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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Strategie
zur Reduzierung von NOx-Emissionen, und insbesondere zur Reduzierung
von NOx-Emissionen
nach Kraftstoffzufuhrunterbrechungen in Hybrid-Elektrofahrzeugen
und herkömmlichen
Fahrzeugen.
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Während typischer
Betriebsmodi führen
Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV= "hybrid
electric vehicles")
häufige
Abschaltungen und Neustarts des Verbrennungsmotors aus. Während der
Abschaltungen und Neustarts des Verbrennungsmotors wird Luft von dem
Verbrennungsmotor in die Abgasanlage gepumpt. Ein Katalysator in
der Abgasanlage des Verbrennungsmotors adsorbiert den Sauerstoff
aus der Luft, welche in die Abgasanlage gepumpt wird. Häufig hat
der Sauerstoff ein ausreichend großes Volumen, um die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators
auszuschöpfen.
Ein Dreiwegekatalysator (TWC= "three-way
catalyst", d.h.
ein Katalysator zum gleichzeitigen Entfernen von CO, NOx und HC
aus den Abgasen des Verbrennungsmotors), welcher gesättigt ist
oder dessen Sauerstoffspeicherkapazität nahezu erreicht ist, besitzt
typischerweise eine eingeschränkte
Fähigkeit
zur NOx-Umwandlung.
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Wenn
die Verbrennung wieder aufgenommen wird (d.h. wenn der Verbrennungsmotor
neu gestartet wird), werden die NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors
von dem Katalysator nicht effizient reduziert oder eliminiert, bis
das Sauerstoff speicherniveau gegenüber dem gesättigten Niveau verringert wird.
Insbesondere kann eine NOx-Spitze nach einem Neustart des HEV-Verbrennungsmotors
auftreten.
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Herkömmliche
Ansätze
zur Reduzierung der NOx-Spitzen bei einem HEV-Neustart (d.h. eine Begrenzung der Anzahl
von Abschaltvorgängen
des Verbrennungsmotors) sind nicht vollkommen effektiv. Die mit
einem HEV-Neustart verbundenen NOx-Emissionen stellen einen signifikanten
Anteil der Standard-NOx-Emissionen
für super/ultraemissionsarme
Fahrzeuge (SULEV= "super
ultra low emissions vehicles")
dar.
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Bei
Nicht-HEV-Fahrzeugen (d. h. bei herkömmlichen Fahrzeugen) kann ein ähnliches
Problem auftreten, wenn die Kraftstoffzufuhr während der Verminderung einer
hohen Geschwindigkeit unterbrochen wird (d.h. bei einer Kraftstoffzufuhrunterbrechung
während
Geschwindigkeitsabnahme oder Verzögerung). Die NOx-Emissionen bei Neustarts stellen
ein Problem während
einer Verzögerungs-Kraftstoffzufuhrunterbrechung
von Nicht-HEV-Fahrzeugen dar, wie es oben für Verbrennungsmotor-Neustarts
von HEVs beschrieben wurde. In beiden Fällen kann, da der Verbrennungsmotor auf
eine niedrige Drehzahl dreht oder stoppt, eine große Luftmenge
in die Abgasanlage (und den Katalysator) gepumpt werden. Die große Luftmenge,
welche in die Abgasanlage gepumpt werden kann, kann auch zu einer
unerwünschten
Abkühlung
des Katalysators führen.
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Ein
Beispiel eines bekanntes Verfahrens und einer bekannten Vorrichtung
zum Steuern eines Verbrennungsmotors, welches für einen intermittierenden bzw.
diskontinuierlichen Betrieb geeignet ist, ist in
US 67 42 327 offenbart. Das Verfahren
beziehungsweise die Vorrichtung steuern einen Verbrennungsmotor
eines Fahrzeugs, in welchem ein Abgasreinigungskatalysator, der
zum Speichern von Sauerstoff in der Lage ist, in einer Abgasanlage
des Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Der Verbrennungsmotor ist
dazu ausgelegt, vorübergehend
abgeschaltet zu werden, wenn eine vorbestimmte Bedingung zum Abschalten
des Verbrennungsmotors erfüllt
ist, und seinen Betrieb wieder aufzunehmen, wenn die vorbestimmte
Bedingung aufgehoben ist. Der Verbrennungsmotor wird so betrieben,
dass die Menge an Sauerstoff, die während der vorübergehenden
Abschaltung des Verbrennungsmotors in dem Abgasreinigungskatalysator
gespeichert wird, reduziert wird, bevor mit dem Verbrennen des Kraftstoffs
zur Wiederaufnahme des Betriebs des Verbrennungsmotors begonnen
wird.
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Allerdings
sind diese herkömmlichen
Ansätze
im Allgemeinen nicht in der Lage, NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors
effizient zu reduzieren oder zu eliminieren, bis das Sauerstoffspeicherniveau
des Katalysators gegenüber
dem gesättigten Niveau
reduziert wird. Insbesondere sind solche herkömmlichen Ansätze nicht
in der Lage, die NOx-Spitze, welche nach einem Neustart des HEV-Verbrennungsmotors
auftreten kann, zu reduzieren oder zu eliminieren.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum effizienten und effektiven Steuern von Abgasemissionen
bereitzustellen, bei denen NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors
nach Kraftstoffzufuhrunterbrechungen reduziert oder eliminiert werden.
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Im
Rahmen der Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren offenbart,
bei denen die Einschränkungen
und Nachteile der herkömmlichen Emissionssteuerungsvorrichtungen
und -verfahren vermieden werden. Gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Emission
von Stickoxid (NOx)-Abgasen aus einem Verbrennungsmotor (ICE= "internal combustion
engine") offenbart.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Bestimmen, wann die Drehzahl des
Verbrennungsmotors unter einem ersten vorbestimmten Niveau liegt,
und Steuern eines Sauerstoffverdrängungsventils (ODV-Ventils, ODV= "oxygen displacement
valve") derart,
das wenigstens ein Teil der von dem Verbrennungsmotor erzeugten
Abgase in einen Ansaugluftstrom des Verbrennungsmotors geleitet
wird.
