DE102012209469B4

DE102012209469B4 - Verfahren zum Bestimmen einer Ammoniakerzeugungsrate in einem Dreiwege-Katalysator

Info

Publication number: DE102012209469B4
Application number: DE102012209469.5A
Authority: DE
Inventors: Min Sun; Kevin L. Perry; Chang H. Kim
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2015-03-26
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: CN102817675A; US8919099B2; CN102817675B; DE102012209469A1; US20120311998A1

Abstract

Verfahren umfassend, dass: eine Ammoniakerzeugungsrate in einem Dreiwege-Katalysator auf der Basis von Reaktionswirkungsgraden und Reaktandenkonzentrationen der folgenden sieben Reaktionen bestimmt wird: 2CO + O2 = 2CO2;(1) 2H2 + O2 = 2H2O;(2) 4HC + 5O2 = 4CO2 + 2H2O;(3) 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O;(4) 2HC + H2O = 2CO + 3H2;(5) 2CO + 2NO = 2CO2 + N2;(6)und 5H2 + 2NO = 2NH3 + 2H2O,(7)wobei der jeweilige Reaktionswirkungsgrad für die Reaktionen (1) bis (7) bestimmt wird, indem ein erster Wirkungsgrad auf der Basis der Abgastemperatur, der Dauer der jeweiligen Reaktion und einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Reaktionsdauer bestimmt wird, ein zweiter Wirkungsgrad auf der Basis des ersten Wirkungsgrads, eines ersten Eingangswerts und einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem ersten Wirkungsgrad und dem ersten Eingangswert bestimmt wird und ein dritter Wirkungsgrad auf der Basis des zweiten Wirkungsgrads, eines Verhältnisses eines zweiten Eingangswerts zu einer Summe aus den ersten und zweiten Eingangswerten und einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem zweiten Wirkungsgrad und dem Verhältnis bestimmt wird, wobei für die Reaktionen (1) bis (4), (6) und (7) der jeweilige Reaktionswirkungsgrad dem dritten Wirkungsgrad entspricht und für die Reaktion (5) der Reaktionswirkungsgrad dem ersten Wirkungsgrad entspricht, und wobei für die Reaktionen (1) bis (4) der erste Eingangswert die Sauerstoffkonzentration, für die Reaktion (1) der zweite Eingangswert die Kohlenmonoxidkonzentration, für die Reaktion (2) der zweite Eingangswert die Wasserstoffkonzentration, für die Reaktion (3) der zweite Eingangswert die Kohlenwasserstoffkonzentration, für die Reaktion (4) der zweite Eingangswert die Ammoniakkonzentration, für die Reaktionen (6) und (7) der erste Eingangswert ...

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenlegung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Ammoniakerzeugungsrate in einem Dreiwege-Katalysator.
HINTERGRUND
Dreiwege-Katalysatoren und solche zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR, von selective catalytic reduction) reduzieren Emissionen in einem Abgas aus einem Motor. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors fett oder stöchiometrisch ist, reduziert der Dreiwege-Katalysator Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoffoxid und erzeugt Ammoniak, und der SCR-Katalysator speichert den Ammoniak. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist, reduziert der Dreiwege-Katalysator Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid, und der in dem SCR-Katalysator gespeicherte Ammoniak wird verwendet, um Stickstoffoxid zu reduzieren. Somit verringert sich die in dem SCR-Katalysator gespeicherte Menge von Ammoniak, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist.
Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist typischerweise auf mager eingestellt, um die Kraftstoffökonomie zu verbessern. Passive SCR-Systeme können das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von mager zu fett schalten, um die Ammoniakspeicherniveaus in dem SCR-Katalysator zu erhöhen. Aktive SCR-Systeme spritzen ein Dosiermittel wie z. B. Harnstoff in das Abgas ein, um die Ammoniakspeicherniveaus in dem SCR-Katalysator zu erhöhen. Das Dosiermittel spaltet sich auf, um Ammoniak zu bilden, der in dem SCR-Katalysator gespeichert wird.
Herkömmliche Katalysatoranlagen sind aus den Druckschriften DE 10 2009 054 046 A1 und DE 100 41 891 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Ammoniakerzeugungsrate in einem Dreiwege-Katalysator auf der Basis von Reaktionswirkungsgraden und Reaktandenkonzentrationen der folgenden sieben Reaktionen bestimmt: 2CO + O₂ = 2CO₂; (1) 2H₂ + O₂ = 2H₂O; (2) 4HC + 5O₂ = 4CO₂ + 2H₂O; (3) 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O; (4) 2HC + H₂O = 2CO + 3H₂; (5) 2CO + 2NO = 2CO₂ + N₂; (6) und 5H₂ + 2NO = 2NH₃ + 2H₂O. (7)
Der jeweilige Reaktionswirkungsgrad für die Reaktionen (1) bis (7) wird bestimmt, indem ein erster Wirkungsgrad auf der Basis der Abgastemperatur, der Dauer der jeweiligen Reaktion und einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Reaktionsdauer bestimmt wird, ein zweiter Wirkungsgrad auf der Basis des ersten Wirkungsgrads, eines ersten Eingangswerts und einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem ersten Wirkungsgrad und dem ersten Eingangswert bestimmt wird und ein dritter Wirkungsgrad auf der Basis des zweiten Wirkungsgrads, eines Verhältnisses eines zweiten Eingangswerts zu einer Summe aus den ersten und zweiten Eingangswerten und einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem zweiten Wirkungsgrad und dem Verhältnis bestimmt wird. Für die Reaktionen (1) bis (4), (6) und (7) entspricht der jeweilige Reaktionswirkungsgrad dem dritten Wirkungsgrad und für die Reaktion (5) entspricht der Reaktionswirkungsgrad dem ersten Wirkungsgrad. Für die Reaktionen (1) bis (4) ist der erste Eingangswert die Sauerstoffkonzentration, für die Reaktion (1) ist der zweite Eingangswert die Kohlenmonoxidkonzentration, für die Reaktion (2) ist der zweite Eingangswert die Wasserstoffkonzentration, für die Reaktion (3) ist der zweite Eingangswert die Kohlenwasserstoffkonzentration, für die Reaktion (4) ist der zweite Eingangswert die Ammoniakkonzentration, für die Reaktionen (6) und (7) ist der erste Eingangswert die Stickstoffoxidkonzentration, für die Reaktion (6) ist der zweite Eingangswert die Kohlenmonoxidkonzentration und für die Reaktion (7) ist der zweite Eingangswert die Wasserstoffkonzentration.
Weiterhin wird ein Ammoniakspeicherniveau in einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) auf der Basis der Ammoniakerzeugungsrate bestimmt, wobei der SCR-Katalysator unterstromig von dem Dreiwege-Katalysator positioniert ist, und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Motors wird auf der Basis des Ammoniakspeicherniveaus gesteuert.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Offenlegung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Offenlegung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 ein funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften Motorsystems in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung ist;
2 ein funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften Steuersystems in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung ist;
3 eine schematische Darstellung ist, welche beispielhafte Abläufe veranschaulicht, die von einem in dem beispielhaften Steuersystem von 2 umfassten Wirkungsgradbestimmungsmodul ausgeführt werden; und
4 ein Flussdiagramm ist, welches ein beispielhaftes Verfahren in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die nachfolgende Beschreibung ist lediglich von illustrativer Natur. Zum besseren Verständnis werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugsziffern verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Wie hierin verwendet, ist die Phrase zumindest eines von A, B und C so zu verstehen, dass damit eine Logik (A oder B oder C) gemeint ist, die ein nicht ausschließendes logisches „oder” verwendet. Es sollte einzusehen sein, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenlegung zu verändern.
