DE102008013777A1

DE102008013777A1 - SCR-Kaltstart-Heizsystem für ein Dieselabgas

Info

Publication number: DE102008013777A1
Application number: DE102008013777A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Pinckney Gonze; Michael J. Jr. Howell Paratore; Frank Troy Ament
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: CN101265825B; CN101265825A; DE102008013777B4; US7818960B2; US20080223019A1

Abstract

Eine Abgasanlage umfasst ein Heizelement, das stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und das Wärmeenergie in ein Abgas der Brennkraftmaschine einleitet. Eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) ist stromabwärts des Heizelements angeordnet und filtert Stickoxide (NOx) in dem Abgas. Ein Steuermodul steht mit dem Heizelement in Verbindung und schaltet es beruhend auf Temperatur der SCR-Einrichtung ein.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Abgasanlagen und insbesondere damit verbundene Emissionsreduzierungstechniken.
Hintergrund
Die hierin vorgesehene Beschreibung des Hintergrunds dient dem Zweck der allgemeinen Darstellung des Zusammenhangs der Offenbarung. Die Arbeit der vorliegend genannten Erfinder, sofern sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben wird, sowie Aspekte der Beschreibung, die ansonsten zum Zeitpunkt der Einreichung nicht als Stand der Technik gelten, werden gegenüber der vorliegenden Offenbarung weder ausdrücklich noch unausgesprochen als Stand der Technik zugelassen.
Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge werden zum Filtern und Reduzieren der Emissionen von Stickoxiden (NOx) verwendet. Es wurden mehrere Technologien zum Senken von NOx-Emissionen entwickelt. Die Technologien umfassen passive Verfahren, die Katalysatoren nutzen, sowie aktive Verfahren, beispielsweise elektrochemische Katalyse und photokatalytische, Plasma- und Lasertechniken. Zum Beispiel nutzen fett verbrennende Brennkraftmaschinen einen Dreiwegekatalysator zum Senken von NOx-Emissionen. Der Dreiwegekatalysator umfasst typischerweise eine Kombination aus Edelmetallen, die auf einem stabilisierten Aluminiumoxidträger aufgebracht sind. Der Dreiwegekatalysator arbeitet mit einem Regelungs system, das einer Brennkraftmaschine befiehlt, Luft und Kraftstoff in stöchiometrischen Anteilen zu mischen. Durch Steuern eines Kraftstoff/Luft-Verhältnisses der Brennkraftmaschine werden Kohlenwasserstoffe (HCs) und Kohlenmonoxid (CO) zum Umwandeln von NOx und HCs in Kohlendioxid, Wasser, Wasserstoffgas und/oder Stickstoffgas erzeugt.
Die NOx-Reduktionsleistung des Dreiwegekatalysators, die bei Benzinbrennkraftmaschinen die Standardtechnologie für ein Senken von NOx ist, lässt in Anwesenheit von Sauerstoff schnell nach. Somit ist diese Technologie beim Steuern von NOx-Emissionen in mageren Abgasen ineffektiv. Ansätze, die NOx-Emissionen in Magermix-Brennkraftmaschinen steuern, d. h. in Brennkraftmaschinen wie z. B. Dieselbrennkraftmaschinen, die Kraftstoff bei Sauerstoffüberschuss verbrennen, umfassen Einrichtungen für die katalytische Zersetzung von Stickoxid (NO) und Einrichtungen für die selektive katalytische Reduktion (SCR, kurz vom engl. Selective Catalytic Reduction).
Der Zersetzung von NOx in einem Dieselabgas erfordert eine hohe Aktivierungsenergie und ist somit eingeschränkt. Daher ist ein Katalysator erforderlich, um zum Erleichtern der Zersetzung diese Aktivierungsenergie zu senken. Zum Zersetzen von NOx werden verschiedene Katalysatoren verwendet, darunter Edelmetalle, Metalloxide, zeolitbasierte Katalysatoren und kupferionen-getauschter Zeolit.
Auch wenn die Verwendung eines Katalysators zur Senkung der Aktivierungsenergie beiträgt, pflegen derzeitige Dieselbrennkraftmaschinen bei Starten und bei mittlerem Betrieb kühle Abgastemperaturen aufzuweisen. Dies verzögert die Wirksamkeit einer SCR-Einrichtung. Eine SCR-Einrichtung muss eine Mindestbetriebstemperatur erreichen, um NOx wirk sam zu filtern. Typischerweise reinigt eine SCR-Einrichtung ein Abgas erst einige Minuten nach Starten einer Brennkraftmaschine effizient.
Zusammenfassung
Demgemäß wird eine Abgasanlage vorgesehen, die ein Heizelement umfasst, das stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und das Wärmeenergie in ein Abgas der Brennkraftmaschine einleitet. Eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) ist stromabwärts des Heizelements angeordnet und filtert Stickoxide (NOx) im Abgas. Ein Steuermodul steht in Verbindung mit dem Heizelement und schaltet es beruhend auf der Temperatur der SCR-Einrichtung ein.
Bei anderen Merkmalen ist eine Dieselabgasanlage vorgesehen und umfasst ein Heizelement, das stromabwärts einer Dieselbrennkraftmaschine angeordnet ist und das Wärmeenergie in ein Abgas der Dieselbrennkraftmaschine einleitet. Ein Dieseloxidationskatalysator ist stromabwärts des Heizelements angeordnet und beseitigt Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid aus dem Abgas. Eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) ist stromabwärts des Dieseloxidationskatalysators angeordnet und filtert Stickoxide (NOx) im Abgas. Ein Steuermodul steht in Verbindung mit dem Heizelement und schaltet es beruhend auf der Temperatur der SCR-Einrichtung ein.
