zwischen Reduktionsmittelsignalen und NOx-Signalen verwendet wird, ein Korrelationsverfahren, welches das Vergleichen der stromaufwärtigen NOx-Konzentration (z. B. durch stromaufwärtigen NOx-Sensor 242 gemessene Bewegung) mit der stromabwärtigen NOx-Konzentration (z. B. durch den stromabwärtigen NOx-Sensor 242' gemessen), wobei divergierende Konzentrationsrichtungen einen Anstieg oder Abfall des Reduktionsmittelschlupfs anzeigen können. Wenn beispielsweise die stromaufwärtige NOx-Konzentration abnimmt und die stromabwärtige NOx-Konzentration zunimmt, kann der Reduktionsmittelschlupf als ansteigend identifiziert werden. In ähnlicher Weise kann, wenn die stromaufwärtige NOx-Konzentration zunimmt und die stromabwärtige NOx-Konzentration abnimmt, der Reduktionsmittelschlupf als abnehmend identifiziert werden. Alternativ oder zusätzlich ist eine zweite passive Analysetechnik, die zur Unterscheidung zwischen Reduktionsmittelsignalen und NOx-Signalen verwendet wird, eine Frequenzanalyse. NOx-Signale, die von NOx-Sensoren erzeugt werden, können aufgrund der Variation der NOx- und Reduktionsmittelkonzentrationen während Übergangszuständen mehrere Frequenzkomponenten enthalten (z. B. Hochfrequenz und Niederfrequenz). Hochfrequenzsignale beziehen sich im Allgemeinen nur auf die NOx-Konzentration, während Signale mit niedriger Frequenz im Allgemeinen sowohl die NOx-Konzentration als auch die Reduktionsmittelkonzentration betreffen. Hochfrequenzsignale für das stromaufwärtige NOx und das stromabwärtige NOx werden isoliert und verwendet, um ein SCR-NOx-Umwandlungsverhältnis zu berechnen, welches dann an das isolierte stromaufwärtige Niedrigpass-NOx-Signal angelegt wird, um ein niederfrequentes stromabwärtiges NOx-Signal zu ermitteln. Das berechnete niederfrequente stromabwärtige NOx-Signal wird dann mit dem tatsächlichen isolierten niederfrequenten stromabwärtigen NOx-Signal verglichen, wobei eine Abweichung zwischen den zwei Werten einen Reduktionsmittelschlupf anzeigen kann.
Ein Nachteil von passiven Analysetechniken wie dem oben beschriebenen Korrelationsverfahren und Frequenzverfahren besteht darin, dass sie auf dem richtigen Betrieb von zwei NOx-Sensoren beruhen. So kann beispielsweise ein fehlerhafter stromaufwärtiger NOx-Sensor (z. B. stromaufwärtiger NOx-Sensor 242) ein NOx-Signal erzeugen, das niedriger als das tatsächliche NOx-Niveau nahe dem stromaufwärtigen NOx-Sensor ist, was bewirkt, dass das chemische SCR-Modell eine höhere Reduktionsmittelspeicherung als die tatsächliche Speicherung vorhersagt. Dementsprechend würde der NOx-Durchbruch fälschlicherweise als Reduktionsmittelschlupf identifiziert werden, und die Dosierung des Reduktionsmittels würde so gesteuert werden, dass der NOx-Durchbruch sich verschlimmern würde (d. h. die Reduktionsmitteldosierung würde verringert). Ferner würde das SCR-Chemikalienmodell unter Verwendung der ungenauen stromaufwärtigen NOx-Messung aktualisiert werden, und der verschärfte NOx-Durchbruch würde bestehen bleiben. Zusätzlich oder alternativ kann in ähnlicher Weise ein NH₃-Schlupf fälschlicherweise als NO-Durchbruch interpretiert werden.
Ein weiterer Nachteil der passiven Korrelations- und Frequenzanalysetechniken besteht darin, dass sie nicht implementiert werden können, während sich der SCR im stationären Zustand befindet. „Steady State“ wird beispielsweise ermittelt, indem der Effektivwert eines NOx-Signals stromaufwärts von der SCR-Vorrichtung 220 (z. B. gemessen durch den stromaufwärtigen NOx-Sensor 242) über einen Bewegungszeitrahmen genommen wird; ein ausreichend kleiner Wert zeigt eine minimale Variation der stromaufwärtigen NOx-Konzentration an, und der SCR kann als stationär betrachtet werden. So kann beispielsweise ein stationärer Zustand einen quadratischen Mittelwert der stromaufwärtigen NOx-Konzentration von weniger als einem vorbestimmten Wert beinhalten, wie etwa 30 ppm, weniger als etwa 20 ppm oder weniger als etwa 10 ppm. SCR-Beharrungszustandsbedingungen können oft mit stationären Bedingungen des ICE 26 korrelieren (z. B. im Allgemeinen konsistente Drehzahl, Kraftstoffeinspritzung, Temperatur usw.). Intrusive Tests können verwendet werden, um zwischen Reduktionsmittelsignalen und NOx-Signalen zu unterscheiden, die das Anhalten aller oder der meisten Reduktionsmitteldosierungen für eine Zeitspanne beinhalten. Während Intrusionstests unter stationären Bedingungen durchgeführt werden können, können sie unter bestimmten Umständen unerwünschte Abgasemissionen während des Testzeitraums erzeugen, wie beispielsweise Emissionen mit einer erhöhten NOx-Konzentration.