Wie hierin verwendet, kann sich der Ausdruck Modul auf einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC); eine elektronische Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA); einen Prozessor (mehrfach genutzt, dediziert oder Gruppe), der einen Code ausführt; andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination einiger oder aller der oben Genannten, z. B. in einem chipintegrierten System, beziehen, Teil davon sein oder diese umfassen. Der Begriff Modul kann einen Speicher (mehrfach genutzt, dediziert oder Gruppe) umfassen, der den von dem Prozessor ausgeführten Code speichert.
Der Ausdruck Code, wie oben verwendet, kann eine/n Software, Firmware und/oder Mikrocode umfassen und kann sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff mehrfach genutzt, wie oben verwendet, bedeutet, dass etwas von dem oder der gesamte Code von mehreren Modulen mithilfe eines einzigen (mehrfach genutzten) Prozessors ausgeführt werden kann. Außerdem kann etwas von dem oder der gesamte Code von mehreren Modulen von einem einzelnen (mehrfach genutzten) Speicher gespeichert werden. Der Ausdruck Gruppe, wie oben verwendet, bedeutet, dass etwas von dem oder der gesamte Code von einem einzelnen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Prozessoren oder einer Gruppe von ausführenden Maschinen ausgeführt werden kann. Es können z. B. mehrere Kerne und/oder mehrere Threads eines Prozessors als ausführende Maschinen betrachtet werden. In verschiedenen Ausführungen können ausführende Maschinen über einen Prozessor hinweg, über mehrere Prozessoren hinweg und über Prozessoren an mehreren Orten, wie z. B. mehrere Server in einer parallelen Verarbeitungsanordnung, hinweg gruppiert sein. Überdies kann etwas von dem oder der gesamte Code von einem einzelnen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Speichern gespeichert werden.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können von einem oder mehreren Computerprogrammen umgesetzt werden, welche/s von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird/werden. Die Computerprogramme umfassen von einem Prozessor ausführbare Anweisungen, die in einem nicht transitorischen, physischen, computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten enthalten. Nicht einschränkende Beispiele für das nicht transitorische, physische, computerlesbare Medium sind ein permanenter Speicher, eine magnetische Speicherung und ein optisches Speichersystem.
Die Motorsteuersysteme können ein Ammoniakspeicherniveau in einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) bestimmen und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Motors auf der Basis des Ammoniakspeicherniveaus steuern. Das Ammoniakspeicherniveau kann auf der Basis von Raten bestimmt werden, mit denen Ammoniak und Stickstoffoxid in einem Dreiwege-Katalysator (TWC, von three-way catalyst) oberstromig von dem SCR-Katalysator produziert werden. Diese Mengen können auf der Basis von Ammoniakkonzentrationen und Stickstoffoxidkonzentrationen bestimmt werden, die an einem Auslass des TWC gemessen werden. Allerdings erfordert das Messen von Ammoniakkonzentrationen und Stickstoffoxidkonzentrationen an einem Auslass eines TWC einen oder mehrere Sensoren, was die Fahrzeugkosten erhöhen kann.
Es wurden mathematische Modelle entwickelt, welche die Reaktionsraten in einem TWC schätzen. Diese mathematischen Modelle sind jedoch komplex und benötigen beträchtliche/n Rechenzeit und Speicher. Somit können diese mathematischen Modelle unter Umständen nicht zur Verwendung in Motorsteuersystemen in einem Fahrzeug geeignet sein, welche Echtzeit-Schätzungen der Ammoniak- und Stickstoffoxiderzeugungsraten erfordern und begrenzte Speichermengen aufweisen.
Ein Steuersystem und -verfahren gemäß der vorliegenden Offenlegung bestimmt auf eine vereinfachte Weise, welche verglichen mit bestehenden Verfahren weniger Rechenzeit und Speicher benötigt, Raten von Reaktionen in einem TWC, einschließlich einer Ammoniakerzeugungsrate. Als Erstes werden Raten von Reaktionen mit Sauerstoff als einem Reaktanden bestimmt. Als Zweites wird eine Rate einer Reaktion mit Kohlenwasserstoff als einem Reaktanden auf der Basis der Sauerstoffreaktionsraten bestimmt. Als Drittes werden Raten von Reaktionen mit Stickstoffoxid als einem Reaktanden auf der Basis der Sauerstoffreaktionsrate und der Kohlenwasserstoffreaktionsrate bestimmt.
Die Reaktionsraten werden auf der Basis von Reaktionswirkungsgraden bestimmt, welche in mehreren Schritten bestimmt werden können. Basiswirkungsgrade können auf der Basis einer Abgastemperatur und einer Zeitdauer, in der ein oder mehrere Reaktand/en in dem TWC vorhanden ist/sind und welche als eine Reaktionsdauer bezeichnet werden kann, bestimmt werden. Die Reaktionswirkungsgrade können auf der Basis der Basiswirkungsgrade und der Reaktandenkonzentrationen in dem TWC bestimmt werden.
Die Bestimmung der TWC-Reaktionsraten in der oben beschriebenen Weise reduziert verglichen mit bestehenden Verfahren Rechenzeit und Speicher, was eine Echtzeitbestimmung der TWC-Reaktionsraten in einem Fahrzeug ermöglicht. Auf der Basis der TWC-Reaktionsraten kann wiederum ein Ammoniakspeicherniveau in einem SCR-Katalysator, der unterstromig von dem TWC positioniert ist, bestimmt werden, und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Motors kann auf der Basis des Ammoniakspeicherniveaus gesteuert werden. Darüber hinaus können die TWC-Reaktionsraten mit vorbestimmten Kriterien verglichen werden, und es können Funktionsbeeinträchtigungen eines TWC auf der Basis des Vergleichs erkannt werden. Des Weiteren eliminiert die Bestimmung der TWC-Reaktionsraten in der oben beschriebenen Weise die Notwendigkeit eines Sensors, der Ammoniak- und Stickstoffoxidkonzentrationen an einem Auslass eines TWC misst, was Fahrzeugkosten verringert.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften Motorsystems 100 dargestellt. Das Motorsystem 100 umfasst einen Motor 102, der ein Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennt, um auf der Basis einer Fahrereingabe von einem Fahrereingabemodul 104 ein Antriebsdrehmoment für ein Fahrzeug zu produzieren. Luft wird durch ein Einlasssystem 106 hindurch in den Motor 102 hinein gesaugt. Rein beispielhaft kann das Einlasssystem 106 einen Einlasskrümmer 108 und eine Drosselklappe 110 umfassen. Rein beispielhaft kann die Drosselklappe 110 ein Klappenventil mit einem drehbaren Flügel umfassen. Ein Motorsteuermodul (ECM von engine control module) 112 steuert ein Drosselklappenstellermodul 116, welches das Öffnen der Drosselklappe 110 regelt, um die Luftmenge zu steuern, die in den Einlasskrümmer 108 hinein gesaugt wird.