Bei noch anderen Merkmalen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage vorgesehen und umfasst das Erzeugen eines Brennkraftmaschinen-Startsignals. Ein elektrisch beheizter Katalysator (EHC, kurz vom engl. Electrically Heated Catalyst), der stromabwärts einer Dieselbrennkraftmaschine angeordnet ist und der Wärmeenergie in ein Abgas der Dieselbrennkraftmaschine einleitet, wird beruhend auf dem Brennkraft maschinen-Startsignal eingeschaltet. Stickoxide (NOx) in der Abgasanlage werden mittels einer Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR), die stromabwärts des EHC angeordnet ist, gefiltert.
Weitere Anwendungsgebiete gehen aus der hierin vorgesehenen Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele lediglich den Zwecken der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung beschränken sollen.
Zeichnungen
Die vorliegende Offenbarung geht wird anhand der eingehenden Beschreibung und den Begleitzeichnungen besser verständlich. Hierbei zeigen:
1 ein Funktionsblockdiagramm eines Teils eines beispielhaften Dieselbrennkraftmaschinensystems, das ein Heizsystem für selektive katalytische Reduktion mit einem elektrisch beheizten Katalysator (EHC) und eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält;
2 ein Funktionsblockdiagramm eines anderen Teils des beispielhaften Dieselbrennkraftmaschinensystems von 1;
3 ein Wärmeflussdiagramm einer exothermen Reaktion nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
4 ein Logikflussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform veranschaulicht.
Eingehende Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Offenbarung, ihre Anwendung oder Einsatzmöglichkeiten beschränken. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen zum Bezeichnen ähnlicher Elemente verwendet. Der Begriff Modul, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam, dediziert oder Gruppe) samt Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität vorsehen. Der Ausdruck mindestens eines von A, B und C, so wie er hierin verwendet wird, sollte so ausgelegt werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen Oder bedeutet. Es versteht sich, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu ändern.
Unter Bezug auf 1–2 werden Funktionsblockdiagramme von Teilen eines beispielhaften Dieselbrennkraftmaschinensystems 10 eines Fahrzeugs 11 gezeigt, das ein Heizsystem 12 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) umfasst. Es versteht sich, dass das Dieselbrennkraftmaschinensystem 10 lediglich beispielhafter Natur ist und dass das hierin beschriebene SCR-Heizsystem 12 in verschiedenen Brennkraftmaschinensystemen umgesetzt werden kann, die eine SCR-Einrichtung aufweisen. Solche Brennkraftmaschinensysteme können Benzinbrennkraftmaschinensysteme mit Direkteinspritzung und homogene Kompressionszün dungsbrennkraftmaschinensysteme umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt.
Das Brennkraftmaschinensystem 10 umfasst eine Dieselbrennkraftmaschine 14, ein Luftansaugsystem 16, ein Kraftstoffeinspritzsystem 18, ein Glühkerzensystem 20 (oder ein Zündsystem im Fall einer Benzinbrennkraftmaschine mit Fremdzündung) und eine Abgasanlage 22. In einer vereinfachten Ausführungsform umfasst das SCR-Heizsystem 12 ein Steuermodul 24, eine SCR-Einrichtung 26 und einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC) 28. Der EHC 28 ist stromaufwärts der SCR-Einrichtung 26 angeordnet. In komplexeren Ausführungsformen kann das SCR-Heizsystem 12 das Luftansaugsystem 16, das Kraftstoffeinspritzsystem 18, das Glühkerzensystem 20, die Abgasanlage 22 und zugehörige Elemente, Komponenten und Systeme derselben umfassen.
Das SCR-Heizsystem 12 beheizt die SCR-Einrichtung 26 frühzeitig in einem Startprozess der Brennkraftmaschine. Dies ermöglicht ein früheres Anheben der Temperatur der SCR-Einrichtung 26 auf eine aktive Betriebstemperatur in Zyklen der bundesstaatlichen Prüfverfahren (FTP, kurz für Federal Test Procedure), was wiederum Abgasemissionen senkt. Herkömmliche Dieselbrennkraftmaschinen starten und arbeiten mit kühlen Abgastemperaturen. Vom ersten Starten bis zu einem Zeitpunkt, bei dem die Katalysatornachbehandlungssysteme eine aktive Betriebstemperatur erreichen, sind herkömmliche Abgasanlagen bei der Verhinderung von Abgasemissionen ineffektiv. Der Zeitrahmen zwischen Starten und dem Zeitpunkt, bei dem die Abgasanlage einen effizienten aktiven Betrieb erreicht, kann mehrere Minuten lang sein. Bei Arbeiten bei Temperaturen unter der aktiven Betriebstemperatur, die bei einigen SCR-Einrichtungen bei etwa 200°C liegt, kann unbehandeltes Abgas ausgestoßen werden. Die hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsformen heben die Temperatur der Nachbehandlungssysteme bei einem Starten der Brennkraftmaschinen schnell und frühzeitig an, um Abgasemissionen signifikant zu senken.