3 veranschaulicht einen exemplarischen Abgasstroms durch die SCR-Vorrichtung 220 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Steuermodul 238 misst die Durchflussmenge (F) des Gasvolumens und die Konzentration C des Gases. So ermittelt beispielsweise die SCR-Vorrichtung 220 eine Eingangsdurchflussmenge von NOx 310 als FC_NOx,in, wobei F das Volumen des eintretenden Gases 216 ist und C_NOx,in die Einlasskonzentration von NOx in dem einströmenden Gas 216 ist. Desgleichen ist FC_NH3,in das Volumen der Durchflussmenge von NH₃ 315 im eintretenden Gas 216, wobei C_NH3,in die Einlasskonzentration von NH₃ ist. Ferner kann das Steuermodul 238 durch Kompensieren der Adsorptionsmenge 322 und der Desorptionsmenge 324 und der auf der Katalysatoroberfläche reagierten Mengen C_NH3 als SCR-Konzentration von NH₃ und C_NOx als SCR-Konzentration von NOx ermitteln.
Dementsprechend ist FC_NOx die NOx-Auslassvolumendurchflussmenge 320 von NO_x durch den Auslass der SCR-Vorrichtung 220. In einem oder mehreren Beispielen kann das Steuermodul 238 W_NOxFC_NOx als Massendurchflussmenge von NOx ermitteln, wobei W_NOx das Molekulargewicht von NOx ist. In ähnlicher Weise ist die Auslassvolumendurchflussmenge 325 für NH₃ FC_NH3, wobei die Massendurchflussmenge von NH₃ W_NH3FC_NH3 ist.
Wie zuvor beschrieben, steuert das Steuermodul 238 die Reduktionsmitteleinspritzmenge präzise über den Dosierregler 234; so wie die Ammoniakerzeugende wässrige Harnstofflösungseinspritzmenge. Eine unzureichende Einspritzung kann zu inakzeptabel niedrigen NOx-Umwandlungen führen. Eine Einspritzmenge, die zu hoch ist, führt zur Freisetzung von Ammoniak in die Atmosphäre. Diese Ammoniakemissionen von SCR-Systemen sind als Ammoniakschlupf bekannt.
Dementsprechend, unter erneuter Bezugnahme auf 2, steuert das Steuermodul 238 den Betrieb der Einspritzdüse 236 basierend auf dem chemischen Modell und dem gewünschten NH₃-Speichersollwert, um eine Menge an Reduktionsmittel 246 zu ermitteln, das wie hier beschrieben eingespritzt wird. Das Steuermodul 238 kann basierend auf der Überwachung des einen oder der mehreren Sensoren einen Korrekturkoeffizienten ermitteln, der dem Reduktionsmittelspeicher entspricht, und kann die durch die Einspritzdüse 236 bereitgestellte Menge an injiziertem Reduktionsmittel genauer steuern. So ermittelt beispielsweise das Steuermodul 238 einen Reduktionsmittelinjektor-Erregungszeit-Korrekturkoeffizienten, um eine Diskrepanz zwischen dem chemischen Modell und den tatsächlichen SCR-Auslass-NOx-Emissionen weiter zu reduzieren oder zu eliminieren. Alternativ oder zusätzlich ermittelt das Steuermodul 238 eine NH₃-Sollwertkorrektur, um eine Diskrepanz zwischen dem chemischen Modell und den tatsächlichen NOx-Emissionen des SCR-Auslasses zu verringern oder zu beseitigen. Dementsprechend kann die Zufuhr von Reduktionsmittel 246 effizienter genutzt werden. So kann beispielsweise das Reduktionsmittel, das in das Abgas 216 eingespritzt wird, NH₃ bilden, wenn es in das Abgas 216 eingespritzt wird. Dementsprechend steuert das Steuermodul 238 eine Menge an NH₃, die der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt wurde. Der SCR-Katalysator adsorbiert (d. h. speichert) NH₃. Die Menge des von der SCR-Vorrichtung 220 gespeicherten NH₃ kann nachfolgend als „NH₃-Speicherwert“ bezeichnet werden. Das Steuermodul 238 kann die Menge an NH₃ steuern, die der SCR-Vorrichtung 220 zugeführt wird, um den NH₃-Speicherpegel zu regeln. Das in der SCR-Vorrichtung 220 gespeicherte NH₃reagiert mit NOx durch Durchströmen des Abgases 216.
In einem oder mehreren Beispielen kann der Prozentsatz von NOx, der aus dem Abgas 216 entfernt wird, das in die SCR-Vorrichtung 220 eintritt, als eine Umwandlungseffizienz der SCR-Vorrichtung 220 bezeichnet werden. Das Steuermodul 238 kann den Umwandlungswirkungsgrad der SCR-Vorrichtung 220 basierend auf NOx_in- und NOx_out-Signalen ermitteln, die von dem ersten (stromaufwärtigen) NOx-Sensor 242 bzw. dem zweiten (stromabwärtigen) NOx-Sensor 242'erzeugt werden. So kann beispielsweise das Steuermodul 238 die Umwandlungseffizienz der SCR-Vorrichtung 220 basierend auf der folgenden Gleichung ermitteln: SCR-_eff = (NOx_in - NOx_aus)/NOx_in (9)
NH₃-Schlupf kann auch durch eine Erhöhung der Temperatur des SCR-Katalysators erreicht werden. So kann beispielsweise NH₃ vom SCR-Katalysator desorbieren, wenn die Temperatur zunimmt, wenn der NH₃ -Speicherpegel nahe an dem maximalen NH₃-Speicherpegel liegt. NH₃-Schlupf kann auch aufgrund eines Fehlers (z. B. Speicherlevelschätzungsfehler) oder einer fehlerhaften Komponente (z. B. fehlerhafte Einspritzdüse) im Emissionssteuerungssystem 34 auftreten.