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Ferner
wird eine Vorrichtung zur Steuerung der Emission von Stickoxid (NOx)-Abgasen aus einem
Verbrennungsmotor (ICE) offenbart. Die Vorrichtung weist Sensoren
zur Bestimmung von Betriebszuständen
des ICE und einen Controller auf. Der Controller bestimmt, wann
die Motordrehzahl unterhalb eines ersten vor bestimmten Niveaus liegt,
und steuert ein Sauerstoffverdrängungsventil
so, dass zumindest ein Teil der von dem Verbrennungsmotor erzeugten
Abgase in einen Ansaugluftstrom des ICE geleitet wird.
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Ferner
wird ein Verfahren zum Steuern der Emission von Stickoxid (NOx)-Abgasen aus einem Verbrennungsmotor
(ICE) mit variabler Ventilsteuerung offenbart. Das Verfahren weist
folgende Schritte auf: Bestimmen, wann die Drehzahl des Verbrennungsmotors
unter einem ersten vorbestimmten Niveau liegt, und Steuern der variablen
Ventile derart, das wenigstens ein Teil der von dem ICE erzeugten Abgase
in einen Ansaugluftstrom des ICE geleitet wird.
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Weitere
Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung und den beigefügten Abbildungen deutlich,
in denen beispielhafte Ausführungsformen der
Erfindung dargestellt sind.
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Es
zeigen:
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1 ein
Diagramm eines Antriebsstrangsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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2(a–b)
Diagramme von Stickoxid (NOx) – Emissionen
aus dem Auspuffendrohr für
ein herkömmliches
Antriebsstrangsystem bzw. ein Antriebsstrangssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Bei
Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) wird eine Kombination aus einem
Verbrennungsmotor (ICE= "internal
combustion engine")
und einem Elektromotor eingesetzt. Der Elektromotor wird mit elektrischer
Energie aus einer Batterie versorgt, um die zum Antreiben eines
Fahrzeugs erforderliche Antriebskraft bereitzustellen (d.h. zum
Bereitstellen der Antriebskraft für die Antriebsräder des
Fahrzeugs), wodurch die Kraftstoffersparnis im Vergleich zu einem
herkömmlichen
Fahrzeug (d.h. einem Fahrzeug, welches lediglich einen Verbrennungsmotor
aufweist) verbessert wird. In einem Hybridfahrzeug kann der Kraftstoffverbrauch
verringert werden und Abgasemissionen können reduziert werden, indem
der Verbrennungsmotor herun tergefahren (d.h. abgeschaltet) wird,
was insbesondere dann erfolgt, wenn der Verbrennungsmotor ineffizient
arbeitet, und indem dann der Elektromotor verwendet wird, um die gesamte
zum Antrieb des Fahrzeugs erforderliche Antriebskraft bereitzustellen.
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Wenn
allerdings der Benutzer (d.h. der Fahrer des Fahrzeugs) mehr Antriebskraft
wünscht,
als der Elektromotor liefern kann, oder wenn die Batterie entladen
wird, wird der Verbrennungsmotor im Allgemeinen neu gestartet, um
die erforderliche zusätzliche
Antriebskraft bereitzustellen. HEVs führen typischerweise unter normalen
Fahrtbedingungen häufige
Abschaltungs- und Neustart-Operationen (d.h. Ereignisse, Zustände, Betriebsmodi
etc.) des Verbrennungsmotors durch. Während der Abschaltungen und
Neustarts des Verbrennungsmotors wird Luft von dem Verbrennungsmotor
in die Abgasanlage gepumpt. Ein Katalysator in der Abgasanlage des
Verbrennungsmotors adsorbiert den Sauerstoff aus der Luft. Häufig hat
der adsorbierte Sauerstoff ein ausreichend großes Volumen, um die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators
auszuschöpfen.
Ein Katalysator, welcher gesättigt
ist oder dessen Sauerstoff-Speicherkapazität nahezu erreicht ist, kann
eine schwache Fähigkeit
zur NOx-Umwandlung aufweisen. Wenn die Verbrennung wieder aufgenommen wird
(d.h. wenn der heiße
Verbrennungsmotor neu gestartet wird), werden die NOx-Emissionen
des Verbrennungsmotors von dem Katalysator nicht effizient reduziert
oder eliminiert, bis das Sauerstoffspeicherniveau gegenüber dem
gesättigten
Niveau verringert ist.
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Neustart-Vorgänge des
heißen
Verbrennungsmotors in HEVs können
unerwünscht
hohe Niveaus von NOx-Emissionen in dem Abgas verursachen. Die Strategie,
welche gemäß der Vorrichtung und
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung implementiert wird, kann
die Menge von NOx-Emissionen, welche durch einen ICE-Neustart in
einem HEV oder einem herkömmlichen
Antriebsstrangsystem erzeugt werden, wesentlich reduzieren. In vielen
Fällen kann
mittels der Strategie der vorliegenden Erfindung das Vorliegen einer
NOx-Spitze, welche nach einem HEV-ICE-Neustart auftreten kann, eliminiert
werden. Der Betrieb des HEVs unter Verwendung des Elektromotors
führt im
Allgemeinen zu einer größeren Kraftstoffersparnis.
Eine Verbesserung der NOx-Emissionseigenschaften, welche eine größere Anzahl
von Abschaltvorgängen
des Verbrennungsmotors ermöglicht
(d.h. die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung)
kann auch zu einer größeren Kraftstoffersparnis
beitragen.