Die Brennkraftmaschine 14 verbrennt ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, um Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Die Brennkraftmaschine 14 umfasst acht Zylinder 40, die in benachbarten Zylinderbanken 42, 44 in einer V-Anordnung ausgelegt sind. Auch wenn 1 acht Zylinder (N = 8) zeigt, versteht sich, dass die Brennkraftmaschine 14 zusätzliche oder weniger Zylinder umfassen kann. Es werden zum Beispiel Brennkraftmaschinen in Betracht gezogen, die 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12 und 16 Zylinder aufweisen. Es wird auch erwartet, dass das SCR-Heizsystem 12 mit einer Reihen-Zylinderkonfiguration oder einer anderen Art von Zylinderkonfiguration umgesetzt und dieser zugeordnet werden kann.
Das Luftansaugsystem 16 kann eine Drosselklappe 46 und/oder andere den Luftstrom steuernde Vorrichtungen 48 umfassen. Die Drosselklappe 46 kann nahe oder in einem Ansaugkrümmer 50 positioniert sein. Der Ansaugkrümmer 50 ist an der Brennkraftmaschine 14 angebracht.
Das Kraftstoffeinspritzsystem 18 kann wie dargestellt in Form eines Common-Rail-Einspritzsystems vorliegen. Das Kraftstoffeinspritzsystem 18 umfasst Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 52. Jede Kraftstoffeinspritzeinrichtung 52 ist einem der Zylinder 40 zugeordnet. Das Kraftstoffsystem 18 liefert der Brennkraftmaschine 14 Kraftstoff, der mit Luft gemischt und mittels Kompression und Wärme und/oder durch das Glühkerzensystem 20 gezündet werden kann. Die Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches liefert der Brennkraftmaschine 14 Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs 11.
Das Glühkerzensystem 20 umfasst Glühkerzen 60 (oder Zündkerzen im Fall einer Benzinbrennkraftmaschine mit Fremdzündung). Die Glühkerzen 60 können an einer Dieselbrennkraftmaschine zum Auslösen eines Zündprozesses während Startens verwendet werden. Der Zweck des Glühkerzensystems 20 ist das Vorheizen der Zylinder 40 oder das Vorheizen von Verbrennungsvorräumen bei einer Brennkraftmaschine mit indirekter Einspritzung für ein einfacheres Starten, wenn die Brennkraftmaschine 14 kalt ist.
Ein Schalter 62 startet den Betrieb des Steuermoduls 24. Der Schalter 62 kann ein Zündschalter, ein manuell gesteuerter Schalter, ein Steuerschalter, ein Halbleiterschalter, ein Schalter in dem Steuermodul 24 oder ein anderer Schalter sein. Das Steuermodul 24 lässt die Brennkraftmaschine 14 durch Signalisieren an einen Anlasser 64, eine Schwungscheibe 66 zu drehen, die eine Kurbelwelle 68 kurbelt, an. Die Kurbelwelle 68 betreibt eine Steuerkette 70, die Nockenwellen 72 dreht. Das Steuermodul 24 synchronisiert das SCR-Heizsystem 12, die Brennkraftmaschine 14, das Luftansaugsystem 16, das Kraftstoffsystem 18 und das Glühkerzensystem 20. Das Steuermodul 24 kann Zeitsteuersensoren 80, beispielsweise Kurbelwellenstellungs- und Nockenwellenstellungssensoren 82 nutzen, um Positionen der Kolben 84 in jedem der Zylinder 40 zu ermitteln und um Verbrennungstaktsteuerzeiten und andere Zeitsteuerungsparameter zu ermitteln. Die Stellungen der Kurbelwelle 68 und der Nockenwellen 72 können die Position jedes Kolben 84 in jedem der Zylinder 40 bestimmen. Im Allgemeinen bestimmt die Stellung der Nockenwellen 72, ob sich die Kolben 84 in jedem der Zylinder 40 in einem Ansaug- oder einem Verdichtungstakt befinden.
Über der Drosselklappe 46 wird Luft in den Ansaugkrümmer 50 gesaugt. Von dem Ansaugkrümmer 50 wird Luft in die Zylinder 40 gesaugt und darin verdichtet. Durch das Kraftstoffeinspritzsystem 18 wird Kraftstoff in die Zylinder 40 eingespritzt, und Wärmeenergie (Wärme) der verdichteten Luft und/oder von dem Glühkerzensystem 20 zündet das Kraftstoff/Luft-Gemisch. Abgase werden von den Zylindern 40 in die Abgasanlage 22 abgelassen. In manchen Fällen kann das Brennkraftmaschinensystem 10 einen Turbolader 88 umfassen, der eine durch Abgas angetriebene Turbine 90 zum Antreiben eines Verdichters 92 nutzt, der die in den Ansaugkrümmer 50 eindringende Luft verdichtet. Die verdichtete Luft strömt typischerweise durch einen Luftkühler, bevor sie in den Ansaugkrümmer 50 eindringt.
Bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine, wie sie für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt wird, hat jeder Kolben 84 vier Takte: einen Ansaugtakt, einen Verdichtungstakt, einen Expansions- oder Arbeitstakt und einen Auspufftakt. Die Stellungen der Kurbelwelle 68 und der Nockenwellen 72 ermöglichen es dem Steuermodul 24 zu ermitteln, wann ein Kolben einen Ansaugtakt beginnt oder einen Verdichtungstakt beendet. Wenn sich ein Kolben nahe dem Beginn eines Ansaugtakts befindet, signalisiert das Steuermodul 24 den Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 52 zu arbeiten. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 52 spritzen Kraftstoff in den Ansaugkrümmer 50, auf den die Brennkraftmaschinenzylinder 40 folgen. Auch wenn das Einspritzen des Kraftstoffs in den Ansaugkrümmer 50 beschrieben wird, kann er auch direkt in die Zylinder 40 eingespritzt werden. Bei Enden eines Verdichtungstakts zündet Wärme in den Zylindern 40 das Kraftstoff/Luft-Gemisch, das während des Ansaugtakts in den Brennkraftmaschinenzylinder eindringen durfte, um einen Arbeitstakt zum Antreiben der Kurbelwelle 68 zu erzeugen. Nach dem Zünden des Kraftstoffs in einem Brennkraftmaschinenzylinder wird sich ergebendes Abgas beim Auspufftakt durch die Abgasanlage 22 freigesetzt.
Die Abgasanlage 22 umfasst Abgaskrümmer 100, 102, Abgasleitungen 96, 104, 106 und das SCR-Heizsystem 12, das für die gezeigte Ausführungsform als Dieselabgasfiltersystem bezeichnet werden kann oder als Teil eines solchen enthalten sein kann. Die Abgaskrümmer 100, 102 leiten das aus den entsprechenden Zylinderbänken 40, 44 austretende Abgas in die Abgasleitungen 96, 104, 106. Optional kann ein AGR-Ventil 110 einen Teil des Abgases zurück in den Ansaugkrümmer 50 leiten. Der Rest des Abgases wird in den Turbolader 88 zum Antreiben der Turbine 90 geleitet. Die Turbine 90 erleichtert die Verdichtung der von dem Ansaugkrümmer 50 aufgenommenen Frischluft. Ein kombinierter Abgasstrom strömt von dem Turbolader 88 durch die Abgasleitung 96.
Das Filtersystem 12 umfasst die SCR-Einrichtung 26, den EHC 28, eine Mischeinrichtung 20, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 122 und ein Injektorsystem 124 für gasförmiges oder flüssiges Reduktionsmittel. Die Mischeinrichtung 20 ist stromaufwärts der SCR-Einrichtung 26 angeordnet. Der DOC 122 ist stromaufwärts der Mischeinrichtung 120 angeordnet. Der EHC 28 ist stromaufwärts des DOC 122 angeordnet. Die gezeigte Positionsreihenfolge der SCR-Einrichtung 26, des EHC 28, der Mischeinrichtung 20 und des DOC 122 dient lediglich Beispielzwecken, es können andere Anordnungen implementiert werden. Bei dem gezeigten Beispiel sind die SCR-Einrichtung 26 und die Mischeinrichtung 120 Teil eines ersten Behälters 128 und sind in ihm untergebracht. Der EHC 28 und der DOC 122 sind Teil eines zweiten Behälters 130 und in diesem untergebracht. Der zweite Behälter 130 ist stromaufwärts des ersten Behälters 128 angeordnet und ist zwischen der Turbine 90 und dem ersten Behälter 128 verbaut.
Der DOC 122 kann einen Kernträger mit mehreren Schichten aufweisen, die eine oder mehrere Katalysatorschichten und eine Washcoat-Schicht umfassen, die die Oberfläche des Kernträgers vergrößert. Der Kernträger kann aus einer Wabe aus Keramik oder Edelstahl gebildet und mit einem oder mehreren Edelmetallen beschichtet sein. Beispiele für Edelmetalle sind Platin, Palladium, Rhodium, Zer, Eisen, Mangan, Nickel und Kupfer. Der Washcoat kann Silizium oder Aluminium umfassen.
Das Reduktionsmittelinjektorsystem 124 umfasst einen Reagenztank 140, einen Filter 142 und eine Pumpe 144. Der Reagenztank 140 fasst ein Reagens, beispielsweise Ammoniak oder Harnstoff, das gefiltert und mittels eines Reagensinjektors 146 in das Abgas stromaufwärts der SCR-Einrichtung 26 gepumpt wird. Das Reagens mischt sich mit dem Abgas und zersetzt sich vor dem Strömen durch mindestens ein Abgaskatalysatorbett in der SCR-Einrichtung 26. Sobald es sich im Abgas befindet, verdampft das Reagens, mischt sich mit Stickoxiden und strömt über einen Katalysator, der ozonbildende Oxide an Stickstoff (NOx) in Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid CO₂ verwandelt. Das Abgas kann vor dem Durchströmen zu den SCR-Katalysatorbetten mittels der Mischeinrichtung gemischt werden. In dem ersten Behälter 128 kann es mehrere Katalysatorschichten geben, um eine ausreichende NOx-Umwandlung sicherzustellen. Die SCR-Katalysatorbetten können auf Titanoxid mit Zugaben von Metalloxiden, wie z. B. Vanadium, Molybdän, Wolframoxid und/oder Zeolit, beruhen, das mit dem Ammoniak und NOx reagiert, um umweltverträglichen Stickstoff, Sauerstoff und Wasser zu bilden. Die SCR-Katalysatorbetten können alternativ auf anderen Materialien beruhen, wie aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist.