Typischerweise schätzt das Steuermodul 238 einen NH₃-Speicherniveau der SCR-Katalysator-Vorrichtung 220 basierend auf dem chemischen Modell. In einem oder mehreren Beispielen ist der NH₃-Speicher-Sollwert („Sollwert“) kalibrierbar. Das Steuermodul 238 nutzt das chemische Modell zur Abschätzung des aktuellen NH₃-Niveaus in der SCR-Vorrichtung 220 und ein Speicher-Niveauregler 234 sendet Feedback an die Einspritzsteuerung, um die Einspritzmenge zur Bereitstellung von NH₃ für Reaktionen nach dem chemischen Modell und einen Soll-Speicher-Pegel zu ermitteln. Der Sollwert kann einen Sollwert „S“ anzeigen. Das Steuermodul 238 steuert die Reduktionsmittel-Einspritzdüse 236, um die Menge an Reduktionsmittel, die in das Abgas 216 eingespritzt wird, zu verwalten, um den Speicherpegel der SCR-Vorrichtung 220 auf den Sollwert einzustellen. So weist beispielsweise das Steuermodul 238 die Einspritzdüse 236 an, den Speicherpegel zu erhöhen oder zu verringern, um den Sollwert zu erreichen, wenn ein neuer Sollwert ermittelt wird. Zusätzlich weist das Steuermodul 238 den Reduktionsmittelinjektor 236 an, den Speicherpegel zu erhöhen oder zu verringern, um den Sollwert beizubehalten, wenn der Sollwert erreicht wurde.
In einem oder mehreren Beispielen wird im Überlaufzustand des ICE 26 der stromabwärtige NOx-Sensor 242' für die Leistung des stromabwärtigen Sensors O₂ diagnostiziert. Der Überlaufzustand repräsentiert beispielsweise eine Zeit, in der das Fahrzeug 10 ohne Drosselklappe oder ohne Kraftstoffzufuhr zu den Zylindern des ICE 26 fährt. Ein Überlaufzustand kann beispielsweise auftreten, wenn eine Bremse betätigt wird, um das Fahrzeug bis zum Stillstand zu verlangsamen (d. h. ein Auslaufereignis), oder wenn das Fahrzeug bergab fährt.
Während Betriebsbedingungen nahe dem Überlauf, bei denen die Betankung leichter ist (bergab, langer Leerlauf), steigt der Motor aus Kohlenwasserstoffen (HC) an (über einen vorgegebenen Schwellenwert) und das Abgassystem sinkt um 30 Grad, was dazu führen kann, dass der HC in der Oxidationsvorrichtung 218 gespeichert wird. Darüber hinaus, wenn der ICE 26 zu einer höheren Belastung zurückkehrt, steigt die Temperatur der Oxidationsvorrichtung 218 und der gespeicherte HC wird von der Oxidationsvorrichtung 218 oxidiert. Aufgrund dieser Oxidation des gespeicherten HC kann der stromabwärtige O₂-Messwert einen niedrigeren Wert als erwartet annehmen, was wiederum zu falschen Diagnosefehlermeldungen von einem oder mehreren Diagnosemodulen führt, welche die O₂-Messwerte der Sensoren überwachen. Die hierin beschriebenen technischen Lösungen begegnen derartigen technischen Herausforderungen. In einem oder mehreren Beispielen erleichtern die technischen Lösungen das Steuermodul 238, um die Diagnose des O₂ Lesefehlersignals zu verhindern, wenn das Signal aufgrund der Oxidation des gespeicherten HC erhöht wird.
4 zeigt einen exemplarischen Überlaufzustand und ein daraus resultierendes O₂ Diagnosefehlersignal gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Die stromaufwärtigen und stromabwärtigen O₂ Messwerte 410, bezogen auf die Oxidationseinrichtung 218, sind dargestellt. Die stromaufwärtigen und stromabwärtigen O₂ Messwerte 410 zeigen an, dass die stromaufwärtigen O₂ Messwerte 412 niedriger sind als die O₂ Messwerte 414. Weiterhin zeigt 4 die Oxidationsvorrichtung stromaufwärts der Temperaturmesswerte 422 und stromabwärts der Temperaturmesswerte 424 in einem Temperaturdiagramm 420 und einem Diagramm für die Betankungsrate 430 in den ICE 26. 4 zeigt weiterhin einen hohen HC-Bereich 440, der für niedrige Motorbetankungsraten 430 und niedrige Abgastemperaturen 420 steht. In einem oder mehreren Beispielen steht der HC-Bereich 440 auch für niedrige Umgebungstemperaturen. So kann beispielsweise der hohe HC-Bereich 440 in größeren Höhen im Vergleich zu niedrigeren Höhen relativ groß sein. Mit steigender Betankungsrate 430 steigt die Temperatur der Oxidationsvorrichtung 218 (424) und beendet den hohen HC-Bereich 440, wobei der gespeicherte HC aus der Oxidationsvorrichtung 218 (445) oxidiert wird. Während dies geschieht, weist der stromabwärtige O₂ Messwert 414 einen niedrigeren Wert als erwartet auf, verglichen mit dem stromaufwärtigen O₂ Messwert 412, da der HC die Oxidationsvorrichtung 218 abbrennt, was zu einem falschen Fehlersignal führt.