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Während einer
Kraftstoffzufuhrunterbrechung (zum Beispiel einer HEV-ICE-Abschaltungs-Kraftstoffzufuhrunterbrechung
oder einer Verzögerungs-
Kraftstoffzufuhrunterbrechung) pumpt der Verbrennungsmotor im Allgemeinen
während
eines Zeitintervalls Frischluft durch den Verbrennungsmotor und
die Abgasanlage. Die Luft, welche durch den Verbrennungsmotor gepumpt
wird, kann den Abgaskatalysator des Verbrennungsmotors abkühlen und
den chemischen Zustand des Nachbehandlungssystems (z. B. den Katalysator
der Abgasanlage) verändern,
wodurch die Menge an gespeichertem Sauerstoff vergrößert wird.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können auch
vorteilhaft in Verbindung mit herkömmlichen (d.h. nur mittels
eines ICE angetriebenen) Fahrzeugen während eines Betriebszustandes
mit einer Kraftstoffzufuhrunterbrechung bei Verzögerung implementiert werden.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
können
niedrigere NOx-Emissionen während eines
Neustarts in herkömmlichen
Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bewirken und außerdem aufgrund verringerter
Abkühlung
des Katalysators längere
Kraftstoffzufuhrunterbrechungszeiten im Vergleich zu herkömmlichen
Ansätzen
ermöglichen. Eine
längere
Kraftstoffzufuhrunterbrechungszeit ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen
Ansätzen eine
größere Kraftstoffersparnis.
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In 1 ist
ein Diagramm eines Antriebsstrangsystems 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Das Antriebsstrangsystem 100 umfasst
im Allgemeinen einen Verbrennungsmotor (ICE) 102, eine
Verbrennungsmotor-Abgasanlage 104, einen Controller 106,
z. B. ein Antriebsstrang-Steuermodul (PCM= "powertrain control module"), Verbrennungsmotorsteuermodul
(ECM= "engine control
modul") od. dgl.,
und ein Steuerventil 108 für Verdunstungsemissionen ("evap"). Der ICE 102 kann
als ein Verbrennungsmotor implementiert werden, welcher mit Benzin,
Diesel, Methan, Propan, Alkohol etc. betrieben wird. In einem Ausführungsbeispiel
kann das Antriebsstrangsystem 100 vorteilhaft in Verbindung
mit einem Hybrid- Elektrofahrzeug (HEV)-Antriebssystem
implementiert werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Antriebsstrangsystem 100 vorteilhaft
in Verbindung mit einem herkömmlichen
(d.h. nur mit einem ICE ausgestatteten) Fahrzeugantriebssystem implementiert werden.
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Der
ICE 102 weist im Allgemeinen einen Motorblock 120 auf,
an welchem wenigstens ein Zylinderkopf 122 montiert ist.
An dem Zylinderkopf 122 sind im Allgemeinen ein Auspuffkrümmer 124 und
ein Ansaugkrümmer 126 montiert.
Wenigstens ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors 102 (z.
B. gestartet, abgeschaltet, Kurbelwellendrehzahl, Kurbelwellenposition
etc.) kann über
wenigstens einen Verbrennungsmotorsensor 128 bestimmt werden. Ein
Sauerstoffverdrängungsventil
(ODV-Ventil) 130 kann in dem Auspuffkrümmer 124 oder anderswo
in der Abgasanlage 104 installiert sein. Luft dringt im Allgemeinen
in einen Lufteinlass 132 ein, die eingelassene Luft strömt durch
eine Drosselklappen-Anordnung 134, und die Luft strömt in den
Ansaugkrümmer 126.
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Der
Verbrennungsmotor 102 wird im Allgemeinen über Einspritzdüsen 140 (z.B.
Einspritzdüsen 140a bis 140n)
mit Kraftstoff versorgt, welche in dem Zylinderkopf 122 (d.h.
Direkteinspritzung) oder in dem Ansaugkrümmer 126 montiert
sind, um Kraftstoff an die jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors 102 zu
liefern. Der Zylinderkopf 122 weist im Allgemeinen für jeden
Zylinder jeweils wenigstens ein Einlassventil 142 (z. B.
Einlassventile 142a bis 142n) und jeweils wenigstens
ein Auslassventil 144 (z. B. Auslassventile 142a–142n)
auf. Die Einlassventile 142 steuern im Allgemeinen die
Strömungen
eines Luft-Kraftstoff-Gemischs oder von Luft von dem Ansaugkrümmer 126 in
den Zylinder des Verbrennungsmotors 102. Die Auslassventile 144 steuern
im Allgemeinen die Strömungen
von Abgasen von dem Zylinder des Verbrennungsmotors 102 in
den Auspuffkrümmer 124.
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Die
Drosselklappe 134 arbeitet in Verbindung mit den Einspritzdüsen 140 und
dem Controller 106 so, dass ein exaktes Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis (AFR= "air-to-fuel ratio") für den Betriebsmodus
des Verbrennungsmotors 102 bereitgestellt wird, welches
von einem Benutzer (z. B. Fahrer) des Fahrzeugs, in welchem das
Antriebsstrangsystem 100 installiert ist, gewünscht wird.
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Die
Abgasanlage 104 umfasst im Allgemeinen einen Abgasrohrabschnitt 150a,
einem Abgasrohrabschnitt 150b (d. h. ein Auspuffendrohr)
und einen Katalysator 152. Die Abgasanlage 104 empfängt im Allgemeinen
Abgas von dem Verbrennungsmotor 102 über den Auspuffkrümmer 124 und
gibt das Abgas des Verbrennungsmotors 102 an die Atmosphäre ab. Ein
erstes Ende des Abgasrohrabschnitts 150a kann an den Verbrennungsmotor 102 (z.
B. an den Auspuffkrümmer 124)
angeschlossen sein, und ein zweites Ende des Abgasrohrabschnitts 150a kann
an einen Einlass des Katalysators 152 angeschlossen sein.
Ein Auslass des Katalysators 152 kann an ein erstes Ende
des Abgasrohrabschnitts 150b bzw. des Auspuffendrohrs angeschlossen
sein, und ein zweites Ende des Abgasrohrabschnitts 150b bzw.
des Auspuffendrohrs kann das Abgas des Verbrennungsmotors 102 an
die Atmosphäre
abgeben.