Das Steuermodul 24 regelt den Betrieb des Dieselbrennkraftmaschinensystems 10, was eine Steuerung des SCR-Heizsystems 12, des Luftansaugsystems 16, des Kraftstoffeinspritzsystems 18, des Zündkerzensystems 20 und der Abgasanlage 22 umfasst. Aus diesem Grund wird das Steuermodul 24 als Teil jedes der Systeme 16, 18, 20, 22 betrachtet. Das Steuermodul 24 steuert das Dieselbrennkraftmaschinensystem 10, um die Temperaturen der Abgasanlage 22, einschließlich der Temperaturen des DOC 122 und der SCR-Einrichtung 26, bei Brennkraftmaschinenstart schnell und effizient anzuheben. In einer Ausführungsform liefert das Steuermodul 24 bei Brennkraftmaschinenstarten dem EHC 28 elektrischen Strom. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert das Steuermodul 24 dem EHC 28 vor dem Brennkraftmaschinenstarten elektrischen Strom. Das Steuermodul 24 kann vorhersagen, schätzen und/oder ermitteln, dass ein Startvorgang in naher Zukunft, beispielsweise binnen in etwa 1–3 Minuten, beginnen wird. Wenn ermittelt wird, dass ein Startvorgang bevorsteht, kann das Steuermodul 24 den EHC 28 vorheizen, wodurch es der SCR-Einrichtung 26 und dem DOC 122 ermöglicht wird, bei Starten schneller warm zu werden.
Der elektrische Strom zu dem EHC 28 wird mittels des Steuermoduls 24, der Schalter 148 und der Stromquelle 150 gesteuert und vorgesehen, um einen Heizprozess zu beginnen. Der elektrische Strom von der Stromquelle 150 kann wie dargestellt dem EHC 28 direkt zugeführt werden oder vor der Aufnahme durch den EHC 28 dem Steuermodul 24 zugeführt werden. Die Dauer des Heizprozesses schwankt. Es wird erwartet, dass der Heizprozess zwischen 1–4 Minuten dauern kann. Im Einzelnen heizt die elektrische Energie den EHC 28 eine Grenzzeitspanne lang (z. B. 1–3 Minuten) auf. Durch den ECH 28 strömendes Abgas wird erwärmt.
Nun erfolgt Bezug auch auf 3, bei der ein Wärmeflussdiagramm einer exothermen Reaktion gezeigt wird. Das Wärmeflussdiagramm zeigt ein Verfahren zum wirksamen Einsetzen der EHC-Abgasenergie. Der EHC 28 arbeitet als katalysiertes Heizelement geringer Masse und als Zünder. Der EHC 28 erwärmt und/oder zündet Abgas, das durch Pfeil 160 gezeigt wird und in den DOC 122 geleitet wird. Das Abgas 160 umfasst Verbrennungsprodukte, beispielsweise Wasserstoff (H2), Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (O2). Dem EHC 28 wird elektrische Energie in Form elektrischen Stroms, der durch Pfeil 162 dargestellt wird, geliefert. Der elektrische Strom 162 hebt die Temperatur des EHC 28 an, was die Wärmeenergie des Abgases 160 erhöht, um eine Exotherme der ersten Aktivierungsenergie q1 und eine zweite Aktivierungsenergie q2, die elektrisch basiert ist, zu erzeugen. Die Exotherme der ersten Aktivierungsenergie q1 stellt die exotherme Energie der Abgasprodukte dar.
Die erste Aktivierungsenergie q1 und die zweite Aktivierungsenergie q2 werden durch die Pfeile 164 und 166 dargestellt. Der DOC 122 dient als katalytischer Brenner.
Die erste Aktivierungsenergie q1 und die zweite Aktivierungsenergie q2 werden dem DOC 122 geliefert und aktivieren diesen, was eine große Wärmeleistung vorsieht, die durch einen Pfeil 168 der Exotherme der dritten Aktivierungsenergie q3 dargestellt wird. Die Wärmeenergie aus dem DOC 122 ist signifikant größer als die aus dem EHC 28. Die große Wärmeleistung hebt schnell die Temperatur der SCR-Einrichtung 26 an. Die vorstehende thermische Reaktion kann als schnelles Katalysatoranspringen bezeichnet werden, das geringe Emissionen bei Kaltstart vorsieht. Der Emissionsausstoß wird mit anderen Worten aufgrund eines schnellen und effizienten Anhebens der Temperaturen des DOC und der SCR-Einrichtung gesenkt.
Zum Beispiel kann die Temperatur des EHC 28 gleich einer Starttemperatur S₁ des Abgases plus der dem EHC 28 zugeführten Energie E₁ dividiert durch die Abgasmasse E_m minus Wärmeverlust H₁ sein, wie durch Gleichung 1 vorgesehen wird.
Die dem EHC zugeführte Energie E₁ dividiert durch die Abgasmasse E_m ist gleich der elektrischen Spannung V über den Anschlüssen des EHC 28 multipliziert mit dem elektrischen Strom C, der dem EHC 28 zugeführt wird, und dem Zeitbetrag, über den elektrischer Strom dem EHC 28 zugeführt wird, dividiert durch die Masse EHC, des EHC, wie durch Gleichung 2 gezeigt wird.
Da die Masse EHC_m und der elektrische Widerstand des EHC 28 konstant sind, kann die dem E₁ zugeführte Energie dividiert durch die Abgasmasse E_m gleich einer ersten Konstante K₁ multipliziert mit dem Quadrat der elektrischen Spannung V multipliziert mit der Zeit T gesetzt werden, wie in Gleichung 3 vorgesehen wird.