Die technischen Lösungen hierin verhindern ein derartiges falsches O₂ Lesefehlersignal durch Überwachen eines oder mehrerer Parameter, wie beispielsweise der Abgastemperaturen 420, der Betankungsrate 430, der Umgebungstemperatur, des Umgebungsdrucks, der Zeit beim Betanken, unter anderem zum Erfassen des hohen HC-Bereichs 440. Weiterhin erleichtern die technischen Lösungen dem Steuermodul 238 das Bestimmen einer Signalrationalitätsverzögerungsdauer (d. h. Zeit) zur Diagnose eines oder mehrerer O₂ Sensoren (z. B. des stromabwärtigen O₂ Sensors 248) bei einem Überlaufzustand. Die Signalrationalitätsverzögerungszeit verzögert die Zeit, zu welcher der stromabwärtige O₂ Sensormesswert 414 diagnostiziert wird. Auf diese Weise wird eine Fehldiagnose des stromabwärtigen O₂ Sensors 248' durch verbrauchtes O₂ vermieden, das während eines Überlaufzustands auftreten kann.
5 zeigt ein Blockdiagramm des Steuermoduls 238, das eine oder mehrere Signalrationalitätsverzögerungszeiten vor der Diagnose der Leistung eines O₂ Sensors während eines Überlaufzustands gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen ermittelt. Obwohl die folgende Ausführungsform in Bezug auf die Diagnose des stromabwärtigen O₂ Sensors 248' während eines Überlaufereignisses beschrieben wird, sind die technischen Lösungen nicht darauf beschränkt. Verschiedene Ausführungsformen des Abgasbehandlungssystems 30 von 2 können gemäß der vorliegenden Offenbarung eine beliebige Anzahl an in der Steuerung 238 integrierten Untermodulen beinhalten. Wie zu erkennen ist, können die in 5 dargestellten Untermodule kombiniert und/oder weiter unterteilt werden. Eingänge zum Steuermodul 238 können vom Abgasbehandlungssystem 30 erfasst, von anderen Steuermodulen, beispielsweise einem Motorsteuermodul (nicht dargestellt), empfangen oder durch andere Untermodule bestimmt werden.
Wie in 5 veranschaulicht, beinhaltet das Steuermodul 238 gemäß mindestens einer Ausführungsform einen Speicher 102, ein Oxidationsspeichermodul 104, ein Reduktionsmitteleinspritzsteuermodul, ein Kraftstoffeinspritzsteuermodul 108, ein Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 und ein O2-Sensordiagnosemodul 112. Jedes der Module 104-112 kann eine entsprechende Speichereinheit beinhalten, die zum Speichern von Werten, Parametern und/oder Datenmodellen im Bedarfsfall konfiguriert ist. Darüber hinaus kann jedes der Module 104-112 mit dem Speicher 102 verbunden sein und elektrisch kommunizieren, um gespeicherte Werte, Parameter und/oder Datenmodelle bei Bedarf abzurufen und zu aktualisieren.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen speichert der Speicher 102 einen oder mehrere Schwellenwerte, Zeiträume, in denen die Temperaturen gemessen wurden, eine Anzahl konfigurierbarer Grenzwerte, Karten, Datenwerte, Variablen, Temperaturmodelle und Systemmodelle zum Steuern des Abgassystems 30. Der Speicher 102 kann auch einen oder mehrere Temperatur-Schwellenwerte und/oder Temperatur-Schwellenwertbereiche speichern, die einer entsprechenden Rußverbrennungstemperatur entsprechen. Darüber hinaus kann der Speicher 102 ein oder mehrere Temperaturmodelle zum Bestimmen der Oxidationstemperatur, der SCR-Temperatur und anderer mit dem Abgassystem 30 verbundener Werte speichern. So werden beispielsweise die Temperaturen anhand von Temperatursignalen modelliert, die von einem oder mehreren der Temperatursensoren und einem oder mehreren im Speicher 102 gespeicherten Temperaturmodellen erzeugt werden.
Das Oxidationsspeichermodul 104 bestimmt die Leistung der Oxidationsvorrichtung 218 basierend auf verschiedenen Betriebsbedingungen 508, die von verschiedenen Temperatursensoren und/oder Modellen bestimmt werden. Ein Oxidationsleistungsmodell 507 kann aus dem Speicher erhalten werden und/oder gemäß den Ergebnissen verschiedener Untermodelle erzeugt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, ein HC-Umwandlungsmodell 500, ein CO₂ Konvertierungsmodell 502 und dergleichen. Die Untermodelle 500-506 können verschiedene Betriebsbedingungen 508 nutzen, die von verschiedenen Temperatursensoren und/oder Modellen bestimmt werden. Das HC-Umwandlungsmodell 500 kann sich beispielsweise auf das Alter der Oxidationsvorrichtung 218, die Temperatur der Oxidationsvorrichtung, den Abgasdurchsatz, das Oxidationseinlass-O₂-Verhältnis, die HC-Speicherung auf der Oxidationsvorrichtung 218 und die Einlass-CO₂-Konzentration beziehen. Die CO₂-Konvertierung 502 kann sich beispielsweise auf die Temperatur der Oxidationsvorrichtung, den Abgasdurchsatz, die CO₂-Konzentration und die HC-Speicherung auf der Oxidationsvorrichtung 218 beziehen.