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Der
Katalysator 152 ist im Allgemeinen als ein Dreiwegekatalysator
(TWC= "threeway
catalyst", d.h.
ein Katalysator mit einem ersten oder vorderen Katalysator an dem
Einlassende und einem zweiten oder hinteren Katalysator an dem Auslassende)
implementiert. Eine Reihe von Verbrennungsmotor-Abgassauerstoff-Sensoren (EGO= "exhaust gas oxygen") sind im Allgemeinen
an diversen Positionen in der Abgasanlage 104 installiert
(d.h. montiert, befestigt etc.), um das Niveau des Abgassauerstoffs
oder anderer Abgaskomponenten an den jeweiligen Einbaupositionen
dynamisch zu bestimmen. Ein ausgangsseitiger Abgassauerstoff-Sensor
(EGO-Sensor) 160 kann in dem Abgasrohrabschnitt 150a installiert
sein, ein Luftkammer-Sauerstoff -Sensor (EGO-Sensor) 162 kann
am Ort einer Luftkammer in dem Katalysator 152 (d.h. an
einem Ort zwischen dem vorderen Katalysator und dem hinteren Katalysator
in dem TWC 152) eingebaut sein, und ein Nach-Katalysator-Sauerstoffsensor
(EGO-Sensor) 164 kann in dem Abgasrohrabschnitt 150b eingebaut sein.
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Die
verbesserte Vorrichtung und das verbesserte Verfahren (d. h. Prozess,
Operation, Routine, Schritte, Blöcke,
Algorithmus etc.) zum dynamischen Steuern von Verbrennungsmotorabgas-Emissionen gemäß der vorliegenden
Erfindung werden im Allgemeinen in Verbindung mit einem Prozessor 170 und wenigstens
einem Speicher 172, z.B. einem Direktzugriffsspeicher (RAM),
einem Nur-Lese-Speicher (ROM), einem EPROM, einem EEPROM oder einem Flash-Speicher
etc., in dem Controller 106 implementiert. Der Verbrennungsmotor 102 und
zugehörige
Komponenten und Sensoren sind im Allgemeinen an den Controller 106 elektrisch
angeschlossen (gekoppelt) und stehen mit diesem in Austausch.
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Der
Controller 106 des Antriebsstranges liefert/empfängt eine
Anzahl von Signalen, welche verarbeitet (z. B. gefiltert, verglichen,
logisch verarbeitet, analysiert etc.) werden können, um zu bestimmen (d.h.
zu erfassen, berechnen etc.), wann ein Abschalten des Verbrennungsmotors 102 und
wann ein Neustart des Verbrennungsmotors 102 eingetreten
ist, um einen oder mehrere Prozesse (z. B. die Prozesse der vorliegenden
Erfindung) in Reaktion auf die Abschalt- bzw. Neustart-Vorgänge auszulösen. Die
Prozesse der vorliegenden Erfindung können in Hardware (z. B. Logikschaltkreisen),
Software, Firmware und einer beliebigen geeigneten Kombination hiervon
implementiert werden, um die Designkriterien einer bestimmten Anwendung
zu erfüllen.
Die unter Verwendung des Controllers 106 durchgeführten Prozesse
können
in Verbindung mit einer bordseitigen Diagnose (OBD= "on-board diagnosis") der NOx-Eigenschaften
implementiert werden.
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Der
Controller 106 kann ein Signal (z.B. ENG) von dem Sensor 128 empfangen
bzw. an diesen senden, ein Signal (z.B. THROT) von der Drosselklappen-Anordnung 134 empfangen
bzw. an diese senden, ein Signal (z.B. EVAP) von dem Steuerventil 108 empfangen
bzw. an dieses senden, ein Signal (z.B. FUEL) von den Einspritzdüsen 140 empfangen bzw.
an diese senden, ein Signal (z.B. ENGVAL) von den Ventilen 142 und 144 empfangen
bzw. an diese senden, ein Signal (z.B. OXDISP) von dem ODV-Ventil 130 empfangen
bzw. an dieses senden, ein Signal (z.B. S_U) von dem EGO-Sensor 160 empfangen
bzw. an diesen senden, ein Signal (z.B. S_MB) von dem EGO-Sensor 162 empfangen
bzw. an diesen senden, und ein Signal (z.B. S_P) von dem EGO-Sensor 164 empfangen
bzw. an diesen senden. Das Signal ENG liefert im Allgemeinen dem Controller 106 Information
in Bezug auf wenigstens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 102.
Das Signal THROT liefert im Allgemeinen Information in Bezug auf
die Position der Drosselklappe 134 oder steuert die Position
der Drosselklappe 134.
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Das
Signal EVAP liefert im Allgemeinen Information in Bezug auf die
Position des EVAP-Ventils 108 oder steuert die Position
des EVAP-Ventils 108. Das Signal FUEL steuert im Allgemeinen
die Einspritzdüsen 140.
Das Signal ENGVAL wird im Allgemeinen in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor 102 mit
einer variablen Ventilsteuerung implementiert. Das Signal ENGVAL
steuert im Allgemeinen den Betrieb der Ventile 142 und 144.
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Das
Signal OXDISP liefert im Allgemeinen Information in Bezug auf die
Position des ODV-Ventils 130 und steuert die Position des
ODV-Ventils 130. Die Signale S_U, S_MB und S_P liefern
im Allgemeinen Information in Bezug auf die Abgasemissionen (z.B.
NOx-Niveaus) an den jeweiligen Positionen in der Abgasanlage. Die
Signale S_U, S_MB und S_P können
sich auf das Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis (AFR),
NOx-Emissionen u. dgl. beziehen.
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Das
Steuerventil 108 kann an den Ansaugkrümmer 126 und den Lufteinlass 132 angeschlossen
sein. Das Steuerventil 108 kann die Strömung der verdampften Kraftstoffdämpfe in
Reaktion auf das Signal EVAP in den Ansaugkrümmer 126 und/oder
den Lufteinlass 132 lenken.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann das ODV-Ventil 130 als ein Abgasaufbereitungsventil (EGR= "exhaust gas regeneration") implementiert sein.