Die Luft aus dem Einlasskrümmer 108 wird in die Zylinder des Motors 102 hinein gesaugt. Wenngleich der Motor 102 mehrere Zylinder umfassen kann, ist zu Illustrationszwecken ein einziger repräsentativer Zylinder 114 gezeigt. Rein beispielhaft kann der Motor 102 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und/oder 12 Zylinder umfassen. Das ECM 112 kann einige der Zylinder deaktivieren, was die Kraftstoffökonomie unter bestimmten Motorbetriebszuständen verbessern kann.
Der Motor 102 kann mittels eines Viertaktprozesses arbeiten. Die nachfolgend beschriebenen vier Hübe werden als der Einlasshub, der Verdichtungshub, der Verbrennungshub und der Auslasshub bezeichnet. Während jeder Umdrehung einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) finden zwei der vier Hübe innerhalb des Zylinders 114 statt. Es sind daher zwei Kurbelwellenumdrehungen erforderlich, damit der Zylinder 114 alle vier von den Hüben erfährt.
Während des Einlasshubes wird Luft aus dem Einlasskrümmer 108 durch ein Einlassventil 118 hindurch in den Zylinder 114 hinein gesaugt. Das ECM 112 steuert ein Kraftstoffaktuatormodul 120, welches die Kraftstoffeinspritzung regelt, um ein gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen. Kraftstoff kann an einer zentralen Stelle oder an mehreren Stellen, z. B. nahe bei dem Einlassventil 118 eines jeden der Zylinder, in den Einlasskrümmer 108 eingespritzt werden. In verschiedenen Ausführungen (nicht gezeigt) kann Kraftstoff direkt in die Zylinder oder in Mischkammern, die den Zylindern zugeordnet sind, eingespritzt werden. Das Kraftstoffaktuatormodul 120 kann das Einspritzen von Kraftstoff an Zylinder, die deaktiviert sind, unterbrechen.
Der eingespritzte Kraftstoff mischt sich mit Luft und erzeugt ein Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Zylinder 114. Während des Verdichtungshubes verdichtet ein Kolben (nicht gezeigt) in dem Zylinder 114 das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Der Motor 102 kann ein Selbstzündungsmotor sein, wobei in diesem Fall die Verdichtung in dem Zylinder 114 das Luft/Kraftstoff-Gemisch zündet. Alternativ kann der Motor 102 ein Fremdzündungsmotor sein, wobei in diesem Fall ein Zündfunkenaktuatormodul 122 eine Zündkerze 124 in dem Zylinder 114 auf der Basis eines Signals von dem ECM 112 mit Energie beaufschlagt, was das Luft/Kraftstoff-Gemisch zündet. Die Zeitpunktverstellung des Zündfunkens kann in Bezug auf den Zeitpunkt festgelegt sein, wenn sich der Kolben an seiner obersten Stellung befindet, die als der obere Totpunkt (OT) bezeichnet wird.
Das Zündfunkenaktuatormodul 122 kann durch ein Zeitpunktverstellungssignal gesteuert werden, welches festlegt, wie weit vor oder nach dem OT der Zündfunke erzeugt werden soll. Da die Kolbenstellung direkt mit der Kurbelwellenrotation in Beziehung steht, kann der Betrieb des Zündfunkenaktuatormoduls 122 mit dem Kurbelwellenwinkel synchronisiert sein. In verschiedenen Ausführungen kann das Zündfunkenaktuatormodul 122 die Bereitstellung eines Zündfunkens an deaktivierte Zylinder unterbrechen.
Das Erzeugen des Zündfunkens kann als ein Zündvorgang bezeichnet werden. Das Zündfunkenaktuatormodul 122 kann die Fähigkeit besitzen, die Zeitpunktverstellung des Zündfunkens für jeden Zündvorgang zu variieren. Das Zündfunkenaktuatormodul 122 kann sogar in der Lage sein, die Zündzeitpunktverstellung für einen nächsten Zündvorgang zu variieren, wenn das Zündzeitpunktverstellungssignal zwischen einem letzten Zündvorgang und dem nächsten Zündvorgang geändert wird Während des Verbrennungshubes treibt die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches den Kolben nach unten und treibt dadurch die Kurbelwelle an. Der Verbrennungshub kann als die Zeit, zwischen welcher der Kolben den OT erreicht und der Zeit, zu welcher der Kolben zu dem unteren Totpunkt (UT) zurückkehrt, definiert sein.
Während des Auslasshubes beginnt sich der Kolben von dem UT nach oben zu bewegen und stößt die Nebenprodukte der Verbrennung durch ein Auslassventil 126 hindurch aus. Die Nebenprodukte der Verbrennung werden aus dem Fahrzeug über ein Abgassystem 128 ausgestoßen.
Das Motorsystem 100 kann eine Aufladungsvorrichtung umfassen, die mit Druck beaufschlagte Luft an den Einlasskrümmer 108 bereitstellt. 1 zeigt z. B. einen Turbolader, der eine heiße Turbine 130-1 umfasst, die mit heißen Abgasen, welche durch das Abgassystem 128 hindurch strömen, gespeist wird. Der Turbolader umfasst auch einen durch die Turbine 130-1 angetriebenen Kaltluftverdichter 130-2, der Luft verdichtet, welche in die Drosselklappe 110 hinein führt. In verschiedenen Ausführungen kann ein Lader (nicht gezeigt), der durch die Kurbelwelle angetrieben wird, Luft aus der Drosselklappe 110 verdichten und die verdichtete Luft an den Einlasskrümmer 108 liefern.
Ein Ladedruck-Regelventil 132 kann zulassen, dass Abgas die Turbine 130-1 umgeht, um dadurch den Ladedruck (das Ausmaß der Einlassluftverdichtung) des Turboladers zu reduzieren. Das ECM 112 kann den Ladedruck des Turboladers durch Steuern der Position des Ladedruck-Regelventils 132 modulieren. In verschiedenen Ausführungen können mehrere Turbolader durch das ECM 112 gesteuert werden. Der Turbolader kann eine variable Geometrie aufweisen, die durch das ECM 112 gesteuert werden kann.
Ein Ladeluftkühler (nicht gezeigt) kann einen Teil der in der verdichteten Luftladung enthaltenen Wärme abführen, die erzeugt wird, wenn die Luft verdichtet wird. Die verdichtete Luftladung kann auch aufgenommene Wärme von Komponenten des Abgassystems 128 aufweisen. Wenngleich zu Illustrationszwecken getrennt gezeigt, können die Turbine 130-1 und der Verdichter 130-2 aneinander angebracht sein, um die Einlassluft knapp neben heißem Abgas anzuordnen.
Das Motorsystem 100 kann ein Abgasrückführungs(AGR)-Ventil 134 umfassen, welches Abgas selektiv zu dem Einlasskrümmer 108 zurück leitet. Das AGR-Ventil 134 kann oberstromig der Turbine 130-1 des Turboladers angeordnet sein. Das AGR-Ventil 134 kann durch das ECM 112 gesteuert werden.