Verschiedene Fahrbedingungen können Betriebsbedingungen 508 (z. B. momentane Temperatur der Oxidationsvorrichtung 218, Temperaturgradient der Oxidationsvorrichtung 218, Umgebungstemperatur, Abgas- und Motorbetankung, Abgasdurchsatz, Umgebungsdruck, Zeit bei Betankung usw.) erzeugen, die zu einer Veränderung des O₂-Verbrauchs führen. Während eines Auslaufereignisses werden beispielsweise über das Oxidationsleistungsmodell verschiedene Betriebsparameter der Oxidationsvorrichtung eingegeben, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Abgasdurchflussmenge und die Temperatur der Oxidationsvorrichtung. Basierend auf den Parametern der Oxidationsvorrichtung gibt das Oxidationsspeichermodul 104 einen oder mehrere Leistungswerte der Oxidationsvorrichtung 510 aus, welche die zu erwartende O₂ Menge der Oxidationsvorrichtung 218 während des aktuellen Auslaufvorgangs anzeigen.
Das Einspritzmodul 108 empfängt ein oder mehrere Fahrzustandssignale 514, die einen aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs anzeigen. Die Fahrzustandssignale 514 können unter anderem ein Drosselklappenstellungssignal, ein Massenlufteinlasssignal und ein Bremsstellungssignal beinhalten. Das Drosselklappenstellungssignal und das Ansaugsignal für den Massenluftstrom können einen vorübergehenden Zustand des Kraftstoffs anzeigen, wie beispielsweise ein Beschleunigungsereignis. Das Bremsstellungssignal kann einen Überlaufzustand anzeigen, wie beispielsweise ein Auslaufereignis. Basierend auf dem Fahrzustandssignal 514 gibt das Einspritzmodul 108 ein Kraftstoffsteuersignal 516 an eine oder mehrere Einspritzdüsen 14 aus. Während eines Auslaufereignisses kann beispielsweise die Einspritzdüse verfügen, dass kein Kraftstoff eingespritzt wird. Das Kraftstoffeinspritzmodul 108 steht ebenfalls in elektrischer Verbindung mit dem Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 und gibt ein Kraftstoffeinspritzsignal 518 aus, das die von dem Kraftstoffeinspritzmodul 14 eingespritzte Kraftstoffmenge anzeigt. Gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise das Kraftstoffeinspritzsignal 518 ausgegeben werden, um anzuzeigen, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt kein Kraftstoff durch die Kraftstoffeinspritzdüse 14 eingespritzt wird. Auf diese Weise kann das Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 ein Auslaufereignis (d. h. einen Überlaufzustand) erkennen.
Das Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 steht in elektrischer Verbindung mit dem Oxidationsleistungsmodul 104 und dem O₂ Diagnosemodul 112. Wenn das Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 ermittelt, dass ein Auslaufereignis und/oder der hohe HC-Bereich 440 vorliegt, gibt das Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 ein Statusanforderungssignal 520 an das Oxidationsleistungsmodul 104 aus und fordert einen Leistungsstatus der Oxidationsvorrichtung 218 an. Als Reaktion auf das Statusanforderungssignal erzeugt das Oxidationsleistungsmodul 104 einen oder mehrere Oxidationsleistungswerte 510b, die eine Menge an O₂ anzeigen, welche die Oxidationsvorrichtung 218 während des aktuellen Auslaufereignisses abgeben soll. Die Oxidationsleistungswerte 510b können auch eine Schätzung der zu erwartenden Menge von O₂ beinhalten, die während des aktuellen Auslaufereignisses freigesetzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform, wartet (oder verzögert) das Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110, bis ein Oxidationsleistungswert von 510b anzeigt, dass kein O₂ Messwert aufgrund des hohen HC-Bereichs 440 reduziert wurde. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass der niedrigere O₂ Messwert nicht vorhergesagt wird, gibt das Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 ein Diagnosesteuersignal 522 aus. Es versteht sich, dass in einer anderen Ausführungsform ein geringes Niveau von O₂ aufgrund eines tolerierbaren Schwellenwerts toleriert werden kann. Das Diagnosesteuersignal 522 veranlasst das O₂ Diagnosemodul 112 dazu, den stromabwärtigen O₂ Sensor 248' zu diagnostizieren.
