DE102019112752A1

DE102019112752A1 - Steuervorrichtung und verfahren mit nox-sensor-querempfindlichkeit zum betreiben eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102019112752A1
Application number: DE102019112752.1A
Authority: DE
Inventors: Jaime Andres CESPEDES GARCIA; Giuseppe Mazzara BOLOGNA; Maria Camuglia; Carlos Ildefonso Hoyos Velasco; David Tulli
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2019-12-12
Also published as: CN110578587A; US20190376426A1

Abstract

Ein Nachbehandlungssystem beinhaltet eine selektive Katalysatorreduktion auf einer Filter-(SCRF)-Vorrichtung in Verbindung mit Abgasen aus einem Motor, die behandelte Abgase ergeben. Ein Stickoxid-(NOx)-Sensor ist zum Messen der behandelten Abgase konfiguriert und weist ein Ausgangssignal auf, dass NOx und Ammoniak (NH₃) querempfindlich ist. Ein NOx-Sensormodell ist gekoppelt, um das Ausgangssignal und die Massenstromdaten für die behandelten Abgase zu empfangen, und stellt ein NOx-Modellsignal an eine elektronische Steuereinheit (ECU) bereit, die funktionsfähig mit dem Nachbehandlungssystem und dem Motor verbunden ist. Das NOx-Sensor-Ausgangssignal stellt eine NOx-Abgaskonzentrationsschätzung basierend auf einer tatsächlichen NOx-Konzentration und einer tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases dar. Die ECU ist auf der Basis der NOx-Konzentrationsschätzung betreibbar, um das Nachbehandlungssystem und den Motor zu steuern und eine Gesamtreduzierung der tatsächlichen NOx-Konzentration der behandelten Abgase zu bewirken.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet bezieht sich auf eine Steuervorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, und insbesondere auf eine Steuervorrichtung zum Betreiben einer selektiven Dieselkatalysatorreduktion am Filter-(SCRF)-Abgasnachbehandlungssystem, das ein Stickoxid-(NOx)-Sensormodell beinhaltet.
HINTERGRUND
Ein Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug beinhaltet im Allgemeinen einen Motorblock, der mindestens einen Zylinder definiert, der einen Hubkolben aufnimmt, der zum Drehen einer Kurbelwelle gekoppelt ist. Der Zylinder ist durch einen Zylinderkopf geschlossen, der mit dem Hubkolben zusammenwirkt, um eine Brennkammer zu definieren. Ein Kraftstoff-/Luftgemisch wird zyklisch in die Brennkammer eingebracht und entzündet, wodurch im Ergebnis wechselseitige Bewegungen des Kolbens durch die sich ausdehnenden heißen Abgase erzeugt werden. Der Kraftstoff wird typischerweise durch eine jeweilige Kraftstoffeinspritzdüse in jeden Zylinder eingespritzt. Der Kraftstoff wird unter hohem Druck von einer Einspritzleitung in Fluidverbindung mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe zu jeder Kraftstoffeinspritzdüse geliefert, die den Druck des von einer Kraftstoffquelle empfangenen Kraftstoffs erhöht. Der Betrieb des Verbrennungsmotors wird im Allgemeinen durch eine oder mehrere elektronische Steuereinheiten (ECU - Electronic Control Unit) gesteuert, die betriebsmäßig mit dem Verbrennungsmotor und einer Anordnung von Sensoren und Stellgliedern gekoppelt sind, wie beispielsweise die Kraftstoffeinspritzdüse.
Aufgrund der strengen Abgasvorschriften beinhalten Verbrennungsmotoren im Allgemeinen Abgasnachbehandlungssysteme. Ein Abgasnachbehandlungssystem kann eine oder mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen beinhalten, die in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors vorgesehen sind. Ein Abgasnachbehandlungssystem kann beispielsweise einen Oxidationskatalysator, wie etwa einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), beinhalten, der einen chemischen Prozess zum Aufbrechen von Bestandteilen aus Dieselmotoren im Abgasstrom verwendet, wodurch diese zu im Allgemeinen harmlosen Komponenten umgeformt werden. DOCs weisen typischerweise eine wabenförmige Konfiguration auf, die mit einem Katalysator beschichtet ist, der eine chemische Reaktion auslöst, um diese Bestandteile zu reduzieren. DOCs können Palladium (Pd) und Platin (Pt) oder Ceroxid enthalten, die als Katalysatoren zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasser dienen. Eine Alternative zu DOCs kann ein Dreiwegekatalysator (TWC - Three-Way Catalyst) sein.
In einer weiteren Alternative kann ein magerer NOX-Speicherkatalysator (LNT - Lean NOx Trap) verwendet werden. Eine LNT ist eine Vorrichtung, die die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) einfängt und im Allgemeinen im Abgassystem stromaufwärts eines Dieselpartikelfilters (DPF) angeordnet ist. Genauer gesagt ist eine LNT eine katalytische Vorrichtung, die Katalysatoren, wie etwa Rhodium (Rh), Pt und Pd und Adsorptionsmittel wie Elemente auf Bariumbasis, enthält, die aktive Stellen bereitstellen, die zum Binden der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) geeignet sind, um sie in der Vorrichtung selbst zu speichern.