Das ODV-Ventil 130 kann
jedoch als ein beliebiges geeignetes Ventil implementiert sein,
welches die Abgasströmung
in Reaktion auf das Signal OXDISP von dem Auspuffkrümmer 124 und/oder
der Abgasanlage 104 in die Ansaugluftströmung steuert.
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Während einer
Abschaltung und während
eines Neustarts des Verbrennungsmotors 102 wird im Allgemeinen
zusätzlicher
Sauerstoff in die Abgasanlage gepumpt. Der Verbrennungsmotor 102 stoppt oder
startet sehr rasch die Verbrennung (d.h. es wird eine Abschalt-
oder alternativ eine Neustart-Operation durchgeführt). Wie oben ausgeführt, ist
der zusätzliche
Sauerstoff im Allgemeinen unerwünscht.
Im Allgemeinen wird gemäß der vorliegenden
Erfindung wenigstens einen Prozess implementiert, um die Luftmenge,
welche in den Verbrennungsmotor 102 und die Abgasanlage 104 gepumpt
wird, zu reduzieren.
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ANWENDUNG
AUF HEVS
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In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst eine Verbrennungsmotor-Abschalt- und-Neustart-Prozedur der vorliegenden Erfindung,
die im Allgemeinen die Abgas-NOx-Spitze
mildert, welche im Betrieb eines HEVs auftreten kann, zumindest
einen der folgenden Schritte:
- i. Eine Entscheidung,
den Verbrennungsmotor 102 abzuschalten, wird im Allgemeinen über den Controller 106 in
Reaktion auf Betriebsbedingungen des Fahrzeugs, in dem das Antriebsstrangsystem 100 implementiert
ist, durchgeführt.
Beispielsweise kann der (nicht gezeigte) Elektromotor, welcher in
Verbindung mit dem Antriebsstrangsystem 100 in einem HEV
implementiert ist, eine für
den Betriebszustand des Fahrzeugs angemessene Antriebskraft bereitstellen.
- ii. Die Drosselanordnung 134 kann über den Fahrzeug-Controller 106 vollständig geschlossen
werden (z. B. über
oder in Reaktion auf ein Signal THROT).
- iii. Der Verbrennungsmotor-Controller 106 fordert (d.h.
steuert) im Allgemeinen für
eine (erste) vorbestimmte Zeitdauer über oder in Reaktion auf das
Signal FUEL ein fettes Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis (AFR) (d.h. ein fettes
ARF wird an den Verbrennungsmotor 102 geliefert).
- iv. Der Verbrennungsmotor-Controller 106 öffnet im
Allgemeinen das ODV-Ventil 130 (z.B.
lenkt, steuert, leitet, etc. wenigstens einen Teil der von dem ICE 102 erzeugten
Abgase in die Ansaugluftströmung
des ICE's über oder in
Reaktion auf das Signal OXDISP), wenn der Verbrennungsmotor 102 unter
einem vorbestimmten Drehzahlschwellenwert betrieben wird (z.B. wenn
das Signal ENG einen Hinweis gibt, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors 102 unterhalb
des vorbestimmten Drehzahlschwellenwertes, z.B. einer ersten vorbestimmten
Drehzahl, liegt).
- v. Der Controller 106 stoppt im Allgemeinen die Kraftstoffversorgung
des Verbrennungsmotors 102 (z. B. wird das Signal FUEL
aktiviert/deaktiviert, um die Lieferung von Kraftstoff an den Verbrennungsmotor 102 zu
stoppen).
- vi. Der Verbrennungsmotor 102 trudelt im Allgemeinen
in Richtung Stopp (z.B. geht der Verbrennungsmotor 102 in
einen abgeschalteten Zustand über).
- vii. Der Verbrennungsmotor 102 bleibt in einem abgeschalteten
Zustand, bis der Controller 106 feststellt, dass ein Neustart
angebracht ist.
- viii. Eine Entscheidung wird getroffen, den Verbrennungsmotor 102 neu
zu starten (d. h. der Controller 106 stellt fest, dass
ein Neustart angebracht ist).
- ix. Das ODV-Ventil 130 ist im Allgemeinen geschlossen
(z. B. wird kein Abgas in die Ansaugluftströmung über oder in Reaktion auf das
Signal OXDISP geliefert).
- x. Der Verbrennungsmotor 102 wird mittels eines Starters
oder einer elektrischen Maschine (nicht gezeigt), welche als Starter
betrieben wird, auf eine gewünschte
oder geeignete Startdrehzahl gebracht (z. B. eine zweite vorbestimmte
Drehzahl).
- xi. Kraftstoff wird an die Einspritzdüsen 140 geliefert,
wenn der Controller 106 ermittelt, dass der Verbrennungsmotor 102 die
geeignete Startdrehzahl erreicht hat (z. B. kann der Controller 106 das Signal
ENG überwachen,
und wenn das Signal ENG anzeigt, dass sich der Verbrennungsmotor 102 bei der
Startdrehzahl oder darüber
befindet, kann der Controller 106 das Signal FUEL in geeigneter
Weise aktivieren/deaktivieren, um den Kraftstoffstrom an die Einspritzdüsen 140 zu
steuern).
- xii. Der Controller 106 fordert im Allgemeinen einen
fettes AFR (d.h. ein fettes AFR wird an den Verbrennungsmotor 102 geliefert)
für eine
kurze (d.h. eine zweite) vorbestimmte Zeitperiode (z. B. über oder
in Reaktion auf das Signal FUEL).
- xiii. Die Drosselklappe 134 wird in die gewünschte vorbestimmte
Position für
einen Start des Verbrennungsmotors 102 mittels des Controllers 106 geöffnet (z.
B. über
oder in Reaktion auf das Signal THROT).