Das O₂ Diagnosemodul 112 steht in elektrischer Verbindung mit dem Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 und wartet bis zum Empfangen des Diagnosesteuersignals 522 vor der Diagnose des stromabwärtigen O₂ Sensors 248'. Das O₂ Diagnosemodul 112 ruft gemäß einer Ausführungsform ein oder mehrere O₂ Schwellenwerte 524 (z. B. 20 PPM) aus dem Speicher 102 ab. Das O₂ Diagnosemodul 112 ermittelt als Reaktion auf das Empfangen des Diagnosesteuersignals 522 eine Differenz zwischen dem vom stromabwärtigen O₂-Sensor 248' ermittelten O₂ Ausgang und einem Nullpunktwert und gibt aufgrund des Vergleichs ein O₂ Diagnosesignal 525 aus. Wenn beispielsweise die Differenz den vorgegebenen O₂ Ausgangsschwellenwert überschreitet, gibt das O₂ Diagnosemodul 112 ein O₂ Diagnosesignal 525 aus, das anzeigt, dass ein O₂ Sensorfehler ermittelt wurde. Andernfalls kann das O₂ Diagnosemodul 112 das Diagnosesignal 525 ausgeben, das anzeigt, dass ein O₂ Sensordurchlauf bestimmt wird.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen wird die Differenz mit einem Differenzschwellenwert, beispielsweise 5 ppm, verglichen und das O₂ Diagnosesignal 525 basierend auf dem Vergleich ausgegeben. Wenn die Differenz den Differenzschwellenwert überschreitet, gibt das O₂ Diagnosemodul 112 das O₂ Diagnosesignal 525 aus, das anzeigt, dass ein Fehler im Oxidationssystem ermittelt wurde, der ein Fehler in den O₂ Sensoren oder der Oxidationsvorrichtung 218 sein kann. Andernfalls kann das O₂ Diagnosemodul 112 das Diagnosesignal 525 ausgeben, das anzeigt, dass ein O₂ Sensordurchlauf bestimmt wird. Es versteht sich, dass eine Fehlermeldung erzeugt werden kann, wenn eine Anzahl von festgestellten Fehlern einen Fehlerschwellenwert überschreitet. Auf diese Weise kann eine Fehldiagnose des stromabwärtigen O₂ Sensors 248' vermieden werden, die aus einem hohen HC-Bereich 440 bei bestimmten Überlaufbedingungen resultiert.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen bestimmt das Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 dynamisch eine Signalrationalitätsverzögerungszeit basierend auf einem Zustand der Oxidationsvorrichtung 218. So speichert beispielsweise das Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 eine Nachschlagetabelle (LUT) 526a, die verschiedene vorgegebene Oxidationsleistungswerte mit einer entsprechenden Signalrationalitätsverzögerungszeit vergleicht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein LUT 526b auch aus dem Speicher 102 abgerufen werden. Basierend auf einem oder mehreren Oxidationsleistungswerten 510b des Oxidationsleistungsmoduls 104 wählt das Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 eine entsprechende Signalrationalitätsverzögerungszeit aus und gibt die ausgewählte Signalrationalitätsverzögerungszeit über das Diagnosesteuermodul 522 an das O₂ Diagnosemodul 112 aus. Auf diese Weise kann die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität dynamisch bestimmt werden, wenn sich die Leistung der Oxidationsvorrichtung 218 ändert.
Das O₂ Diagnosemodul 112 empfängt das Diagnosesteuersignal 522 und setzt einen Zeitschwellenwert gleich der vom Signalrationalitätsverzögerungsmodul 110 gewählten zeitlichen Verzögerung des Signalrationalitätssignals. Nach dem Einstellen des Zeitschwellenwerts startet das O₂ Diagnosemodul 112 einen Timer 528. Wenn der Timer 528 den Zeitschwellenwert (d. h. die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität) überschreitet, führt das O₂ Diagnosemodul 112 unter anderem das Oxidationssystem einschließlich des stromaufwärtigen O₂ Sensors 248, der Oxidationsvorrichtung und des stromabwärtigen O₂ Sensors 248' aus. Wenn beispielsweise der Differenz O₂ Ausgang den vorgegebenen O₂ Ausgangsschwellenwert überschreitet (z. B. 20 ppm), wird ein O₂ Sensorfehler ermittelt. Es versteht sich, dass eine Fehlermeldung erzeugt werden kann, wenn eine Anzahl von festgestellten Fehlern einen Fehlerschwellenwert überschreitet. Wie vorstehend beschrieben, wird die Signalrationalitätsverzögerungszeit vor der Diagnose des stromabwärtigen O₂ Sensors 248' bei einem Nachlaufzustand des Motors (z. B. einem Auslaufereignis) dynamisch ermittelt. Dementsprechend wird eine genauere Diagnose des stromabwärtigen O₂ Sensors 248' erreicht.
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 600 zur Verzögerung der Überwachung/Verwendung einer Messung aus einem O₂ Sensor gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. In einem oder mehreren Beispielen implementiert das Steuermodul 238 das Verfahren 600. Das Verfahren 600 beinhaltet das Überwachen der Betriebsparameter der Oxidationsvorrichtung, einschließlich Abgasstrom, Motorbetankung, Einlass-/Auslasstemperatur, Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, Zeit bei der Betankung und Einlass-/Auslass-O₂-Sensormesswerte, wie bei 610 dargestellt. Basierend auf den Betriebsparametern beinhaltet das Verfahren 600 auch das Bestimmen der Betriebsweise des Abgassystems 30 im hohen HC-Bereich, wie bei 620 dargestellt.
Das Bestimmen, ob das Abgassystem 30 in einem hohen HC-Bereich betrieben wird, schließt das Bestimmen der Verweildauer ein, die der ICE 26 mit einer Betankungsrate unter einem bestimmten Schwellenwert für die Betankungsrate aufwenden muss, wie bei 622 dargestellt. Wenn das Fahrzeug 10 beispielsweise im Leerlauf steht oder bergab fährt, kann die Betankungsrate des ICE 26 unter dem Betankungsschwellenwert liegen. Wenn die Verweildauer unterhalb des Betankungsschwellenwerts einen vorgegebenen Zeitschwellenwert überschreitet, beinhaltet das Verfahren 600 zudem den Vergleich von Abgastemperaturwerten mit einem vorgegebenen Temperaturschwellenwert (z. B. 100 °F und dergleichen), wie bei 624 und 626 dargestellt.