Das Abgassystem 128 umfasst einen Dreiwege-Katalysator (TWC) 136 und einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) 138. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors 102 fett oder stöchiometrisch ist, reduziert der TWC 136 Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoffoxid und erzeugt Ammoniak, und der SCR-Katalysator 138 speichert den Ammoniak. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist, reduziert der TWC 136 Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid, und der in dem SCR-Katalysator 138 gespeicherte Ammoniak wird verwendet, um Stickstoffoxid zu reduzieren.
Die Stellung der Kurbelwelle kann mithilfe eines Kurbelwellenpositions(CPS, von crankshaft position)-Sensors 140 gemessen werden. Das ECM 112 kann die Drehzahl der Kurbelwelle (d. h. die Motordrehzahl) auf der Basis der Kurbelwellenposition bestimmen. Die Temperatur des Motorkühlmittels kann mithilfe eines Motorkühlmitteltemperatur(ECT, von engine coolant temperature)-Sensors 142 gemessen werden. Der ECT-Sensor 142 kann innerhalb des Motors 102 oder an anderen Stellen, wo das Kühlmittel zirkuliert wird, z. B. einem Kühler (nicht gezeigt), angeordnet sein.
Der Druck innerhalb des Einlasskrümmers 108 kann mithilfe eines Krümmerabsolutdruck(MAP, von manifold absolute pressure)-Sensors 144 gemessen werden. In verschiedenen Ausführungen kann der Motorunterdruck, welcher die Differenz zwischen einem Umgebungsluftdruck und dem Druck innerhalb des Einlasskrümmers 108 darstellt, gemessen werden. Der Massendurchsatz von Luft, die in den Einlasskrümmer 108 hinein strömt, kann mithilfe eines Luftmassen(MAF, von mass air flow)-Sensors 146 gemessen werden. In verschiedenen Ausführungen kann der MAF-Sensor 146 in einem Gehäuse angeordnet sein, welches auch die Drosselklappe 110 umfasst. Das Drosselklappenstellermodul 116 kann die Stellung der Drosselklappe 110 mithilfe eines oder mehrerer Drosselklappenpositionssensoren (TPS, von throttle position sensor) 148 überwachen. Die Umgebungstemperatur der Luft, die in den Motor 102 hinein gesaugt wird, kann mithilfe eines Einlasslufttemperatur(IAT, von intake air temperature)-Sensors 150 gemessen werden.
Eine Sauerstoffkonzentration in dem Abgas aus dem Motor 102 kann mithilfe eines Sauerstoff(O2)-Sensors 152 gemessen werden. Der O2-Sensor 152 kann oberstromig von dem TWC 136 oder an einem Einlass des TWC 136 positioniert sein. Das ECM 112 kann ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors auf der Basis der Sauerstoffkonzentration bestimmen. Stickstoffoxid- und/oder Ammoniakkonzentrationen in dem Abgas aus dem Motor 102 können mithilfe eines Stickstoffoxid(NOx)-Sensors 154 gemessen werden. Der NOx-Sensor 154 kann oberstromig von dem TWC 136 oder an dem Einlass des TWC 136 positioniert sein. Die Temperatur des Abgases aus dem Motor 102 kann mithilfe eines Abgastemperatur(EGT, von exhaust gas temperarature)-Sensors 156 gemessen werden. Der EGT-Sensor 156 kann oberstromig von dem TWC 136 oder in dem TWC 136 positioniert sein.
Das ECM 112 kann Signale von den Sensoren verwenden, um Steuerentscheidungen für das Motorsystem 100 zu treffen und/oder eine Funktionsbeeinträchtigung in dem Motorsystem 100 zu erkennen. Das ECM 112 kann eine Funktionsbeeinträchtigungs-Anzeigeleuchte (MIL, von malfunction indicator light) 158 aktivieren, um einen Fahrer über eine Funktionsbeeinträchtigung in dem Motorsystem 100 zu benachrichtigen. Wenngleich die MIL 158 als eine Leuchte bezeichnet wird, kann ein anderes Medium als Licht, z. B. ein Geräusch oder eine Vibration, verwendet werden, um den Fahrer zu benachrichtigen. Das ECM 112 kann eine Ammoniakerzeugungsrate in dem TWC 136 bestimmen, auf der Basis der Ammoniakerzeugungsrate ein Ammoniakspeicherniveau in dem SCR-Katalysator 138 bestimmen und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors 102 auf der Basis des Ammoniakspeicherniveaus steuern.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst das ECM 112 ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis(AFR, von air/fuel ratio)-Bestimmungsmodul 202, ein Drehzahlbestimmungsmodul 204 und ein Reaktandenkonzentrationsbestimmungsmodul 206. Das AFR-Bestimmungsmodul 202 bestimmt ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors 102 auf der Basis eines von dem O2-Sensor 152 empfangenen Einganges. Das Drehzahlbestimmungsmodul 204 bestimmt die Motordrehzahl auf der Basis eines von dem CPS-Sensor 140 empfangenen Einganges. Das AFR-Bestimmungsmodul 202 gibt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus und das Drehzahlbestimmungsmodul 204 gibt die Motordrehzahl aus.
Das Reaktandenkonzentrationsb stimmungsmodul 206 bestimmt Konzentrationen von Reaktanden in dem TWC 136, wie z. B. Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoff, Stickstoffoxid und Ammoniak. Das Reaktandenkonzentrationsbestimmungsmodul 206 kann Sauerstoffkonzentrationen auf der Basis eines von dem O2-Sensor 152 empfangenen Einganges bestimmen. Das Reaktandenkonzentrationsbestimmungsmodul 206 kann Kohlenmonoxidkonzentrationen und Wasserstoffkonzentrationen auf der Basis von Motorbetriebszuständen wie z. B. des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, der Motordrehzahl, eines Abgasdurchsatzes und einer Abgastemperatur bestimmen. Der Abgasdurchsatz und die Abgastemperatur können auf der Basis eines von dem MAF-Sensor 146 bzw. dem EGT-Sensor 156 empfangenen Einganges bestimmt werden. Die Abgastemperatur kann auf der Basis einer Wärmemenge erhöht werden, die während Reaktionen in dem TWC 136 freigesetzt wird.
Das Reaktandenkonzentrationsbestimmungsmodul 206 kann Stickstoffoxidkonzentrationen und Ammoniakkonzentrationen auf der Basis eines von dem NOx-Sensor 154 empfangenen Einganges bestimmen. Der von dem NOx-Sensor 154 empfangene Eingang kann die Stickstoffoxidkonzentrationen wiedergeben, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist, und die Ammoniakkonzentrationen wiedergeben, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist. Alternativ kann das Reaktandenkonzentrationsbestimmungsmodul 206 die Stickstoffoxidkonzentrationen und die Ammoniakkonzentrationen auf der Basis der Motorbetriebszustände bestimmen.
Ein Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 bestimmt Wirkungsgrade von Reaktionen, z. B. der folgenden sieben Reaktionen, in dem TWC 136: 2CO + O₂ = 2CO₂; (1) 2H₂ + O₂ = 2H₂O; (2) 4HC + 5O₂ = 4CO₂ + 2H₂O; (3) 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O; (4) 2HC + H₂O = 2CO + 3H₂; (5) 2CO + 2NO = 2CO₂ + N₂; (6) und 5H₂ + 2NO = 2NH₃ + 2H₂O. (7)
Auf Grund der beteiligten Reaktanden können die Reaktionen (1) bis (4) als Sauerstoffreaktionen bezeichnet werden, die Reaktion (5) kann als eine Kohlenwasserstoffreaktion bezeichnet werden und die Reaktionen (6) und (7) können als Stickstoffoxidreaktionen bezeichnet werden.