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Die
Abläufe
eines Abschaltens und eines Neustarts des Verbrennungsmotors 102 gemäß der vorliegenden
Erfindung können
wenigstens einen der folgenden Schritte aufweisen:
- a. Die Drosselklappe 134 kann geschlossen werden, wenn
die Kraftstoffzufuhr während
des Herunterdrehens des Verbrennungsmotors 102 unterbrochen
wird (zum Beispiel kann der Controller 106 die Signale
THROT und FUEL ausgeben, um die Drosselklappe 134 zu schließen und
die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzdüsen 140 zu stoppen, wenn
das Signal ENG anzeigt, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors 102 während einer
Abschaltung abnimmt).
- b. Der Controller 106 kann das Signal THROT aktivieren
(d.h. ausgeben, übertragen,
senden etc.), so dass die Drosselklappe 134 geschlossen
wird, bis die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzdüsen 140 wieder aufgenommen
wird (z. B. in Reaktion auf das Signal FUEL), wenn ein Hochdrehen
des Verbrennungsmotors durchgeführt
wird.
- c. Der Controller 106 kann das Signal FUEL aktivieren,
so dass die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzdüsen 140 verzögert wird,
bis die Drehzahl des Verbrennungsmotors 102 einen vorbestimmten
Wert (zum Beispiel die erste vorbestimmte Drehzahl) während eines
Herunterdrehens des Verbrennungsmotors unterschreitet.
- d. Der Controller 106 kann das Signal FUEL aktivieren,
so dass die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzdüsen 140 ausgelöst und aufrechterhalten wird,
wenn sich die Drehzahl des Verbrennungsmotors 102 bei oder über einem
(dritten) vorbestimmten Wert während
eines Hochdrehens des Verbrennungsmotors befindet.
- e. Der Controller 106 kann das Signal FUEL aktivieren,
so dass die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzdüsen 140 ausgelöst und aufrechterhalten wird,
um eine stöchiometrische
oder fette Verbrennung zu bewirken, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors 102 sich
bei oder oberhalb von einem (vierten) vorbestimmten Wert während eines
Neustarts des Verbrennungsmotors befindet.
- f. Der Controller 106 kann das Signal OXDISP während wenigstens
eines Zeitintervalls während des
Hochdrehens oder des Herunterdrehens des Verbrennungsmotors 102 aktivieren,
so dass das ODV-Ventil 130 offen ist (d.h. Abgas von der
Abgasanlage 104 in den Ansaugluftstrom geleitet wird).
- g. In einem Ausführungsbeispiel,
in welchem der Verbrennungsmotor 102 ein flexibles Ventil-Zeitsteuerungssystem
aufweist (z. B. wenn die Ventile 142 und 144 in
Verbindung mit einem variablen Zeitsteuerungssystem implementiert
werden) kann die Ventil-Zeitsteuerung so gesteuert werden, dass
die Luftmenge, welche von dem Verbrennungsmotor 102 in
die Abgasanlage 104 gepumpt wird, reduziert wird. Wenn
der Verbrennungsmotor 102 beispielsweise mit einem vollständig flexiblen
Ventilsystem ausgestattet ist (z. B. einer elektromagnetischen Ventilaktivierung, EVA-System
od. dgl.), können
die Einlassventile 142 in Reaktion auf das Signal ENGVAL
offen gehalten werden, während
die Auslassventile 144 geschlossen sind (oder umgekehrt),
um das Pumpen von Luft mittels des Verbrennungsmotors 102 in
den Auspuffkrümmer 124 und
die Abgasanlage 104 zu reduzieren oder zu eliminieren.
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Weiterhin
können
die Verfahren zum Abschalten und Neustart des Verbrennungsmotors 102 gemäß der vorliegenden
Erfindung solche Schritte aufweisen (z.B. ein Überwachen der Signale S_U, S_MB
und S_P und Ausgeben des Signals FUEL, um die Kraftstoffzufuhr über die
Einspritzdüsen 140 zu steuern),
dass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis
gesteuert wird, um die Sauerstoffspeicherung durch den Katalysator 152 vor,
während
und nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors 102 zu beeinflussen.
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Ein
Betreiben des Antriebsstrangsystems 100 in einem fetten
Zustand hat im Allgemeinen den Effekt, dass ein Teil des Sauerstoffs,
welcher in dem Katalysator 152 gespeichert ist, eliminiert
wird, bis sämtlicher
Sauerstoff entfernt wurde. Ein Betreiben des Antriebsstrangsystems 100 in
einem mageren Zustand hat im Allgemeinen den Effekt, dass die Menge
an gespeichertem Sauerstoff erhöht
wird, bis der Katalysator 152 mit Sauerstoff gesättigt ist.
Eine kurze Zeitdauer (z. B. das Zeitintervall der Verzögerung,
bis die Drehzahl des Verbrennungsmotors 102 bis auf einen
Wert unterhalb der zweiten vorbestimmten Drehzahl erniedrigt ist)
eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses reduziert im Allgemeinen
in die Menge an Sauerstoff, die in dem Katalysator 152 gespeichert
ist, und bereitet den Katalysator 152 darauf vor, eine
Sauerstoffmenge zu adsorbieren, bevor der Abschaltvorgang tatsächlich anfängt (d.h.
ausgelöst wird,
beginnt etc.).
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Indem
die Drosselklappe 134 während
der Abschaltung vollständig
geschlossen gehalten wird, kann eine minimale Luftmenge in den Verbrennungsmotor 102 über die
Drosselklappe 134 gezogen werden, und die Luftmenge, welche
von dem Verbrennungsmotor 102 gepumpt wird, wird im Allgemeinen reduziert.
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Kraftstoff
kann an die Einspritzdüsen 140 während des
Abschaltvorgangs solange wie möglich (d.h.
für die
erste vorbestimmte Zeitdauer) geliefert werden (d.h. der Controller 106 aktiviert/deaktiviert das
Signal FUEL). Insbesondere wird der Drehzahlschwellenwert, welcher
als das Kriterium für
die Unterbrechung der Kraftstoff zufuhr zu dem Verbrennungsmotor
implementiert wird, zu einer Drehzahl bestimmt, welche im Allgemeinen
eine Kraftstoffunterbrechung bei einer hohen Motordrehzahl verhindert
(z. B. einer Drehzahl von vorzugsweise mehr als 600 Umdrehungen
pro Minute und bei einer Drehzahl, welche nominell größer als
550 Umdrehungen pro Minute ist). Wenn die Kraftstoffzufuhr bei einer hohen
Drehzahl des Verbrennungsmotors unterbrochen wird, nimmt im Allgemeinen
die Luftmenge, welche von dem Verbrennungsmotor während des
Abschaltvorgangs gepumpt wird, signifikant zu.