Wenn die Verweildauer unterhalb des Betankungsschwellenwerts innerhalb des vorgegebenen Zeitschwellenwerts liegt, erachtet das Steuermodul 238 das Abgassystem 30 als nicht in einem hohen HC-Bereich arbeitend und setzt den typischen Betrieb ohne Verzögerung des oder der O₂ Sensor(en) fort, wie bei 624 dargestellt. Das Steuermodul 238 vergleicht beispielsweise die Messwerte des stromabwärtigen O₂ Sensors mit den erwarteten O₂ Werten der Oxidationsvorrichtung 218, wobei die erwarteten O₂ Werte basierend auf dem Leistungsmodell der Oxidationsvorrichtung 218 bestimmt werden, wie bei 640 dargestellt. Wenn die O₂ Messwerte des stromabwärtigen O₂ Sensors mit den erwarteten O₂ Werten übereinstimmen, überwacht das Steuermodul 238 weiterhin den Betrieb des Abgassystems 30, indem es das Verfahren durchläuft. In einem oder mehreren Beispielen erhöht das O₂ Diagnosemodul 112 das Diagnosesignal 525, das den erwarteten Betrieb des Oxidationssystems anzeigt. Wenn die O₂ Messwerte des stromabwärtigen O₂ Sensors nicht mit den erwarteten O₂ Werten übereinstimmen, erhöht das O₂ Diagnosemodul 112 das Diagnosesignal 525, das einen Fehler im Oxidationssystem anzeigt, wie bei 650 dargestellt.
Wenn die Verweildauer in der niedrigen Betankungsrate den Zeitschwellenwert überschreitet und die Abgastemperatur unter dem Schwellenwert liegt, bestimmt das Steuermodul 238, dass das Abgassystem 30 im hohen HC-Bereich 440 betrieben wurde, wie bei 624 und 626 dargestellt. Nachdem bestimmt wurde, dass der ICE 26 im hohen HC-Bereich arbeitet, bestimmt das Steuermodul 238, ob der Betrieb im hohen HC-Bereich beendet wurde, indem eine Vorlauftemperatur der Oxidationsvorrichtung 218 mit einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird, wie bei 630 dargestellt. Der zweite vorgegebene Schwellenwert kann ein Wert, wie beispielsweise 230 °F, 220 °F oder ein anderer derartiger Temperaturwert sein. Die Vorlauftemperatur oberhalb des zweiten vorgegebenen Schwellenwerts zeigt an, dass sich die Oxidationsvorrichtung 218 aufgrund einer Erhöhung der Betankungsrate im ICE 26 erwärmt hat. Wenn die Vorlauftemperatur nicht über den zweiten vorgegebenen Schwellenwert angestiegen ist, vergleicht das Steuermodul 238 weiterhin die stromabwärtigen O₂ Messwerte mit den erwarteten Werten, wie bei 640 dargestellt. Es ist zu beachten, dass in einem oder mehreren Beispielen eine Messung des stromabwärtigen Sensors zur Bestätigung der Ergebnisse mit denen des stromaufwärtigen Sensors verglichen wird.
Wenn die Vorlauftemperatur über dem zweiten vorgegebenen Schwellenwert liegt, verzögert das Steuermodul 238 die Diagnose der stromabwärtigen O₂ Messwerte, wie bei 635 dargestellt. Wenn das Steuermodul 238 also einen Anstieg der Vorlauftemperatur nach dem hohen HC-Bereich erfasst, verzögert das Steuermodul 238 das Erfassen und/oder Analysieren von Messungen aus dem stromabwärtigen O₂ Sensor. Die Verzögerung der Nutzung der O₂ Sensormesswerte für die Diagnose (d. h. der Vergleich mit erwarteten O₂ Werten) bezieht sich auf die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität. In einem oder mehreren Beispielen führt die Verzögerung dazu, dass die Aufnahme/Analyse der O₂ Messwerte des stromabwärtigen O₂ Sensors 248' für die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität (die eine vorbestimmte Zeitspanne sein kann) verzögert wird, und nach Ablauf der Verzögerungszeit der Signalrationalität erfasst/analysiert das Steuermodul 238 weiterhin die Messwerte des stromabwärtigen O₂ Sensors für den Vergleich, wie bei 640 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich wird die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität dynamisch bestimmt, beispielsweise basierend auf dem Zustand der Oxidationsvorrichtung 218.
Die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität wird gemessen, da die Bestimmung der Vorlauftemperatur über dem zweiten vorgegebenen Schwellwert liegt. So wird beispielsweise beim Erfassen des Anstiegs der Vorlauftemperatur ein Timer für die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität ausgelöst. Nach Ablauf des Timers werden die stromabwärtigen O₂ Messwerte erfasst und mit den erwarteten Werten verglichen.
Alternativ oder zusätzlich wird die Verwendung der O₂ Messwerte für eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen verzögert. Das Steuermodul 238 verfolgt beispielsweise mehrmals, wie oft die stromabwärtigen O₂ Messwerte seit dem Bestimmen des Anstiegs der Vorlauftemperatur aktualisiert wurden. Nachdem die stromabwärtigen O₂ Messwerte mindestens mehrmals aktualisiert wurden, erfasst das Steuermodul 238 die stromabwärtigen O₂ Messwerte und verwendet sie zum Vergleich mit den erwarteten Werten.
In einem oder mehreren Beispielen schaltet das Steuermodul 238 während der zeitlichen Verzögerung der Signalrationalität das O₂ Diagnosemodul 112 ab und schaltet das O₂ Diagnosemodul 112 nach Beendigung der zeitlichen Verzögerung der Signalrationalität wieder ein.