Das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 kann die Reaktionswirkungsgrade auf der Basis der Abgastemperatur, der Reaktandenkonzentrationen und einer Reaktionsdauer, während der die Reaktanden in dem TWC 136 vorhanden sind, bestimmen. Das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 kann die Reaktionsdauer auf der Basis des Abgasdurchsatzes und eines Porenvolumens des TWC 136 bestimmen. Das Porenvolumen des TWC 136 ist das gesamte innere Volumen des TWC 136 ohne das Volumen des Substrats in dem TWC 136.
Das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 kann die Reaktionswirkungsgrade auf der Basis einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Abgastemperatur, der Reaktionsdauer, der Reaktandenkonzentrationen und der Reaktionswirkungsgrade bestimmen. Die vorbestimmte Beziehung kann vier Dimensionen besitzen, welche der Abgastemperatur, der Reaktionsdauer und den zwei Reaktandenkonzentrationen entsprechen.
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 3 kann das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 einen Reaktionswirkungsgrad 302 in mehreren Schritten bestimmen, um Rechenzeit und Speicher zu sparen. Das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 kann den Reaktionswirkungsgrad 302 basierend auf einen Basis- oder ersten Wirkungsgrad 304, einen zweiten Wirkungsgrad 306 und einen dritten Wirkungsgrad 308 bestimmen. Der erste Wirkungsgrad 304 kann auf der Basis eines ersten Einganges 310, eines zweiten Einganges 312 und einer vorbestimmten Beziehung 314 zwischen dem ersten Eingang 310 und dem zweiten Eingang 312 bestimmt werden. Der erste Eingang 310 kann z. B. die Abgastemperatur sein, und der zweite Eingang 312 kann die Reaktionsdauer sein. Die vorbestimmte Beziehung 314 kann als eine Gleichung und/oder eine Nachschlagtabelle ausgeführt sein und kann zwei Dimensionen besitzen, welche dem ersten Eingang 310 und dem zweiten Eingang 312 entsprechen.
Der zweite Wirkungsgrad 306 kann auf der Basis des ersten Wirkungsgrades 304, eines dritten Einganges 316 und einer vorbestimmten Beziehung 318 zwischen dem ersten Wirkungsgrad 304, dem dritten Eingang 316 und dem zweiten Wirkungsgrad 306 bestimmt werden. Für die Reaktion (1) kann der dritte Eingang 316 z. B. die Sauerstoffkonzentration sein. Die vorbestimmte Beziehung 318 kann als eine Gleichung und/oder eine Nachschlagtabelle ausgeführt sein und kann zwei Dimensionen besitzen, welche dem ersten Wirkungsrad 304 und dem dritten Eingang 316 entsprechen.
Der dritte Wirkungsgrad 308 kann auf der Basis des zweiten Wirkungsgrades 306, eines Verhältnisses 320 und einer vorbestimmten Beziehung 322 zwischen dem zweiten Wirkungsgrad 306, dem Verhältnis 320 und dem dritten Wirkungsgrad 308 bestimmt werden. Das Verhältnis 320 ist ein Verhältnis eines vierten Einganges 324 zu einer Summe aus dem dritten Eingang 316 und dem vierten Eingang 324. Für die Reaktion (1) kann der vierte Eingang 324 z. B. die Kohlenmonoxidkonzentration sein. Die vorbestimmte Beziehung 318 kann als eine Gleichung und/oder eine Nachschlagtabelle ausgeführt sein und kann zwei Dimensionen besitzen, die dem zweiten Wirkungsrad 306 und dem Verhältnis 320 entsprechen.
Das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 kann bestimmen, dass der Reaktionswirkungsgrad 302 dem dritten Wirkungsgrad 308 entspricht. Auf diese Weise kann das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 in mehreren Schritten mithilfe von drei zweidimensionalen Beziehungen anstatt einer vierdimensionalen Beziehung einen Wirkungsgrad einer Reaktion bestimmen. Infolgedessen können Rechenzeit- und Speicherbedarf reduziert werden.
Das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 kann die Wirkungsgrade der Reaktionen (2) bis (4), (6) und (7) auf eine ähnliche Weise bestimmen, indem es Anpassungen auf der Basis der verschiedenen Reaktanden vornimmt. Für die Reaktionen (2) bis (4) können der erste Eingang 310, der zweite Eingang 312 und der dritte Eingang 316 der gleiche wie in den oben stehend für Reaktion (1) bereitgestellten Beispielen sein, während der vierte Eingang 324 für jede Reaktion verschieden sein kann. Der vierte Eingang 324 kann für Reaktion (2) die Wasserstoffkonzentration sein, kann für Reaktion (3) die Kohlenwasserstoffkonzentration sein und kann für Reaktion (4) die Ammoniakkonzentration sein.
Für die Reaktionen (6) und (7) können der erste Eingang 310 und der zweite Eingang 312 der gleiche wie in den oben stehend für Reaktion de (1) bereitgestellten Beispielen sein, während der dritte Eingang 316 und der vierte Eingang 324 aus der Reaktion (1) verschieden sein können. Der dritte Eingang 316 kann für die beiden Reaktionen (6) und (7) die Stickstoffoxidkonzentration sein. Der vierte Eingang 324 kann für die Reaktion (6) die Kohlenmonoxidkonzentration und für die Reaktion (7) die Wasserstoffkonzentration sein.
Das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 kann den Wirkungsgrad der Reaktion (5) auf der Basis der Abgastemperatur, der Reaktionsdauer und einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Abgastemperatur, der Reaktionsdauer und dem Wirkungsgrad bestimmen. Die vorbestimmte Beziehung kann als eine Gleichung und/oder eine Nachschlagtabelle ausgeführt sein. Der Einfachheit halber kann der Wirkungsgrad der Reaktion (5) unabhängig von den Reaktandenkonzentrationen bestimmt werden, da Wasser in dem TWC 136 typischerweise reichlich vorhanden ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 gibt das Wirkungsgradbestimmungsmodul 208 die Reaktionswirkungsgrade aus. Ein Ratenbestimmungsmodul 210 bestimmt Raten von Reaktionen wie z. B. der sieben oben angeführten Reaktionen, in dem TWC 136. Die Raten der sieben Reaktionen stehen in Beziehung, da Reaktanden und Produkte der sieben Reaktionen in einigen Fällen die gleichen sind. Beispielsweise ist Kohlenwasserstoff in den Reaktionen (3) und (5) ein Reaktand, Stickstoffoxid ist ein Produkt in Reaktion (4) und ist ein Reaktand in den Reaktionen (6) und (7), und Ammoniak ist ein Reaktand in Reaktion (4) und ist ein Produkt in Reaktion (7).