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Das Öffnen des
ODV-Ventils 130 (d.h. das Lenken von zumindest eines Teils
des Abgases in den Ansaugluftstrom) während des Abschaltens hat im
Allgemeinen wenigstens zwei Vorteile gegenüber herkömmlichen Ansätzen. Der
erste Vorteil besteht darin, dass anstelle einer Ansaugung von Luft
in den Ansaugkrümmer 126 ausschließlich über die
Drosselklappe 134 der Ansaugkrümmer 126 zumindest einen
Teil des Abgases durch das ODV-Ventil 130 ansaugt. Da das
Abgas weitgehend sauerstoffverarmt ist, kann das Abgas den Sauerstoff
unterdrücken, welcher
in den Ansaugkrümmer 126 über die
Drosselklappe 134 eingetreten wäre.
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Der
zweite Vorteil besteht darin, dass dann, wenn der Verbrennungsmotor 102 zu
drehen aufhört, der
Dampfdruck innerhalb des Ansaugkrümmers 126 im Allgemeinen
auf Atmosphärendruck
ansteigt. Wenn das ODV-Ventil 130 geöffnet ist, füllt sich
der Ansaugkrümmer 126 im
Allgemeinen mit primären Abgasen
anstatt mit Frischluft. Während
des Neustart-Vorganges ist der Ansaugkrümmer 126 mit sauerstoffdefizitärem Gas
(z. B. Abgas) weitgehend angefüllt,
welches nicht zur Speicherung von Sauerstoff in dem Katalysator 152 beiträgt. Das Öffnen des ODV-Ventils 130 während der
Abschaltung kann im Vergleich zu einem herkömmlichen Abschaltvorgang die
Sauerstoffmenge signifikant reduzieren, welche in die Abgasanlage 104 gepumpt
wird.
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Wie
bei dem Abschaltvorgang bleibt auch während eines Neustarts gemäß der vorliegenden Erfindung
die Drosselklappe 134 im Allgemeinen geschlossen, bis der
Verbrennungsmotor 102 gestartet wird oder startbereit ist.
Außerdem
wird im Allgemeinen die Kraftstoffzufuhr so schnell wie möglich wieder
aufgenommen (d.h. das Signal FUEL wird im Allgemeinen aktiviert,
wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors 102 das erste
vorbestimmte Drehzahl-Niveau erreicht). Eine kurze Periode eines
fetten Betriebs (z. B. ein fetter Betrieb für das zweite vorbestimmte Zeitintervall)
des Antriebsstrangsystems 100 reduziert im Allgemeinen
die Menge an Sauerstoff, welche in dem Katalysator 152 gespeichert
wird. Die fette Periode reduziert im Allgemeinen zumindest einen
Teil des Sauerstoffs, welcher in dem Katalysator 152 gespeichert
wurde, indem der Verbrennungsmotor 102 Luft in die Abgasanlage 104 pumpt.
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ANWENDUNG
AUF UNTERBRECHUNG DER KRAFTSTOFFZUFUHR BEI VERZÖGERUNG
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Entsprechend
einem anderen Beispiel kann wenigstens ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
für eine
Kraftstoffzufuhrunterbrechung bei Verzögerung implementiert werden
(z. B. in Verbindung mit einem herkömmlichen Fahrzeug, welches nur
einen Verbrennungsmotor aufweist). In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung umfasst ein solcher Algorithmus im Allgemeinen wenigstens
einen der folgenden Schritte:
- a. Eine Entscheidung,
die Kraftstoffzufuhr zu dem Verbrennungsmotor 102 zu unterbrechen
(d.h. auszusetzen, zu stoppen etc.) wird im Allgemeinen über den
Controller 106 in Reaktion auf Betriebszustände des
Fahrzeugs, in welchem das Antriebsstrangsystem 100 implementiert
ist, getroffen.
- b. Die Drosselklappe 134 des Verbrennungsmotors 102 kann
durch den Controller 106 (z. B. über oder in Reaktion auf das
Signal THROT) oder durch den Benutzer (z. B. Fahrer) des Fahrzeugs vollständig geschlossen
werden.
- c. Der Controller 106 steuert (z. B. öffnet) das ODV-Ventil 130 (z.
B. lenkt wenigstens einen Teil des Abgases in den Eingangsluftstrom über oder in
Reaktion auf das Signal OXDISP), wenn der Verbrennungsmotor 102 unter halb
des vorbestimmten Drehzahlschwellenwerts betrieben wird (z. B. wenn
das Signal ENG anzeigt, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors 102 unterhalb des
vorbestimmten Drehzahlschwellenwerts, z. B. der ersten vorbestimmten
Drehzahl, liegt).
- d. Der Controller 106 unterbricht im Allgemeinen die
Kraftstoffzufuhr zu dem Verbrennungsmotor 102 (d. h. das
Signal FUEL wird aktiviert/deaktiviert, um die Kraftstoffzufuhr
zu dem Verbrennungsmotor 102 zu stoppen).
- e. Der Verbrennungsmotor 102 beginnt im Allgemeinen
wieder zu drehen.
- f. Eine Entscheidung wird getroffen, die Kraftstoffzufuhr des
Verbrennungsmotors 102 wieder aufzunehmen (d. h. der Controller 106 stellt
fest, dass eine Kraftstoffzufuhr angebracht ist).
- g. Das ODV-Ventil 130 wird im Allgemeinen so gesteuert
(z. B. geschlossen), das kein Abgas in den Ansaugluftstrom über oder
in Reaktion auf das Signal OXDISP geleitet wird.