Abgasnachbehandlungssysteme können auch einen Dieselpartikelfilter (DPF), der Partikelmaterial (PM) aus dem Abgas filtert, und eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) beinhalten, die eine katalytische Vorrichtung ist, in der die Stickoxide (NOx), die im Abgas enthalten sind, in zweiatomigen Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) mithilfe eines gasförmigen Reduktionsmittels, typischerweise Ammoniak (NH₃), das durch Harnstoff (CH₄N₂O) Thermohydrolyse erhalten werden kann und das innerhalb des SCR absorbiert wird, reduziert werden. Typischerweise wird Harnstoff aus einem speziellen Tank in die Abgasleitung eingespritzt, wobei er sich mit dem Abgas stromaufwärts des SCR vermischt. Andere Fluide können in einem SCR anstelle von Harnstoff verwendet werden, von denen jedes im Allgemeinen als Dieselabgasfluid (DEF - Diesel Exhaust Fluid) bezeichnet wird. Eine Alternative zum SCR ist ein SCRF (SCR auf dem Filter), d. h. eine Vorrichtung, die in einer einzelnen Einheit eine SCR-Vorrichtung und einen DPF kombiniert.
Die Steuerung des Nachbehandlungssystems, insbesondere die Steuerung der Einführung von DEF zur Gewährleistung eines effektiven Betriebs des SCR/SCRF, erfordert eine genaue Angabe der NOx-Konzentration der Abgase. Bestehende NOx-Sensoren, die im Abgasstrom eines mit einem ICE angetriebenen Kraftfahrzeugs verwendet werden können, sind jedoch querempfindlich gegenüber NH₃ und stellen daher möglicherweise keinen zuverlässigen Hinweis auf die NOx-Konzentration bereit. Das Bereitstellen eines NH₃-Sensors erhöht die Kosten und Komplexität, wobei die NH₃-Sensoren ohnehin eine unzureichende Genauigkeit aufweisen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, das eine selektive Katalysatorreduktion an einer Filter-(SCRF)-Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Verbindung mit den Abgasen des Verbrennungsmotors beinhaltet, die eine behandelte Abgasabgabe ergibt. Ein Stickoxid-(NOx)-Sensor steht in Verbindung mit den behandelten Abgasen und weist ein NOx-Sensor-Ausgangssignal auf, das gegenüber NOx und Ammoniak (NH₃) querempfindlich ist. Ein Nox-Sensormodell ist funktionsfähig gekoppelt, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal bereitzustellen, das eine NOx-Abgaskonzentrationsschätzung basierend auf einer tatsächlichen NOx-Konzentration und einer tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases darstellt. Die ECU ist so angeordnet, dass sie auf der Basis der NOx-Konzentrationsschätzung betreibbar ist, um das Abgasnachbehandlungssystem und den Verbrennungsmotor so zu steuern, dass eine Gesamtreduzierung der tatsächlichen NOx-Konzentration mit den Abgasen erreicht wird.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann das NOx-Sensormodell funktionsfähig gekoppelt werden, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal bereitzustellen, das eine NOx-Abgaskonzentrationsschätzung basierend auf einer linearen Abhängigkeit zwischen der tatsächlichen NOx-Konzentration und der tatsächlichen NH₃ Konzentration des Abgases darstellt.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann das NOx-Sensormodell einen linearen Abhängigkeitsoperator beinhalten, der die tatsächliche NOx-Konzentration linear in Beziehung setzt, und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases ist funktionsfähig gekoppelt, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal bereitzustellen, das eine NOx-Konzentrationsschätzung des Abgases darstellt.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann das NOx-Sensormodell einen linearen Abhängigkeitsoperator beinhalten, der die tatsächliche NOx-Konzentration linear in Beziehung setzt, und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases basierend auf Abgasmassenströmungsdaten ist funktionsfähig gekoppelt, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal bereitzustellen, das eine NOx-Konzentrationsschätzung des Abgases darstellt.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann das NOx-Sensormodell einen NOx-Kalibriervektorwert und einen NH3-Kalibriervektorwert beinhalten. Ein linearer Abhängigkeitsoperator, der die tatsächliche NOx-Konzentration und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases basierend auf dem NOx-Kalibriervektorwert und dem NH3-Kalibriervektorwert linear in Beziehung setzt, ist funktionsfähig gekoppelt, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal bereitzustellen, das eine NOx-Konzentrationsschätzung basierend auf einer linearen Abhängigkeit zwischen der tatsächlichen NOx-Konzentration und der tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases darstellt.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann das NOx-Sensormodell Teil einer Steuerstruktur mit geschlossenem Regelkreis sein und funktionsfähig gekoppelt werden, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal bereitzustellen, das eine NOx-Abgaskonzentrationsschätzung basierend auf einer linearen Abhängigkeit zwischen der tatsächlichen NOx-Konzentration und der tatsächlichen NH₃ Konzentration des Abgases darstellt.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann das NOx-Sensormodell funktionsfähig gekoppelt werden, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal bereitzustellen, das eine NOx-Abgaskonzentrationsschätzung basierend auf einer linearen Abhängigkeit zwischen der tatsächlichen NOx-Konzentration und der tatsächlichen NH₃ Konzentration des Abgases darstellt. In dieser Ausführungsform kann ein SCRF-Modell funktionsfähig mit dem Nox-Sensormodell gekoppelt werden, um das NOx-Modellsignal zu empfangen.