Der Wärmeverlust kann gleich einer zweiten Konstante K₂ multipliziert mit dem Abgasstrom E_f multipliziert mit der Starttemperatur S₁ gesetzt werden, wie in Gleichung 4 vorgesehen wird. Der Abgasstrom E_f wird in Strömeinheiten pro Einheit Zeit gemessen.
Das Steuermodul 24 kann eine Zentralverarbeitungseinheit, einen Speicher (RAM und/oder ROM) und zugehörige Eingangs- und Ausgangsbusse aufweisen oder von anderer Modulform sein. Das Steuermodul 24 kann ein Teil einer zentralen Hauptsteuereinrichtung des Fahrzeugs, ein interaktives Fahrzeugdynamikmodul, ein Leistungssteuermodul, ein Zündungssteuergerät, eine Steuerschaltung mit einer Stromzufuhr, kombiniert zu einem einzigen integrierten Steuergerät oder wie dargestellt ein eigenständiges Steuergerät sein.
Das Dieselbrennkraftmaschinensystem 10 kann verschiedene Sensoren 170 umfassen, die Teil des SCR-Heizsystems 12, des Luftansaugsystems 16, des Kraftstoffeinspritzsystems 18, des Glühkerzensystems 20, der Abgasanlage 20 oder anderer Fahrzeugsysteme sein können oder von diesen gemeinsam genutzt werden. Die Sensoren 170 können die Zeitsteuerungssensoren 80 sowie Einlass- und Auslasssensoren 172, Luft- und Kraftstoffsensoren 174 und andere Fahrzeugsensoren umfassen.
Die Einlass- und Auslasssensoren 172 können Temperatursensoren 180, beispielsweise einen EHC-Temperatursensor 182 und einen SCR-Temperatursensor 184 umfassen. Die Einlass- und Auslasssensoren 172 können auch einen EHC-Stromsensor 186, Drucksensoren 188, Strömungssensoren 190, Sauerstoffsensoren 192, NOx-Sensoren 194 und andere Abgassensoren umfassen. Die Luft- und Kraftstoffsensoren 174 können Luft- und Kraftstoffdrucksensoren 196, Luft- und Kraftstoffströmungssensoren 198 und andere Luft- und Kraftstoffsensoren umfassen. Die Zeitsteuerungssensoren 90 können neben den Kurbelwellen- und Nockenwellensensoren 82 einen Getriebesensor, einen Antriebsstrangsensor oder einen anderen Zeitsteuerungssensor umfassen. Die Sensoren 170 können zur Zustandsermittlung und Steuerung des Dieselbrennkraftmaschinensystems 10 verwendet werden. Das Steuermodul 24 ermittelt, wann ein Ab gaserwärmen auszuführen ist, und steuert den Brennkraftmaschinenbetrieb, um effizientes Erwärmen beruhend auf von den Sensoren 170 erhaltenen Informationen zu erleichtern.
Unter Bezug nun auf 4 wird ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage veranschaulicht, gezeigt. Von dem Steuermodul von 1–2 kann eine zum Steuern der Arbeitsweise des beschriebenen Verfahrens verwendete Steuerroutine ausgeführt werden. Auch wenn die folgenden Schritte vorrangig bezüglich der Ausführungsformen von 1 und 2 beschrieben werden, können sie problemlos auf anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet werden und/oder für diese abgewandelt werden.
Bei Schritt 200 kann der EHC 28 vor dem Starten der Brennkraftmaschine vorgewärmt werden. Das Steuermodul 24 kann ein Startsignal für die Brennkraftmaschine erhalten und darauf beruhend das SCR-Heizsystem 12 aktivieren und elektrischen Strom zum Einschalten des EHC 24 liefern. Das Startsignal kann auf einem Zustand des Schalters 62 beruhen.
Bei Schritt 202 wird die Brennkraftmaschine 14 gestartet. Die Luftansaug-, Kraftstoff- und Glühkerzensysteme werden initialisiert. Das Steuermodul 24 ermittelt mit Hilfe der Kurbelwellen- und Nockenwellensensoren 82 die Stellung der Kurbelwelle 68 und der Nockenwellen 72. Als Reaktion auf die Kurbelwellen- bzw. Nockenwellenstellungen werden Zündungsreferenz- und Einspritzreferenz-Brennkraftmaschinenzylinder bestimmt. Der Zündungsreferenz-Brennkraftmaschinenzylinder ist der Zylinder, in dem sich ein Kolben dem Ende eines Verdichtungstakts nähert. Der Einspritzreferenzzylinder ist der Zylinder, in dem sich der Kolben dem Beginn eines Ansaugtakts nähert. Es können Synchronisationswerte, beispielsweise ein Synchronisationswert des Zündsystems, ein Synchronisa tionswert des Kraftstoffsystems, Synchronisationswerte des Luftstroms und andere Synchronisationswerte, ermittelt werden. Die Synchronisationswerte können beruhend auf den Stellungen der Kurbelwelle 68 und der Nockenwellen 72 ermittelt werden.