- h. Die Drosselklappe 134 wird in die gewünschte Position
für den
Betrieb des Verbrennungsmotors 102 durch den Controller 106 (z.
B. über
oder in Reaktion auf das Signal THROT) oder durch den Benutzer geöffnet.
- i. Kraftstoff wird an die Einspritzdüsen 140 geliefert
(z. B. kann der Controller 106 das Signal FUEL in geeigneter
Weise aktivieren/deaktivieren, um die Kraftstoffströmung zu
den Einspritzdüsen 140 zu
steuern).
- j. Der Verbrennungsmotor 102 startet die Verbrennung
(z. B. zündet
der Verbrennungsmotor 102).
- k. Der Controller 106 fordert im Allgemeinen ein fettes
AFR für
eine kurze (d.h. die zweite) vorbestimmte Zeitdauer (z. B. über oder
in Reaktion auf das Signal FUEL).
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Indem
das ODV-Ventil 130 während
einer Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr betätigt (d. h. geöffnet) wird
(d.h. Abgas in den Ansaugluftstrom geleitet wird), wird im Allgemeinen
die Menge an Sauerstoff, welche von dem Katalysator 152 adsorbiert wird,
reduziert, und der Temperaturabfall des Katalysators 152 wird
ebenfalls im Vergleich zu herkömmlichen
Ansätzen
reduziert.
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VERFAHREN
UNTER EINSATZ EINER TECHNOLOGIE MIT VARIABLER VENTILSTEUERUNG
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Wenn
der Verbrennungsmotor 102 mit einer Technologie mit variablen
Ventilen ausgestattet ist, kann das Volumen an Sauerstoff, welcher
mittels des Verbrennungsmotors 102 gepumpt wird, im Vergleich zu
herkömmlichen
Ansätzen
wesentlich reduziert werden, indem wenigstens eines der Ventile 142 und 144 während einer
Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr manipuliert (d. h. gesteuert)
wird. In einem Ausführungsbeispiel
kann das Einlassventil 142 bei Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr
vollständig
geschlossen sein (z. B. kann der Controller 106 das Signal
ENGVAL in geeigneter Weise aktivieren/deaktivieren). Die Luftströmung in
die Zylinder und folglich in die Abgasanlage 104 kann reduziert
oder eliminiert werden.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
kann der Ventilzug (d. h. die Ventile 142 und 144)
manipuliert werden (d.h. gesteuert, befehligt etc.), um Abgas in
den Ansaugkrümmer 126 zu
pumpen. Die Steuerung der Ventile 142 und 144 in
Reaktion auf das Signal ENGVAL kann den Betrieb des ODV-Ventils 130 in
Reaktion auf das Signal OXDISP wie oben erläutert nachahmen (d. h. die
Steuerung von Abgas in die Ansaugluftströmung ist im Wesentlichen die
gleiche). Dies bedeutet, das die variablen Ventile 142 und 144 so
gesteuert werden können,
das wenigstens ein Teil der Abgase, welche von dem Verbrennungsmotor 102 erzeugt
werden, in den Ansaugluftstrom geleitet werden, wenn eine Entscheidung
getroffen wird, den Verbrennungsmotor 102 abzuschalten.
Die variablen Ventile 142 und 144 können so
gesteuert werden, dass keine Abgase in den Ansaugluftstrom geleitet werden, wenn
eine Entscheidung getroffen wird, den Verbrennungsmotor 102 neu
zu starten.
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VERWENDUNG
VON SPÜLDÄMPFEN ZUM SCHAFFEN
FETTER BETRIEBSBEDINGUNGEN
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In
einem anderen Beispiel kann mit Dämpfen des Dampfemissionssystems
gespült
werden, um einen fetten Betriebszustand für das Antriebsstrangsystem 100 zu
erzeugen. Bei Verwendung herkömmlicher
Ansätze
hat sich ein angemessenes Spülen
bei HEVs infolge des allgemeinen Mangels an Leerlaufbetriebszeit,
während
der der Tank typischerweise gepumpt wird, als schwierig erwiesen.
Indem das Spül-Ventil 108 in
Reaktion auf das Signal EVAP so gesteuert (z. B. geöffnet) wird,
dass fette Bedingungen zumindest für den Ansaugkrümmer 126 und
den Lufteinlass 132 geschaffen werden, kann eine rasche Abführung der
Kraftstoffdämpfe
in einem Zeitintervall durchgeführt
werden, während
dessen eine präzise Steuerung
des Fettheitsgrades für
die Emissionssteuerung weitgehend unbedeutend ist.
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In 2(a–b)
sind ein Diagramm 200, welches NOx-Abgasemissionen eines
Fahrzeugs gemäß einem
herkömmlichen
Ansatz zeigt, und ein Diagramm 300, welches NOx-Abgasemissionen
eines vergleichbaren Fahrzeugs gemäß der Strategie des Systems
und des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, dargestellt. Die Auftragungen 202 und 302 stellen
im Allgemeinen die augenblicklichen Abgasendrohr-NOx-Emissionen
gemäß dem herkömmlichen
Ansatz bzw. gemäß der Vorrichtung und
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung dar. Die Auftragungen 204 und 304 stellen
im Allgemeinen die kumulativen Abgasendrohr-NOx-Emissionen gemäß dem herkömmlichen Ansatz bzw. gemäß der Vorrichtung
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung dar. Die Warmstart-FUDS-Emissionen (FUDS= "Federal Urban Driving
Schedule") betrugen etwa
0,267 g/km (≈ 0.43
g/Meile) und 0,061 g/km (≈ 0.026
g/Meile) für
die Fahrzeuge gemäß dem herkömmlichen
Ansatz bzw. gemäß der Vorrichtung
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
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Somit
können
gemäß der Vorrichtung
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Abgasemissionen
effizient und effektiv so gesteuert werden, dass NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors
nach einer Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr wirksam reduziert
werden.