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann das NOx-Sensormodell funktionsfähig gekoppelt werden, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal bereitzustellen, das eine NOx-Abgaskonzentrationsschätzung basierend auf einer linearen Abhängigkeit zwischen der tatsächlichen NOx-Konzentration und der tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases in dieser Ausführungsform darstellt, ein SCRF-Modell kann funktionsfähig mit dem NOx-Sensormodell gekoppelt werden, um das NOx-Modellsignal zu empfangen. Das NOx-Sensormodell und das SCRF-Modell sind Elemente einer Steuerstruktur für den SCRF im geschlossenen Regelkreis.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform können das NOx-Sensormodell und die ECU funktionsfähig gekoppelt werden, um einen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors zu empfangen. Das NOx-Sensormodell und die ECU sind ferner so angeordnet, dass sie auf den Betriebsparameter anwendbar sind, um das Abgasnachbehandlungssystem und den Verbrennungsmotor so zu steuern, dass eine Gesamtreduzierung der tatsächlichen NOx-Konzentration mit den Abgasen erreicht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Abgasnachbehandlungssystem, das mit einem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, der eine selektive Katalysatorreduktion an einer Filter-(SCRF)-Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Verbindung mit den Abgasen des Verbrennungsmotors beinhaltet und eine behandelte Abgasabgabe aufweist. Ein Stickoxid-(NOx)-Sensor steht in Verbindung mit den behandelten Abgasen und weist ein NOx-Sensor-Ausgangssignal auf, das gegenüber NOx und Ammoniak (NH3) querempfindlich ist. Ein Nox-Sensormodell ist funktionsfähig gekoppelt, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal bereitzustellen, das eine NOx-Abgaskonzentrationsschätzung basierend auf einer tatsächlichen NOx-Konzentration und einer tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases darstellt. Die ECU ist so angeordnet, dass sie auf der Basis der NOx-Konzentrationsschätzung betreibbar ist, um das Abgasnachbehandlungssystem und den Verbrennungsmotor so zu steuern, dass eine Gesamtreduzierung der tatsächlichen NOx-Konzentration mit den Abgasen erreicht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Steuerung für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors für ein Fahrzeug vorgesehen. Das Abgasbehandlungssystem beinhaltet eine selektive Katalysatorreduktion auf der Filter-(SCRF)-Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Verbindung mit den Abgasen des Verbrennungsmotors und weist eine behandelte Abgasabgabe auf. Ein Stickoxid-(Nox)-Sensor ist mit der behandelten Abgasabgabe gekoppelt. Der NOx-Sensor weist ein NOx-Sensor-Ausgangssignal auf, dass NOx und Ammoniak (NH₃) querempfindlich sind, und eine elektronische Steuereinheit (ECU) ist funktionsfähig mit dem Verbrennungsmotor und dem Abgasnachbehandlungssystem gekoppelt. Die Steuerung beinhaltet ein NOx-Sensormodell, das zum Empfangen des NOx-Sensor-Ausgangssignals und eines Abgasmassenstroms sowie zum Bereitstellen eines NOx-Modellsignals an die elektronische Steuereinheit gekoppelt ist. Das NOx-Sensor-Ausgangssignal stellt eine NOx-Abgaskonzentrationsschätzung basierend auf einer tatsächlichen NOx-Konzentration und einer tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases dar. Die ECU ist so angeordnet, dass sie auf der Basis der NOx-Konzentrationsschätzung betreibbar ist, um das Abgasnachbehandlungssystem und den Verbrennungsmotor so zu steuern, dass eine Gesamtreduzierung der tatsächlichen NOx-Konzentration mit den Abgasen erreicht wird.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann das NOx-Modellsignal eine NOx-Abgaskonzentrationsschätzung basierend auf einer linearen Abhängigkeit zwischen der tatsächlichen NOx-Konzentration und der tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases darstellen.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann die Steuerung ein NOx-Sensormodell beinhalten, das einen linearen Abhängigkeitsoperator beinhaltet, der die tatsächliche NOx-Konzentration und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases linear in Beziehung setzt und gekoppelt ist, um das NOx-Sensorausgangssignal und Abgasmassenströmungsdaten zu empfangen und ein NOx-Modellsignal an eine elektronische Steuereinheit bereitzustellen, die funktionsfähig mit dem Abgasnachbehandlungssystem und dem Verbrennungsmotor verbunden ist.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann die Steuerung ein NOx-Sensormodell beinhalten, das einen linearen Abhängigkeitsoperator beinhaltet, der die tatsächliche NOx-Konzentration und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases basierend auf den Abgasmassenströmungsdaten in Beziehung setzt und gekoppelt ist, um das NOx-Sensorausgangssignal und Abgasmassenströmungsdaten zu empfangen und ein NOx-Modellsignal an eine elektronische Steuereinheit bereitzustellen, die funktionsfähig mit dem Abgasnachbehandlungssystem und dem Verbrennungsmotor verbunden ist.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann die Steuerung ein NOx-Sensormodell beinhalten, das einen NOx-Kalibriervektorwert und einen NH₃-Kalibriervektorwert und einen linearen Abhängigkeitsoperator beinhaltet, der die tatsächliche NOx-Konzentration und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases basierend auf dem NOx-Kalibriervektorwert und dem NH₃-Kalibriervektorwert linear in Beziehung setzt. Das NOx-Sensormodell ist gekoppelt, um das NOx-Sensorausgangssignal und Abgasmassenströmungsdaten zu empfangen und ein NOx-Modellsignal an eine elektronische Steuereinheit bereitzustellen, die funktionsfähig mit dem Abgasnachbehandlungssystem und dem Verbrennungsmotor verbunden ist.