Der Einfachheit halber kann das Ratenbestimmungsmodul 210 die sieben Reaktionen in Untergruppen aufteilen und nacheinander eine Reaktionsrate für jede Untergruppe bestimmen, anstatt Raten für alle sieben Reaktionen auf einmal zu bestimmen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann zuerst die Raten der Reaktionen (1) bis (4) (d. h. der Sauerstoffreaktionen) bestimmen. Als Nächstes kann die Rate der Reaktion (5) (d. h. der Kohlenwasserstoffreaktion) bestimmt werden. Dann kann die Rate der Reaktionen (6) und (7) (d. h. der Stickstoffoxidreaktionen) bestimmt werden. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann davon ausgehen, dass die Sauerstoffreaktionen wesentlich schneller ablaufen als die Kohlenwasserstoffreaktion oder die Stickstoffoxidreaktionen.
Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die Reaktionsraten auf der Basis der Reaktandenkonzentrationen, einer Reaktionsstöchiometrie, des Reaktionswirkungsgrades und des Abgasdurchsatzes bestimmen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die Mengen der verbrauchten Reaktanden und erzeugten Produkte auf der Basis der Reaktandenkonzentrationen, der Reaktionsstöchiometrie und des Reaktionswirkungsgrades bestimmen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann diese Mengen mit dem Abgasdurchsatz vervielfachen, um die Reaktionsraten zu beschaffen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann Änderungen der Reaktandenkonzentrationen auf Grund anderer Reaktionen in einer Untergruppe berücksichtigen, indem jeder Reaktion Anteile der Reaktandenkonzentrationen zugewiesen werden.
In Bezug auf die Sauerstoffreaktionen kann z. B. die Sauerstoffmenge, die in dem TWC 136 zur Verfügung steht, begrenzt sein. Somit kann die Sauerstoffmenge, die durch eine der Sauerstoffreaktionen verbraucht wird, die Raten der anderen Sauerstoffreaktionen beeinflussen. Aus diesem Grund kann das Ratenbestimmungsmodul 210 die Raten der Sauerstoffreaktionen unter Verwendung der gleichen anfänglichen Sauerstoffkonzentration bestimmen, während es jeder Sauerstoffreaktion Anteile der Sauerstoffkonzentration zuweist. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann dies bewerkstelligen, indem es die Verbrauchsmengen der anderen Reaktanden als Sauerstoff mithilfe der folgenden Gleichungen bestimmt:
[CO]_c ist die Menge an verbrauchtem Kohlenmonoxid, (H₂)_c ist die Menge an verbrauchtem Wasserstoff, [HC]_c ist die Menge an verbrauchtem Kohlenwasserstoff und [NH₃]_c ist die Menge an verbrauchtem Ammoniak. [CO]_i ist die anfängliche Kohlenmonoxidkonzentration, [H₂]_i ist die anfängliche Wasserstoffkonzentration, [HC]_i ist die anfängliche Kohlenwasserstoffkonzentration und [NH₃]_i ist die anfängliche Ammoniakkonzentration. η₍₁₎ ist der Wirkungsgrad von Reaktion (1), η₍₂₎ ist der Wirkungsgrad von Reaktion (2), η₍₃₎ ist der Wirkungsgrad von Reaktion (3) und η₍₄₎ ist der Wirkungsgrad von Reaktion (4).
Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die in den Sauerstoffreaktionen verbrauchten Mengen an Sauerstoff und der in diesen erzeugten Produkte auf der Basis der oben bestimmten Verbrauchsmengen und der Reaktionsstöchiometrien bestimmen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann eine Reaktionsrate für jeden Reaktanden und jedes Produkt auf der Basis der Reaktandenverbrauchsmengen bzw. der Produkterzeugungsmengen und des Abgasdurchsatzes bestimmen. Die Reaktionsraten der Reaktanden und der Produkte können als Verbrauchsraten bzw. Erzeugungsraten bezeichnet werden.
In einem weiteren Beispiel in Bezug auf die Stickstoffoxidreaktionen kann die Menge an Stickstoffoxid, die in dem TWC 136 zur Verfügung steht, begrenzt sein. Somit kann die Menge an Stickstoffoxid, die durch eine der Stickstoffoxidreaktionen verbraucht wird, die Raten der anderen Stickstoffoxidreaktionen beeinflussen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann daher die Raten der Stickstoffoxidreaktionen mithilfe der gleichen anfänglichen Stickstoffoxidkonzentration bestimmen, während es jeder Stickstoffoxidreaktion Anteile der Stickstoffoxidkonzentration zuweist. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann dies bewerkstelligen, indem es die Verbrauchsmengen der anderen Reaktanden als Stickstoffoxid mithilfe der folgenden Gleichungen bestimmt:
[NO]_i ist die anfängliche Stickstoffoxidkonzentration, η₍₆₎ ist der Wirkungsgrad von Reaktion (6) und η₍₇₎ ist der Wirkungsgrad von Reaktion (7).
Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die in den Stickstoffoxidreaktionen verbrauchte Menge an Stickstoffoxid und die Mengen der in diesen erzeugten Produkte auf der Basis der oben bestimmten Verbrauchsmengen und der Reaktionsstöchiometrien bestimmen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann eine Reaktionsrate für jeden Reaktanden und jedes Produkt auf der Basis der Reaktandenverbrauchsmengen bzw. der Produkterzeugungsmengen und des Abgasdurchsatzes bestimmen. Auf diese Weise kann das Ratenbestimmungsmodul 210 eine Ammoniakerzeugungsrate in dem TWC bestimmen.
Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die Rate der Sauerstoffreaktionen bestimmen und die Konzentrationen der in den Sauerstoffreaktionen beteiligten Reaktanden und Produkte anpassen, bevor es die Rate der Wasserstoffreaktion bestimmt. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die den Sauerstoffreaktionen verbrauchte Menge an Sauerstoff und die Menge an erzeugtem Stickstoffoxid wie oben beschrieben bestimmen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die Sauerstoffverbrauchsmenge und die Stickstoffoxiderzeugungsmenge mit dem Abgasdurchsatz vervielfachen, um eine Sauerstoffverbrauchsrate bzw. eine Stickstoffoxiderzeugungsrate zu beschaffen.
Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die Rate der Wasserstoffreaktion auf der Basis der Kohlenwasserstoffkonzentration, der Reaktionsstöchiometrie, des Reaktionswirkungsgrades und des Abgasdurchsatzes bestimmen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die Menge an Kohlenwasserstoff, die in der Kohlenwasserstoffreaktion verbraucht wird, auf der Basis der Kohlenwasserstoffkonzentration und der Reaktionsstöchiometrie bestimmen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann diese Menge mit dem Abgasdurchsatz vervielfachen, um eine Kohlenwasserstoffverbrauchsrate zu beschaffen.
Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die Rate der Kohlenwasserstoffreaktion bestimmen und die Konzentrationen der in der Kohlenwasserstoffreaktion beteiligten Reaktanden und Produkte anpassen, bevor es die Rate der Stickstoffoxidreaktion bestimmt. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann die Menge an Ammoniak, die in den Stickstoffoxidreaktionen produziert wird, bestimmen, wie oben beschrieben. Das Ratenbestimmungsmodul 210 kann diese Menge mit dem Abgasdurchsatz vervielfachen, um eine Ammoniakerzeugungsrate zu beschaffen. Das Ratenbestimmungsmodul 210 gibt die Reaktionsraten aus.