Nach der Verzögerung arbeitet das Steuermodul 238 weiter wie bisher, d. h. es erfasst die stromabwärtigen O2-Messwerte, vergleicht diese mit den erwarteten O2-Werten und erhöht die Benachrichtigung 525 basierend auf den übereinstimmenden/nicht übereinstimmenden Werten. Durch die Verzögerung der Verwendung der stromabwärtigen O2-Sensormesswerte verhindert das Steuermodul 238, dass ein falsches Fehlersignal durch die Benachrichtigung 525 nach Auftreten des Überlaufzustands ausgelöst wird. In den Überlaufbedingungen kann ein Fahrzeug mit einem SCR-System für die Leistung des stromabwärtigen O2-Sensors diagnostiziert werden, da während dieser Überläufe die Betankung sehr leicht ist (bergab, langer Leerlauf), wodurch der Motor aus dem HC hoch ist und das Abgassystem abkühlen kann. Derartige Bedingungen wiederum führen dazu, dass der HC in der Oxidationsvorrichtung 218 gespeichert wird, und anschließend, wenn der ICE 26 zu einer höheren Belastung zurückkehrt, erwärmt sich die Oxidationsvorrichtung 218 und der gespeicherte HC wird oxidiert. Während dies geschieht, weisen die stromabwärtigen O2-Messwerte niedrigere Werte auf als erwartet, da der HC die Oxidationsvorrichtung abbrennt. Durch die Verzögerung der Verwendung der O2-Messwerte werden also nicht die niedrigeren als die erwarteten Werte für den Vergleich herangezogen, wodurch ein falsches Fehlersignal verhindert wird.
Obwohl das Verfahren als beendet veranschaulicht wird, nachdem eine Fehlermeldung ausgelöst wurde, wird es durchaus gesehen, dass das Verfahren nach dem Bestimmen eines Durchlaufs oder eines Fehlerereignisses wieder in Betrieb gehen kann, um die Überwachung auf nachfolgende Überlaufbedingungen fortzusetzen.
Die hier beschriebenen technischen Lösungen erleichtern Verbesserungen von Emissionskontrollsystemen, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, wie sie in Fahrzeugen verwendet werden. Die technischen Lösungen ermöglichen es beispielsweise, die Bedingungen zu identifizieren, unter denen HC auf der Oxidationsvorrichtung abgeschieden wird. So können beispielsweise die Bedingungen eine niedrige Betankung, eine niedrige Abgastemperatur, eine große Höhe usw. beinhalten, gefolgt von einem Anstieg der stromabwärtigen Oxidationstemperatur über (oder fast über) der stromaufwärtigen Oxidationstemperatur, während die stromaufwärtige Oxidationstemperatur sinkt. Nach dem Erkennen eines derartigen Ereignisses wird ein Entprell-Timer ausgelöst, der die Diagnose eines Vergleichs der stromabwärtigen O2-Messwerte mit den erwarteten Werten für eine bestimmte Zeitdauer deaktiviert. Eine derartige Beseitigung von Fehldiagnosen unter diesen Bedingungen erleichtert wiederum das Reduzieren des Austauschvolumens der Sensoren, wenn die Komponenten nicht defekt sind.
Es ist zu beachten, dass die hierin beschriebenen technischen Lösungen zwar im Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor auf Dieselbasis stehen, die technischen Lösungen jedoch auf jeden Verbrennungsmotor anwendbar sind, der jede Art von Kraftstoff verwendet und ein Abgassystem mit einem Sauerstoffsensor verwendet, wie hierin beschrieben wird.
Während die obige Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, aber alle Ausführungsformen beinhaltet, die in deren Umfang fallen.

Claims

Emissionssteuerungssystem zum Behandeln von Abgas in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, das Emissionssteuerungssystem umfassend: eine Oxidationsvorrichtung; ein O2-Diagnosemodul, das zur Diagnose der Oxidationsvorrichtung konfiguriert ist; und eine Steuerung, die zum Verwalten des O2-Diagnosemoduls konfiguriert ist durch: Erkennen eines Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt im Betrieb des Verbrennungsmotors; reaktionsschnelles Messen einer Vorlauftemperatur der Oxidationsvorrichtung; und als Reaktion darauf, dass die Vorlauftemperatur über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, Verzögern des O2-Diagnosemoduls für eine zeitliche Verzögerung der Signalrationalität.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Verzögerung des O2-Diagnosemoduls das Ausschalten des O2-Diagnosemoduls für die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität umfasst.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität eine vorbestimmte Zeitdauer ist.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität basierend auf einem Zustand der Oxidationsvorrichtung bestimmt wird.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 4, worin das Bestimmen der zeitlichen Verzögerung der Signalrationalität den Zugriff auf eine Nachschlagetabelle umfasst, die der Leistung einer Oxidationsvorrichtung entspricht.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin das Erfassen des Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt Folgendes umfasst: Erfassen einer Betankungsrate des Verbrennungsmotors, die unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 6, worin das Erfassen des Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt weiterhin umfasst: Erfassen dessen, dass die Vorlauftemperatur unter einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert liegt.
Abgassystem zum Behandeln von Abgas, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, konfiguriert zum Durchführen einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Abgas, das Abgassystem umfassend: ein O₂ Diagnosemodul, das konfiguriert ist, um die Oxidationsleistung des Abgassystems zu diagnostizieren; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um das Abgassystem zu steuern durch: Erkennen eines Bereichs mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt im Betrieb des Verbrennungsmotors; reaktionsschnelles Messen einer Vorlauftemperatur einer Oxidationsvorrichtung des Abgassystems; und als Reaktion auf das Überschreiten eines vorbestimmten Schwellenwerts, verzögern des Diagnosemoduls für eine zeitliche Verzögerung der Signalrationalität.
Abgassystem nach Anspruch 8, worin die Verzögerung des O₂ Diagnosemoduls das Ausschalten des O₂ Diagnosemoduls für die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität umfasst.
Abgassystem nach Anspruch 8, worin die zeitliche Verzögerung der Signalrationalität eine vorbestimmte Zeitdauer ist.