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann die Steuerung ein NOx-Sensormodell beinhalten, das gekoppelt ist, um das NOx-Sensorausgangssignal und Abgasmassenströmungsdaten zu empfangen und ein NOx-Modellsignal an eine elektronische Steuereinheit bereitzustellen, die funktionsfähig mit dem Abgasnachbehandlungssystem und dem Verbrennungsmotor verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist die ECU so angeordnet, dass sie auf der Basis der NOx-Konzentrationsschätzung betreibbar ist, um das Abgasnachbehandlungssystem und den Verbrennungsmotor so zu steuern, dass eine Gesamtreduzierung der tatsächlichen NOx-Konzentration mit den Abgasen erreicht wird. Das NOx-Sensormodell ist ein Element einer Steuerstruktur mit geschlossenem Regelkreis.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform beinhaltet die Steuerung ein NOx-Sensormodell, das gekoppelt ist, um das NOx-Sensorausgangssignal und Abgasmassenströmungsdaten zu empfangen und ein NOx-Modellsignal an eine elektronische Steuereinheit bereitzustellen, die funktionsfähig mit dem Abgasnachbehandlungssystem und dem Verbrennungsmotor verbunden ist. In dieser Ausführungsform wird das SCRF-Modell ferner bereitgestellt und ist funktionsfähig mit dem NOx-Sensormodell gekoppelt, um das NOx-Modellsignal zu empfangen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Steuern eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors für ein Fahrzeug vorgesehen. Das Abgasbehandlungssystem beinhaltet eine selektive Katalysatorreduktion auf der Filter-(SCRF)-Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Verbindung mit den Abgasen des Verbrennungsmotors und weist eine behandelte Abgasabgabe auf. Ein Stickoxid-(NOx)-Sensor ist mit der behandelten Abgasabgabe gekoppelt. Der NOx-Sensor weist ein Ausgangssignal des NOx-Sensors auf, dass das NOx und Ammoniak (NH₃) querempfindlich ist. Eine elektronische Steuereinheit (ECU) ist betriebsmäßig mit dem Verbrennungsmotor und dem Abgasnachbehandlungssystem gekoppelt. Ein NOx-Sensormodell ist vorgesehen und funktionsfähig mit dem NOx-Sensor gekoppelt. Das Nox-Sensormodell beinhaltet einen linearen Abhängigkeitsoperator. Die tatsächliche NOx-Konzentration und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases werden unter Verwendung des linearen Abhängigkeitsoperators und eines Abgasmassenstroms linear in Beziehung gesetzt, um eine NOx-Konzentrationsschätzung zu erhalten. Die SCRF-Vorrichtung wird im Hinblick auf die NOx-Konzentrationsschätzung so gesteuert, dass sie eine Reduzierung der tatsächlichen NOx-Konzentration der Abgase bewirkt.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform wird die SCRF-Vorrichtung im Hinblick auf die NOx-Konzentrationsschätzung so gesteuert, dass sie eine Reduzierung einer tatsächlichen NOx-Konzentration der Abgase bewirkt, indem sie die NOx-Konzentrationsschätzung an eine elektronische Steuereinheit (ECU) weiterleitet und ein DEF-Einspritzsteuersignal von der ECU an die SCRF-Vorrichtung bereitstellt.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird hierin nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.

1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das ein Abgasnachbehandlungssystem und einen Verbrennungsmotor enthält, die gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen betreibbar sind;
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Nachbehandlungssystem gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht;
3 ist ein Blockdiagrammdarstellung eines NOx-Sensormodells gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform, die innerhalb eines Nachbehandlungssystems betriebsfähig ist, und
4 ist ein Blockdiagramm, das ein Nachbehandlungssystem gemäß einer alternativen hierin beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die Erfindung oder die Anwendung und die Verwendungen der Erfindung nicht einschränken. Darüber hinaus besteht keinerlei Verpflichtung zur Einschränkung auf eine der im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellten Theorien. Exemplarische Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, worin herkömmliche oder allgemein bekannte Elemente der Übersichtlichkeit halber weggelassen werden können.
Einige Ausführungsformen können ein Kraftfahrzeugsystem 10 beinhalten, das, wie in 1 dargestellt, einen Verbrennungsmotor (ICE) 12 mit einem Motorblock in herkömmlicher Bauweise beinhaltet, der mindestens einen Zylinder mit einem Kolben definiert, der zum Drehen einer Kurbelwelle gekoppelt ist. Ein Zylinderkopf arbeitet mit dem Kolben zusammen, um eine Brennkammer zu definieren. Ein Kraftstoff-/Luftgemisch wird in die Brennkammer eingebracht und entzündet, was im Ergebnis eine wechselseitige Bewegung des Kolbens durch die sich ausdehnenden heißen Abgase verursacht. Der Kraftstoff wird durch mindestens eine Kraftstoffeinspritzdüse und die Luft durch mindestens eine Einlassöffnung von einem Ansaugkrümmer zur Verfügung gestellt. Der Kraftstoff wird unter Hochdruck aus dem Kraftstoffverteiler, der in Fluidverbindung mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe zur Druckerhöhung des Kraftstoffs aus einem Kraftstoffquelle verbunden ist, zur Kraftstoffeinspritzdüse geleitet. Jeder der Zylinder weist mindestens zwei Ventile auf, die durch eine Nockenwelle betätigt werden, die sich abgestimmt mit der Kurbelwelle dreht. Die Ventile lassen selektiv Luft in die Brennkammer und alternativ die Abgase durch eine Abgasöffnung entweichen.