Ein Speicherniveaubestimmungsmodul 212 bestimmt ein Ammoniakspeicherniveau in dem SCR-Katalysator 138 auf der Basis der Stickstoffoxiderzeugungsrate und der Ammoniakerzeugungsrate. Das Speicherniveaubestimmungsmodul 212 verringert das Ammoniakspeicherniveau auf der Basis der Stickstoffoxiderzeugungsrate und erhöht das Ammoniakspeicherniveau auf der Basis der Ammoniakerzeugungsrate. Das Ammoniakspeicherniveau kann auf null gestellt werden, wenn ein Fahrzeug hergestellt wird und manuell auf null zurückgestellt werden, wenn das Fahrzeug gewartet wird, wie z. B., wenn der SCR-Katalysator 138 ausgetauscht wird. Das Speicherniveaubestimmungsmodul 212 gibt das Ammoniakspeicherniveau aus.
Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis(AFR, von air/fuel ratio)-Steuermodul 214 steuert das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors 102 auf der Basis des Ammoniakspeicherniveaus. Das AFR-Steuermodul 214 kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis steuern, indem es das Drosselklappenstellermodul 116 steuert, um die Einlassluftströmung zu regeln und/oder das Kraftstoffaktuatormodul 120 steuert, um die Kraftstoffeinspritzung zu regeln. Das AFR-Steuermodul 214 kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf fett anpassen, wenn das Ammoniakspeicherniveau niedriger ist als ein erstes Niveau und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf mager anpassen, wenn das Ammoniakspeicherniveau höher ist als ein zweites Niveau. Das erste Niveau und das zweite Niveau können vorbestimmt sein und/oder können gleich oder voneinander verschieden sein.
Ein Katalysatordiagnosemodul 216 erkennt Funktionsbeeinträchtigungen des TWC 136 auf der Basis der Reaktionsraten. Das Katalysatordiagnosemodul 216 kann eine Funktionsbeeinträchtigung in dem TWC 136 erkennen, wenn die Ammoniakerzeugungsrate niedriger ist als eine erste Rate. Das Katalysatordiagnosemodul 216 kann eine Funktionsbeeinträchtigung in dem TWC 136 erkennen, wenn die Stickstoffoxiderzeugungsrate niedriger ist als eine zweite Rate. Die erste Rate und die zweite Rate können vorbestimmt sein und/oder können auf dem Abgasdurchsatz, der Abgastemperatur und/oder den Reaktandenkonzentrationen basieren. Das Katalysatordiagnosemodul 216 kann die MIL 158 aktivieren, wenn eine Funktionsbeeinträchtigung des TWC 136 erkannt wird.
Unter Bezugnahme auf 4 beginnt ein Verfahren zum Bestimmen von Reaktionsraten in einem Dreiwege-Katalysator (TWC), z. B. einer Ammoniakerzeugungsrate, bei 402. Bei 404 bestimmt das Verfahren Konzentrationen von Reaktanden wie z. B. jener in den Reaktionen (1) bis (7). Das Verfahren kann die Reaktandenkonzentrationen auf der Basis von gemessenen Konzentrationen und/oder Motorbetriebszuständen bestimmen. Die Motorbetriebszustände können ein Motor-Luft/Kraftstoff-Verhältnis, eine Motordrehzahl, einen Abgasdurchsatz und/oder eine Abgastemperatur umfassen.
Bei 406 bestimmt das Verfahren Wirkungsgrade der Sauerstoffreaktionen in dem TWC. Das Verfahren kann den Wirkungsgrad einer jeden Sauerstoffreaktion auf der Basis eines ersten Wirkungsgrades, eines zweiten Wirkungsgrades und eines dritten Wirkungsgrades bestimmen. Das Verfahren kann den ersten Wirkungsgrad auf der Basis der Abgastemperatur, einer Reaktionsdauer und einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Abgastemperatur, der Reaktionsdauer und dem ersten Wirkungsgrad bestimmen. Die Reaktionsdauer ist der Zeitbetrag, über den ein oder mehrere Reaktanden in dem TWC vorhanden ist/sind und welcher auf der Basis des Abgasdurchsatzes und des Porenvolumens des TWC bestimmt werden kann.
Das Verfahren kann den zweiten Wirkungsgrad auf der Basis des ersten Wirkungsgrades, einer Sauerstoffkonzentration in dem TWC und einer vorbestimmen Beziehung zwischen dem ersten Wirkungsgrad, der Sauerstoffkonzentration und dem zweiten Wirkungsgrad bestimmen. Das Verfahren kann den dritten Wirkungsgrad auf der Basis des zweiten Wirkungsgrades, eines Sauerstoffverhältnisses und einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem zweiten Wirkungsgrad, dem Sauerstoffverhältnis und dem dritten Wirkungsgrad bestimmten. Das Sauerstoffverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Sauerstoffkonzentration und einer Summe aus der Sauerstoffkonzentration und der Konzentration des anderen Reaktanden als Sauerstoff, die in der Sauerstoffreaktion beteiligt sind. Das Verfahren kann den Wirkungsgrad einer jeden Sauerstoffreaktion dem dritten Wirkungsgrad gleichsetzen.
Bei 408 bestimmt das Verfahren Raten der Sauerstoffreaktionen. Das Verfahren kann Reaktandenverbrauchsraten und Produkterzeugungsraten auf der Basis von Reaktandenverbrauchsmengen bzw. Produkterzeugungsmengen und des Abgasdurchsatzes bestimmen. Das Verfahren kann Verbrauchsmengen anderer Reaktanden als Sauerstoff auf der Basis der Reaktandenkonzentrationen und der Reaktionswirkungsgrade bestimmen. Das Verfahren kann die Menge an verbrauchtem Sauerstoff und die Mengen an erzeugten Produkten auf der Basis dieser Verbrauchsmengen und der Reaktionsstöchiometrien bestimmen. Das Verfahren kann jeder Sauerstoffreaktion einen Anteil der Sauerstoffkonzentration zuweisen, indem es z. B. Raten der Sauerstoffreaktionen mithilfe der Gleichungen (8) bis (11) bestimmt.
Bei 410 bestimmt das Verfahren den Wirkungsgrad der Kohlenwasserstoffreaktion in dem TWC. Das Verfahren kann die Reaktandenkonzentrationen auf der Basis der Reaktandenverbrauchsmengen und der Produkterzeugungsmengen der Sauerstoffreaktionen anpassen, bevor es den Wirkungsgrad der Kohlenwasserstoffreaktion bestimmt. Das Verfahren kann den Wirkungsgrad der Kohlenwasserstoffreaktion auf der Basis einer Abgastemperatur und der Reaktionsdauer bestimmen.
Bei 412 bestimmt das Verfahren die Rate der Kohlenwasserstoffreaktion in dem TWC. Das Verfahren kann die Reaktionsraten eines jeden Reaktanden und eines jeden Produkts in der Kohlenwasserstoffreaktion auf der Basis der Reaktandenverbrauchsmengen bzw. der Produkterzeugungsmengen und des Abgasdurchsatzes bestimmen. Das Verfahren kann die Reaktandenverbrauchsmengen und die Produkterzeugungsmengen auf der Basis der Reaktandenkonzentrationen, der Reaktionsstöchiometrie und des Reaktionswirkungsgrades bestimmen.