Bei Schritt 204 wird das SCR-Heizsystem 12 aktiviert, wenn es nicht bereits aktiviert wurde, beispielsweise in Schritt 200
Bei Schritt 206 reduziert und/oder minimiert das Steuermodul 24 den Abgasstrom. Es kann ein Algorithmus für die EHC-Startstrategie aktiviert werden, um den Abgasstrom zu reduzieren und die Heizleistung des EHC 28 zu verbessern. Zum Reduzieren von Abgasstrom kann das Steuermodul 24 vor dem oberen Totpunkt der Kolben 84 magere Kraftstoffpulse erzeugen. Das Steuermodul 24 kann auch die Ansaugluft mittels des Luftansaugsystems 16 reduzieren. Bei Verwendung eines Leerlaufluftsteuerventils kann dessen Position angepasst werden. Die Umdrehungen pro Minute (U/min) der Brennkraftmaschine 14 können reduziert werden, was Abgasstrom reduziert und ein schnelleres Aufwärmen des EHC 28 ermöglicht. Der EHC 28 kann auf etwa 400–500°C erwärmt werden.
Bei Schritt 208 empfängt oder erzeugt das Steuermodul 24 ein EHC-Temperatursignal. Das EHC-Temperatursignal kann direkt durch den EHC-Sensor 182 oder indirekt erzeugt werden. Bei indirektem Erzeugen kann das EHC-Temperatursignal beruhend auf der Temperatur des Abgases, des Strömens des Abgases, der dem EHC 28 zugeführten Leistung und anderen Parametern geschätzt oder ermittelt werden.
Wenn der ECH 28 bei Schritt 210 eine vorbestimmte Temperatur erreicht, rückt das Steuermodul 24 zu den Schritten 212 und 214 vor. Der vorbestimmte Wert ist einer Temperatur zugeordnet, bei der Abgasprodukte abgebaut werden. Bei Schritt 212 schaltet das Steuermodul 24 den ECH 28 ab.
Bei Schritt 214 wird eine Strategie zur Steuerung exothermer Abgasenergie eingeleitet, um den Ausstoß von Abgasprodukten, beispielsweise von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, der Brennkraftmaschine 14 anzuheben. Das Luftansaugsystem 16 und das Kraftstoffeinspritzsystem 18 werden angepasst, um einen Abgasproduktausstoß zu steigern. Zum Beispiel können das Ansaugen von Luft und die Kraftstoffeinspritzung verstärkt werden. Als weiteres Beispiel kann das Kraftstoff/Luft-Verhältnis angehoben werden, um in dem zugeordneten Brennkraftmaschinenzyklus einen fetten Einlasspuls vorzusehen, beispielsweise vor dem oberen Totpunkt eines Kolbenzyklus. Kraftstoff kann auch in einem Auspufftakt eingespritzt werden, um den Abgasproduktausstoß zu verstärken. Die Abgasprodukte erzeugen bei Kontakt mit einem beheizten Element und/oder einem heißen Katalysator eine exotherme Reaktion. Diese Reaktion erzeugt einen großen Betrag an Wärmeenergie, die Abgasnachbehandlungstechnologien effizient und früher arbeiten lässt. Das erwärmte Abgas durch den EHC 28 lässt den DOC 122 und die SCR-Einrichtung 26 voll aktiv werden.
Bei Schritt 216 wird ein SCR-Temperatursignal erzeugt. Das SCR-Temperatursignal kann direkt mittels des SCR-Temperatursensors oder indirekt erzeugt werden. Die SCR-Temperatur kann auch beruhend auf der Temperatur des Abgases, dem Strömen des Abgases, der dem EHC 28 zugeführten Leistung oder anderen Parametern indirekt geschätzt oder ermittelt werden. Wenn die SCR-Einrichtung 26 eine zweite vorbestimmte Temperatur erreicht, beispielsweise in etwa 200°C, befindet sich die SCR-Einrichtung 26 in einem aktiven Zustand. Wenn die Temperatur der SCR- Einrichtung 26 unter 200°C liegt, befindet sich die SCR-Einrichtung 26 in einem inaktiven Zustand oder einem teilweise aktiven Zustand.
Wenn die SCR-Einrichtung 26 bei Schritt 218 die zweite vorbestimmte Temperatur erreicht, rückt das Steuermodul 24 zu den Schritten 220 vor. Bei Schritt 220 kann der Abgasproduktausstoß verringert werden, um einen normalen Ausstoß für einen aktuellen Betriebs- oder Fahrzustand der Brennkraftmaschine vorzusehen. Wenn bei Schritt 222 die SCR-Einrichtung 26 die zweite vorbestimmte Temperatur erreicht, kann mittels des Reduktionsmittelinjektorsystems 124 eine Einspritzung gasförmigen und/oder flüssigen Reduktionsmittels in das Abgas ausgelöst werden.
Die vorstehend beschriebenen Schritte sind als veranschaulichende Beispiele gedacht; die Schritte können abhängig von der Anwendung nacheinander, synchron, gleichzeitig oder in anderer Reihenfolge ausgeführt werden. Zu beachten ist, dass einer oder mehrere der vorstehenden Schritte während des Betriebs der Brennkraftmaschine wiederholt oder ausgeführt werden können, wenn die Temperatur der SCR-Einrichtung 26 unter die zweite vorbestimmte Temperatur fällt oder unter dieser liegt. Daher betreibt das Steuermodul 24 das SCR-Heizsystem 12, um die SCR-Einrichtung 26 bei der zweiten vorbestimmten Temperatur zu halten. Dies hält ein effizientes und effektives Filtern der Abgasanlage 22 aufrecht.