Die Luft kann durch den Ansaugkrümmer zu dem/den Einlasskanal/-kanälen transportiert werden. Ein Ansaugkanal kann Umgebungsluft zum Ansaugkrümmer leiten. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Drosselkörper zur Steuerung des Luftstroms zum Ansaugkrümmer verbaut sein. In noch anderen Ausführungsformen können andere Zwangsbelüftungssystem verwendet werden, z. B. ein Turbolader mit einem Kompressor, der rotierend mit einer Turbine verbunden ist. Die Drehung des Kompressors erhöht den Druck und die Temperatur der Luft in dem Kanal und dem Ansaugkrümmer, und ein Ladeluftkühler, der in dem Kanal angeordnet ist, kann vorgesehen sein, um die Temperatur der Luft zu senken.
Die vom ICE 12 erzeugten Abgase 14 werden an ein Abgassystem 16 weitergeleitet, das gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen ein Abgasnachbehandlungssystem 18 mit einer oder mehreren Abgasnachbehandlungsvorrichtungen (nicht in 1 abgebildet) beinhaltet. Die Abgase 14 werden aus dem Nachbehandlungssystem 18 als behandelte Abgase 20 freigesetzt. Die Nachbehandlungsvorrichtungen können jede mögliche Vorrichtung sein, die dank ihrer Auslegung die Zusammensetzung der Abgase 14 ändern kann. Einige Beispiele für Abgasnachbehandlungsvorrichtungen beinhalten, ohne Einschränkung, katalytische Konverter (Zwei- und Dreiwege), wie beispielsweise ein Dieseloxidationskatalysator (DOC), Mager-NOx-Fallen, Kohlenwasserstoffadsorber und selektive katalytische Reduktionssysteme (SCR-Systeme). Das Abgasnachbehandlungssystem 18 kann ferner einen Dieselpartikelfilter (DPF) beinhalten, der mit dem SCR kombiniert werden kann, um ein SCRF-System vorzusehen. Andere Ausführungsformen können ein Abgasrückführungs-(AGR)-System beinhalten, das zwischen dem Abgaskrümmer und dem Ansaugkrümmer verbaut ist. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sind für nahezu jede Kombination von Nachbehandlungsvorrichtungen geeignet, wobei für das Nachbehandlungssystem 18 charakteristisch ist, dass es mehr als eine dieser Vorrichtungen umfasst.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 und nunmehr auch auf 2, zusätzlich zu anderen Nachbehandlungsvorrichtungen, die innerhalb des Nachbehandlungssystems 18 (nicht in 2 abgebildet) vorgesehen sein können, beinhaltet das Nachbehandlungssystem 18 einen SCRF 22. Ein NOx-Sensor 26 ist vorgesehen, um die Zusammensetzung des behandelten Abgases 20 zu überwachen. Der NOx-Sensor 26 stellt Daten in Form eines elektrischen Signalausgangs (NOxmeas) 28 bereit, der eine Konzentration von NOx 32 und Ammoniak (NH3) 34 im behandelten Abgas aus dem SCRF 22 anzeigt und als behandeltes Abgas 20 ausgestoßen wird.
Eine Steuerstruktur 36 ist dem Nachbehandlungssystem 16 funktionsfähig zugeordnet und beinhaltet gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen mindestens eine elektronische Steuereinheit (ECU) 38 und ein NOx-Sensormodell (NSM) 40. Das NSM 40, obwohl eigenständig dargestellt, kann einen Teil einer breiteren Modellstruktur des Nachbehandlungssystems innerhalb der Steuerstruktur 36 bilden oder mit dieser kombiniert werden, und beispielsweise kann das NSM 40 mit einem SCR/SCRF-Modell oder einer Steuerung kombiniert oder eine Komponente davon sein. In der abgebildeten Ausführungsform sind die ECU 38 und das NSM 40 funktionsfähig gekoppelt, um Daten in Form von elektronischen Signalen von einem oder mehreren Sensoren und/oder Vorrichtungen zu empfangen, die dem ICE 12 zugeordnet sind, der als ICE-Sensor dargestellt wird, und Moduldaten, die nachstehend als U_ICE 46 bezeichnet werden. Die ECU 38 kann U_ICE 46 Signale von verschiedenen Sensoren empfangen, die so konfiguriert sind, um im Zusammenhang mit verschiedenen physikalischen Parametern bezogen auf den ICE 12 Signale zu erzeugen. Zu diesen Sensoren gehören ohne Einschränkung ein Luftmassen- und Temperatursensor, ein Krümmerdruck- und Temperatursensor, ein Brennkammerdrucksensor, ein Füllstands- und Temperatursensor für Kühlmittel und Öl, ein Drucksensor in der Kraftstoff-Verteilerleitung, ein Nockenwellensensor, ein Kurbelwellensensor, ein Abgasdruck- und Temperatursensor, ein AGR-Temperatursensor und ein Gaspedalpedal-Stellungssensor. Außerdem kann die ECU 38 Ausgabesignale für verschiedene Steuervorrichtungen erzeugen, zu deren Aufgabe die Steuerung des Betriebs des ICE 12 gehört, darunter ohne Einschränkung die Kraftstoffeinspritzdüsen, des Drosselklappenkörpers und anderen Vorrichtungen, die Teil des Nachbehandlungssystems 18 sind. Die ECU 38 kann des Weiteren zusätzliche Steuereingänge empfangen, wie beispielsweise Umgebungslufttemperatur, Umgebungsdruck, Fahrzeuggeschwindigkeit, gewählter Gang und dergleichen, nachstehend als CIs 44 bezeichnet.
Gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen stellt das ECU 38 mindestens ein DEF-Einspritzsignal 48 bereit, welches das DEF-System (nicht abgebildet) veranlasst, eine gemessene Menge an Dieselabgasfluid oder DEF in den Abgasstrom stromaufwärts des SCRF 22 einzuspritzen. Bekanntermaßen wird das DEF hydrolysiert, um NH₃ zu erzeugen, das mit dem Abgasstrom innerhalb des SCRF 22 umgesetzt wird. Eine Abgasabgabe des SCRF 22 ist Abgas, das hauptsächlich aus N₂ und H₂O besteht, aber auch Komponenten aus NOx 32 und NH₃ 34 aufweist.
Jedes der ECU 38 und das NSM 40 kann eine digitale zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) mit einem Mikroprozessor in Verbindung mit einem Speichersystem oder Datenträger und einem Schnittstellenbus beinhalten. Der Mikroprozessor ist so konfiguriert, dass er die im Speichersystem als Programm gespeicherten Anweisungen ausführt und Signale an den/vom Schnittstellenbus sendet und empfängt. Das Speichersystem kann über verschiedene Speicherarten verfügen, darunter optische Speicher, magnetische Speicher, Festkörperspeicher und andere nicht-flüchtige Speicher. Der Schnittstellenbus kann dafür ausgelegt sein, analoge und/oder digitale Signale zu modulieren und an die verschiedenen Sensoren und Steuergeräte zu senden, bzw. sie von diesen zu empfangen. Das Programm kann die hierin offenbarten Verfahren verkörpern, wodurch die ECU 38 und das NSM 40 diese Verfahren durchführen und den ICE 12 und das Nachbehandlungssystem 18 steuern können. Anstelle einer CPU können die ECU 38 und/oder das NSM 40 einen anderen Prozessortyp zum Bereitstellen der elektronischen Logik aufweisen, z. B. eine eingebettete Steuerung, einen Bordcomputer oder jedes Verarbeitungsmodul, die im Kraftfahrzeugsystem 10 eingesetzt werden kann.
Das im Speichersystem gespeicherte Programm wird von außen über ein Kabel oder drahtlos übertragen. Außerhalb des Automobilsystems 10 ist es normalerweise als ein Computerprogrammprodukt sichtbar, das in der Technik auch als computerlesbares Medium oder maschinenlesbares Medium bezeichnet wird und als ein Computerprogrammcode zu verstehen ist, der sich auf einem Träger befindet, wobei der Träger in der Art ein flüchtig oder nichtflüchtig ist, mit der Konsequenz, dass das Computerprogrammprodukt als flüchtiger oder nichtflüchtig betrachtet werden kann.
Ein Beispiel für ein transitorisches Computerprogrammprodukt ist ein Signal, beispielsweise ein elektromagnetisches Signal, wie etwa ein optisches Signal, das ein transitorischer Träger für den Computerprogrammcode ist. Das Tragen eines solchen Computerprogrammcodes kann durch Modulieren des Signals durch eine herkömmliche Modulationstechnik, wie etwa QPSK für digitale Daten, erreicht werden, sodass dem transitorischen elektromagnetischen Signal binäre Daten, die den Computerprogrammcode darstellen, eingeprägt werden. Derartige Signale werden z. B. bei der drahtlosen Übertragung von Computerprogrammcode über eine Wi-Fi-Verbindung zu einem Laptop verwendet.
Im Falle eines nicht-flüchtigen Computerprogrammprodukts ist der Computerprogrammcode in einem materiellen Speichermedium verkörpert. Das Speichermedium ist dann der oben erwähnte nicht-transitorische Träger, sodass der Computerprogrammcode dauerhaft oder nicht dauerhaft abrufbar in oder auf diesem Speichermedium gespeichert wird. Das Speichermedium kann von herkömmlicher Art sein, wie es in der Computertechnologie bekannt ist, wie etwa ein Flash-Speicher, ein ASIC, eine CD oder dergleichen.