Bei 414 bestimmt das Verfahren Wirkungsgrade der Stickstoffoxidreaktionen in dem TWC. Das Verfahren kann die Reaktandenkonzentrationen auf der Basis der Verbrauchsmengen und der Erzeugungsmengen der Kohlenwasserstoffreaktion anpassen, bevor es den Wirkungsgrad der Kohlenwasserstoffreaktion bestimmt. Das Verfahren kann den Wirkungsgrad einer jeden Stickstoffoxidreaktion auf der Basis des ersten Wirkungsgrades, der verwendet wird, um den Wirkungsgrad einer jeden Sauerstoffreaktion zu bestimmen, eines zweiten Wirkungsrades und eines dritten Wirkungsgrades bestimmen. Das Verfahren kann den zweiten Wirkungsgrad auf der Basis des ersten Wirkungsgrades, einer Stickstoffoxidkonzentration in dem TWC und einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem ersten Wirkungsgrad, der Stickstoffoxidkonzentration und dem zweiten Wirkungsgrad bestimmen.
Das Verfahren kann den dritten Wirkungsgrad auf der Basis des zweiten Wirkungsgrades, eines Stickstoffoxidverhältnisses und einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem zweiten Wirkungsgrad, dem Stickstoffoxidverhältnis und dem dritten Wirkungsgrad bestimmen. Das Stickstoffoxidverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Stickstoffoxidkonzentration und einer Summe aus der Stickstoffoxidkonzentration und einer Konzentration eines anderen Reaktanden als Stickstoffoxid, der in der Stickstoffoxidreaktion beteiligt ist. Das Verfahren kann den Wirkungsgrad einer jeden Stickstoffoxidreaktion dem dritten Wirkungsgrad gleichsetzen.
Bei 416 bestimmt das Verfahren Raten der Stickstoffoxidreaktionen. Das Verfahren kann Reaktandenverbrauchsraten und Produkterzeugungsraten auf der Basis von Reaktandenverbrauchsmengen bzw. Produkterzeugungsmengen und des Abgasdurchsatzes bestimmen. Das Verfahren kann Verbrauchsmengen von anderen Reaktanden als Stickstoffoxid auf der Basis der Reaktandenkonzentrationen und der Reaktionswirkungsgrade bestimmen. Das Verfahren kann die Menge an verbrauchtem Stickstoffoxid und die Mengen an erzeugten Produkten auf der Basis dieser Verbrauchsmengen und der Reaktionsstöchiometrien bestimmen. Das Verfahren kann jeder Stickstoffoxidreaktion einen Anteil der Stickstoffoxidkonzentration zuweisen, indem es z. B. Raten der Stickstoffoxidreaktionen mithilfe der Gleichungen (12) und (13) bestimmt.
Bei 418 bestimmt das Verfahren ein Ammoniakspeicherniveau in einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Das Verfahren kann das Ammoniakspeicherniveau auf der Basis einer bei 408 bestimmten Stickstoffoxiderzeugungsrate und einer bei 416 bestimmten Ammoniakerzeugungsrate bestimmen. Das Verfahren kann das Ammoniakspeicherniveau auf der Basis der Stickstofferzeugungsrate verringern und das Ammoniakspeicherniveau auf der Basis der Ammoniakerzeugungsrate erhöhen.
Bei 420 bestimmt das Verfahren, ob das Ammoniakspeicherniveau höher ist als ein vorbestimmtes Niveau. Wenn 420 zutrifft, setzt das Verfahren bei 422 fort. Wenn 420 nicht zutrifft, setzt das Verfahren bei 424 fort. Bei 422 passt das Verfahren die Kraftstoffversorgung derart an, dass ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis erhalten wird. Bei 424 passt das Verfahren die Kraftstoffversorgung derart an, dass ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis erhalten wird. Auf diese Weise balanciert das Verfahren zwischen Minimierung des Kraftstoffverbrauches und Minimierung der Emissionswerte.
Bei 426 bestimmt das Verfahren, ob eine oder mehrere Reaktionsraten des TWC höher sind als vorbestimmte Raten. Die vorbestimmten Raten können auf der Abgastemperatur, der Reaktionsdauer und/oder den Reaktandenkonzentrationen basieren. Wenn 426 zutrifft, setzt das Verfahren bei 404 fort. Wenn 426 nicht zutrifft, setzt das Verfahren bei 428 fort. Bei 428 erkennt das Verfahren eine Funktionsbeeinträchtigung des TWC. Das Verfahren kann auch eine Funktionsbeeinträchtigungs-Anzeigeleuchte (MIL) oder dergleichen aktivieren und/oder einen Diagnose-Fehlercode (DTC) setzen. Dies stellt sicher, dass der TWC repariert oder ausgetauscht wird, um die Emissionsreduktionsraten beizubehalten.

Claims

Verfahren umfassend, dass: eine Ammoniakerzeugungsrate in einem Dreiwege-Katalysator auf der Basis von Reaktionswirkungsgraden und Reaktandenkonzentrationen der folgenden sieben Reaktionen bestimmt wird: 2CO + O₂ = 2CO₂; (1) 2H₂ + O₂ = 2H₂O; (2) 4HC + 5O₂ = 4CO₂ + 2H₂O; (3) 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O; (4) 2HC + H₂O = 2CO + 3H₂; (5) 2CO + 2NO = 2CO₂ + N₂; (6) und 5H₂ + 2NO = 2NH₃ + 2H₂O, (7) wobei der jeweilige Reaktionswirkungsgrad für die Reaktionen (1) bis (7) bestimmt wird, indem ein erster Wirkungsgrad auf der Basis der Abgastemperatur, der Dauer der jeweiligen Reaktion und einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Reaktionsdauer bestimmt wird, ein zweiter Wirkungsgrad auf der Basis des ersten Wirkungsgrads, eines ersten Eingangswerts und einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem ersten Wirkungsgrad und dem ersten Eingangswert bestimmt wird und ein dritter Wirkungsgrad auf der Basis des zweiten Wirkungsgrads, eines Verhältnisses eines zweiten Eingangswerts zu einer Summe aus den ersten und zweiten Eingangswerten und einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem zweiten Wirkungsgrad und dem Verhältnis bestimmt wird, wobei für die Reaktionen (1) bis (4), (6) und (7) der jeweilige Reaktionswirkungsgrad dem dritten Wirkungsgrad entspricht und für die Reaktion (5) der Reaktionswirkungsgrad dem ersten Wirkungsgrad entspricht, und wobei für die Reaktionen (1) bis (4) der erste Eingangswert die Sauerstoffkonzentration, für die Reaktion (1) der zweite Eingangswert die Kohlenmonoxidkonzentration, für die Reaktion (2) der zweite Eingangswert die Wasserstoffkonzentration, für die Reaktion (3) der zweite Eingangswert die Kohlenwasserstoffkonzentration, für die Reaktion (4) der zweite Eingangswert die Ammoniakkonzentration, für die Reaktionen (6) und (7) der erste Eingangswert die Stickstoffoxidkonzentration, für die Reaktion (6) der zweite Eingangswert die Kohlenmonoxidkonzentration und für die Reaktion (7) der zweite Eingangswert die Wasserstoffkonzentration sind; ein Ammoniakspeicherniveau in einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) auf der Basis der Ammoniakerzeugungsrate bestimmt wird, wobei der SCR-Katalysator unterstromig von dem Dreiwege-Katalysator positioniert ist; und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Motors auf der Basis des Ammoniakspeicherniveaus gesteuert wird.