Die vorstehend offenbarten Ausführungsformen umfassen integrierte Brennkraftmaschinensteuerung und setzen Abgasenergie wirksam ein, um während und bei Anlassen einer Brennkraftmaschine niedrige Endrohremissionen vorzusehen.
Der Fachmann kann nun anhand der vorstehenden Beschreibung nachvollziehen, dass die breite Lehre der Offenbarung in verschiedenerlei Form umgesetzt werden kann. Während diese Offenbarung bestimmte Beispiele umfasst, sollte daher der wahre Schutzumfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt werden, da für den Fachmann bei Prüfung der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche andere Abwandlungen ersichtlich werden.

Claims

Abgasanlage umfassend: ein Heizelement, das stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und das Wärmeenergie in ein Abgas der Brennkraftmaschine einleitet; eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR), die stromabwärts des Heizelements angeordnet ist und die Stickoxide (NOx) in dem Abgas filtert; und ein Steuermodul, das mit dem Heizelement in Verbindung steht und dieses beruhend auf einer ersten Temperatur der SCR-Einrichtung einschaltet.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul das Heizelement beruhend auf einer Aktivierung der Brennkraftmaschine einschaltet.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul beruhend auf einer zweiten Temperatur des Heizelements die Brennkraftmaschine so betreibt, dass ein Strömen des Abgases reduziert wird.
Abgasanlage nach Anspruch 3, wobei das Steuermodul beruhend auf mindestens einem von: Strömrate des Abgases, Leistung zu dem Heizelement und Abgastemperatur die zweite Temperatur bestimmt.
Abgasanlage nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: einen ein Temperatursignal erzeugenden Temperatursensor, wobei das Steuermodul beruhend auf dem Temperatursignal die zweite Temperatur bestimmt.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul beruhend auf der Temperatur des Heizelements das Heizelement abschaltet und die Brennkraftmaschine betreibt, um einen Ausstoß mindestens eines von: Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid anzuheben.
Abgasanlage nach Anspruch 6, wobei weiterhin das Steuermodul die Brennkraftmaschine betreibt, um den Ausstoß anzuheben, bis die erste Temperatur größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei das Heizelement einen elektrisch beheizten Katalysator umfasst.
Abgasanlage nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen stromabwärts des Heizelements angeordneten Dieseloxidationskatalysator.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei die SCR-Einrichtung einen Katalysatorträger umfasst, der Aktivierungsenergie des Abgases senkt.
Dieselabgasanlage umfassend: ein Heizelement, das stromabwärts einer Dieselbrennkraftmaschine angeordnet ist und das Wärmeenergie in ein Abgas der Dieselbrennkraftmaschine einleitet; einen Dieseloxidationskatalysator, der stromabwärts des Heizelements angeordnet ist und der mindestens eines von: Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid aus dem Abgas beseitigt; eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR), die stromabwärts des Dieseloxidationskatalysators angeordnet ist und die Stickoxide (NOx) in dem Abgas filtert; und ein Steuermodul, das mit dem Heizelement in Verbindung steht und dieses beruhend auf einer ersten Temperatur der SCR-Einrichtung einschaltet.
Abgasanlage nach Anspruch 11, wobei das Steuermodul beruhend auf Aktivierung der Dieselbrennkraftmaschine das Steuermodul einschaltet.
Abgasanlage nach Anspruch 11, wobei das Steuermodul den EHC während eines Zeitraums gewählt aus mindestens einem von: einem ersten Zeitraum und einem zweiten Zeitraum einschaltet, wobei der erste Zeitraum vor dem Starten der Dieselbrennkraftmaschine liegt und der zweite Zeitraum während eines Startprozesses der Dieselbrennkraftmaschine beginnt.
Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage umfassend: Erzeugen eines Brennkraftmaschinenstartsignals; beruhend auf dem Brennkraftmaschinenstartsignal Einschalten eines elektrisch beheizten Katalysators (EHC), der stromabwärts einer Dieselbrennkraftmaschine angeordnet ist und Wärmeenergie in ein Abgas der Dieselbrennkraftmaschine einleitet; und Filtern von Stickoxiden (NOx) in der Abgasanlage mittels einer Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR), die stromabwärts des EHC angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Einschalten des EHC während eines Zeitraums gewählt aus mindestens einem von: einem ersten Zeitraum und einem zweiten Zeitraum ausgeführt wird, wobei der erste Zeitraum vor dem Starten der Dieselbrennkraftmaschine liegt und der zweite Zeitraum während eines Startprozesses der Dieselbrennkraftmaschine beginnt.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: Erzeugen eines EHC-Temperatursignals; und Reduzieren der Abgasprodukterzeugung beruhend auf dem Brennkraftmaschinenstartsignal und dem ECH-Temperatursignal.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: Erzeugen eines EHC-Temperatursignals; und Abschalten des EHC beruhend auf dem EHC-Temperatursignal.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: Erzeugen eines EHC-Temperatursignals; und Anheben des Abgasproduktausstoßes der Dieselbrennkraftmaschine beruhend auf dem EHC-Temperatursignal.
Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin umfassend: Erzeugen eines SCR-Temperatursignals; Senken des Abgasproduktausstoßes beruhend auf dem SCR-Temperatursignal.
Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin umfassend: Erzeugen eines SCR-Temperatursignals; und Auslösen mindestens eines von: Einspritzung eines gasförmigen Reduktionsmittels und eines flüssigen Reduktionsmittels in das Abgas beruhend auf dem SCR-Temperatursignal.