Der NOx-Sensor 26 ist sowohl gegenüber NOx als auch gegenüber NH₃ querempfindlich, und das Datensignal NOxmeas 28 ist eine Funktion der Komponenten von NOx 32 und NH₃ 34, nämlich die tatsächliche Konzentration von NOx oder C_NOx und die tatsächliche Konzentration von NH₃ oder C_NH3 des behandelten Abgases 20 aus dem SCRF 22. Damit ist das NOxmeas 28-Signal selbst nicht ausreichend für die effektive Bestimmung der DEF-Einspritzung. Gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen ist das NSM 40 betreibbar, um einen NOx-Modellkonzentrationswert (NO_XModell) 42 bereitzustellen, der die NOx-Konzentration des Abgases im Abgas für einen gegebenen Abgasmassendurchsatz genau wiedergibt. In einer Implementierung stellt das NSM 40 das NO_XModell 42 Signal als Schätzung im Hinblick auf den linearen Abhängigkeitsoperator (K) der NO_X/NH₃-Querempfindlichkeit für den gegebenen Abgasstrom (m) bereit, der dargestellt werden kann als: $K (\dot{m}) = A \dot{m} + B,$
wobei A und B Kalibrierwerte sind. Des Weiteren, in Anbetracht der linearen Beziehung $N O x m e a s = N O x r e a l + K (\dot{m}) \cdot N H 3$
kann der lineare Abhängigkeitsoperator K gegeben sein als: $K (\dot{m}) = \frac{N O x K a l i b r i e r u n g - N O x r e a l r}{N H_{3} K a l i b r i e r u n g} .$
Somit ist es möglich, den Wert des NO_XModells 42 zu definieren als: $N O x M o d e l l = N O x K a l i b r i e r u n g + K (\dot{m}) \cdot N H_{3} K a l i b r i e r u n g$
wobei NOx-Kalibrierung und NH₃-Kalibrierung Kalibriervektorwerte sind, die durch die Prüfstandkalibrierung bestimmt werden. Die Prüfstandkalibrierung zum Bestimmen der NOx-Kalibrier- und NH₃-Kalibriervektorwerte kann durch Messen der NOx- und NH₃-Konzentrationsniveaus in einem Abgasstrom unter spezieller Steuerung der DEF-Einspritzung mit geeigneten diskreten Gasanalysatoren, Fourier-Transformationsinfrarotspektroskopie (FTIR) oder einem anderen geeigneten Verfahren durchgeführt werden.
3 zeigt grafisch das NSM 40. Bei 100 wird das Produkt aus einem Abgasmassenstrom (m) Wert 102, der direkt gemessen oder aus dem Ansaugmassenstrom abgeleitet werden kann, und dem Kalibrierwert 104 (A) gebildet. Bei 106 wird das resultierende Produkt dem Kalibrierwert 108 (B) hinzugefügt, um den linearen Abhängigkeitsoperator (K) 110 bereitzustellen. Bei 112 wird das Produkt aus dem linearen Abhängigkeitsoperator K und dem NH3-Kalibriervektor 114 gebildet. Bei 116 wird das resultierende Produkt dem NOx-Kalibriervektor 118 hinzugefügt, um den NOx-Modellwert 42 bereitzustellen.
Das NSM 40 kann als eigenständiges Steuerelement implementiert werden, das in der Lage ist, der ECU 38 einen geschätzten NOx-Wert, das NOx-Modell 42, zum Steuern des Nachbehandlungssystems 16 bereitzustellen. Wie in 4 dargestellt, kann das NSM 40 mit einem Modell der selektiven Katalysatorreduktion (SCR) 50 und einem Filter 52 in einem geschlossenen Regelkreis kombiniert werden. Das Modell mit geschlossenem Regelkreis ist ebenfalls funktionsfähig gekoppelt, um das Signal 28 vom NOx-Sensor 26, das DEF-Einspritzsignal 48 und die U_ICE 46 Daten zu empfangen. Das Modell 54 mit geschlossenem Regelkreis ist funktionsfähig konfiguriert, um einen NOx-Konzentrationsgenauigkeitswert bereitzustellen, der die SCRF-Leistung basierend auf dem NOx-Modellwert darstellt. Die ECU 38 kann funktionsfähig als eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis konfiguriert sein, die eine beliebige Steuerstrategie anwendet, um die Bestimmung und Einspritzung von DEF über das DEF-Einspritzsignal 48 durchzuführen, um die geschätzte NOx-Konzentration im emittierten Abgas bei gegebenem U_ICE 46, CIs 44 den geschätzten Ammoniakbedarf 58, die geschätzte Ammoniakkonzentration 60 und den NOx-Modellwert zu optimieren.
Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Variationen gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Erfindung nicht in irgendeiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird den Fachleuten durch die vorstehende ausführliche Beschreibung eine zweckmäßige Roadmap zum Implementieren einer exemplarischen Ausführungsform, wie sie hierin vorgesehen ist, bereitgestellt. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, die in einer exemplarischen Ausführungsform beschrieben sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend: eine selektive Katalysatorreduktion auf einer Filter-(SCRF)-Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Verbindung mit einer Abgasquelle und mit einer behandelten Abgasausgabe; einen Stickoxid-(NOx)-Sensor, der mit der behandelten Abgasausgabe gekoppelt ist, wobei der NOx-Sensor ein NOx-Sensor-Ausgangssignal aufweist, dass NOx und Ammoniak (NH₃) querempfindlich sind; ein NOx-Sensormodell, das gekoppelt ist, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal und ein Abgasmassenströmungsdatensignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal einer elektronischen Steuereinheit bereitzustellen, die funktionsfähig mit dem Abgasnachbehandlungssystem und dem Verbrennungsmotor verbunden ist, worin das NOx-Modellsignal eine Abgas-NOx-Konzentrationsschätzung basierend auf einer tatsächlichen NOx-Konzentration und einer tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases darstellt und die ECU so angeordnet ist, dass sie auf der NOx-Konzentrationsschätzung betreibbar ist, um das Abgasnachbehandlungssystem und den Verbrennungsmotor so zu steuern, dass eine Gesamtreduktion der tatsächlichen NOx-Konzentration mit den Abgasen bewirkt wird.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, worin die Nox-Konzentrationsschätzung auf einer linearen Abhängigkeit zwischen der tatsächlichen Nox-Konzentration und der tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases basiert.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, worin das NOx-Sensormodell einen linearen Abhängigkeitsoperator umfasst, der die tatsächliche NOx-Konzentration und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases linear in Beziehung setzt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, worin das NOx-Sensormodell einen NOx-Kalibriervektorwert und einen NH₃-Kalibriervektorwert und einen linearen Abhängigkeitsoperator umfasst, der die tatsächliche NOx-Konzentration und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases basierend auf dem NOx-Kalibriervektorwert und dem NH3-Kalibriervektorwert linear in Beziehung setzt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend ein SCRF-Modell, das funktionsfähig mit dem Nox-Sensormodell gekoppelt ist, um das Nox-Modellsignal zu empfangen, worin das SCRF-Modell konfiguriert ist, um einen Abgas-NOx-Konzentrationsgenauigkeitswert bereitzustellen, und das NOx-Sensormodell und das SCRF-Modell Elemente einer SCRF-Steuerungsstruktur mit geschlossenem Regelkreis sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, worin das NOx-Sensormodell und die ECU funktionsfähig gekoppelt sind, um einen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors zu empfangen, worin das NOx-Sensormodell und die ECU ferner so angeordnet sind, dass sie nach dem Betriebsparameter betreibbar sind, um das Abgasnachbehandlungssystem und den Verbrennungsmotor so zu steuern, dass eine Gesamtreduktion der tatsächlichen NOx-Konzentration mit den Abgasen bewirkt wird.
Fahrzeug, umfassend ein Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1.
Steuerung für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors, wobei das Abgasbehandlungssystem eine selektive Katalysatorreduktion auf einer Filter-(SCRF)-Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Verbindung mit Abgasen des Verbrennungsmotors beinhaltet und eine behandelte Abgasabgabe aufweist, einen Stickoxid-(NOx)-Sensor, der mit der behandelten Abgasabgabe gekoppelt ist, wobei der NOx-Sensor ein NOx-Sensor-Ausgangssignal aufweist, dass NOx und Ammoniak (NH₃) querempfindlich sind, und eine elektronische Steuereinheit (ECU), die funktionsfähig mit dem Verbrennungsmotor und dem Abgasnachbehandlungssystem gekoppelt ist, wobei die Steuerung Folgendes umfasst: ein NOx-Sensormodell, das gekoppelt ist, um das NOx-Sensor-Ausgangssignal und ein Abgasmassenströmungsdatensignal zu empfangen und ein NOx-Modellsignal an eine elektronische Steuereinheit bereitzustellen, die funktionsfähig mit dem Abgasnachbehandlungssystem und dem Verbrennungsmotor verbunden ist, worin das NOx-Modellsignal eine Abgas-NOx-Konzentrationsschätzung basierend auf einer tatsächlichen NOx-Konzentration und einer tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases darstellt und die ECU so angeordnet ist, dass sie auf der NOx-Konzentrationsschätzung betreibbar ist, um das Abgasnachbehandlungssystem und den Verbrennungsmotor so zu steuern, dass eine Gesamtreduktion der tatsächlichen NOx-Konzentration mit den Abgasen bewirkt wird.
Steuerung nach Anspruch 8, worin das NOx-Sensormodell einen NOx-Kalibriervektorwert und einen NH₃-Kalibriervektorwert und einen linearen Abhängigkeitsoperator umfasst, der die tatsächliche NOx-Konzentration und die tatsächliche NH₃-Konzentration des Abgases basierend auf dem NOx-Kalibriervektorwert und dem NH3-Kalibriervektorwert linear in Beziehung setzt.
Verfahren zum Steuern eines Abgasnachbehandlungssystems eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors, wobei das Abgasbehandlungssystem eine selektive Katalysatorreduktion auf einer Filter-(SCRF)-Abgasnachbehandlungsvorrichtung in Verbindung mit Abgasen des Verbrennungsmotors beinhaltet und eine behandelte Abgasabgabe aufweist, einen Stickoxid-(NOx)-Sensor, der mit der behandelten Abgasabgabe gekoppelt ist, wobei der NOx-Sensor ein NOx-Sensor-Ausgangssignal aufweist, dass NOx und Ammoniak (NH3) querempfindlich sind, und eine elektronische Steuereinheit (ECU), die funktionsfähig mit dem Verbrennungsmotor und dem Abgasnachbehandlungssystem gekoppelt ist, wobei die Steuerung Folgendes umfasst: Bereitstellen eines NOx-Sensormodells, das funktionsfähig mit dem NOx-Sensor gekoppelt ist und einen linearen Abhängigkeitsoperator beinhaltet; lineares in Beziehung setzen der tatsächlichen NOx-Konzentration und der tatsächlichen NH₃-Konzentration des Abgases unter Verwendung des linearen Abhängigkeitsoperators und eines Abgasmassenstroms, um eine NOx-Konzentrationsschätzung bereitzustellen; und Steuern der SCRF-Vorrichtung im Hinblick auf die Schätzung der NOx-Konzentration, um eine Reduzierung der tatsächlichen NOx-Konzentration der Abgase zu bewirken.