DE102008023395A1

DE102008023395A1 - Hybrid-HC-Absorber/EHC-PZEV-Abgasarchitektur

Info

Publication number: DE102008023395A1
Application number: DE102008023395A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Pinckney Gonze; Halim G. Wixom Santoso; Frank Troy Ament
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2009-01-08
Also published as: CN101307708B; US20080282686A1; CN101307708A; US8783016B2

Abstract

Ein System kann einen Kohlenwasserstoff(HC)-Absorber, der in einem Abgasströmpfad angeordnet ist, sowie einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC), der in dem Abgasströmpfad stromabwärts des HC-Absorbers angeordnet ist, umfassen.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine verbesserte Schadstoffbegrenzung und insbesondere eine Schadstoffbegrenzung für Brennkraftmaschinen.
Hintergrund
Die Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
Ein Hybridfahrzeug umfasst eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor, um Fahrzeugantrieb vorzusehen. Fahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine können auch einen Katalysator zum Reduzieren von Kohlenmonoxid, flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs, kurz vom engl. Volatile Organic Compounds) und NOx umfassen.
Katalysatoren können im Allgemeinen bei recht hohen Temperaturen effizient arbeiten. Wenn die Brennkraftmaschine zum ersten Mal gestartet wird, ist der Katalysator typischerweise beim Entfernen von Emissionen in dem Abgas erst wirksam, wenn der Katalysator eine als Anspringtemperatur bezeichnete Betriebstemperatur erreicht. Vor Erreichen der Anspringtemperatur können HC-Emissionen von dem Katalysator nicht wirksam verarbeitet werden.
Zusammenfassung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein System einen Kohlenwasserstoff(HC)-Absorber, der in einem Abgasströmpfad angeordnet ist, und einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC, kurz vom engl. Electrically Heated Catalyst), der stromabwärts des HC-Absorbers in dem Abgasströmpfad angeordnet ist, umfassen.
Ein Verfahren zum Reduzieren von Fahrzeugemissionen umfasst das Betreiben einer Brennkraftmaschine während eines ersten Zeitraums und eines zweiten Zeitraums nach dem ersten Zeitraum, das Auffangen von Kohlenwasserstoffen (HC) aus einem Abgas aus der Brennkraftmaschine während des ersten Zeitraums in einem HC-Absorber, der mit dem Abgas in Verbindung steht und sich stromaufwärts eines elektrisch beheizten Katalysators (EHC) befindet, der mit dem Abgas in Verbindung steht, das Einschalten des elektrisch beheizten Katalysators (EHC) während des ersten Zeitraums und das Oxidieren von HC aus dem Abgas in dem EHC während des zweiten Zeitraums.
Weitere Anwendungsgebiete gehen aus der hierin vorgesehenen Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung und spezifischen Beispiele lediglich dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung beschränken sollen.
Zeichnungen
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung und sollen nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise beschränken.
1 ist eine schematische Darstellung eines Hybridfahrzeugs nach der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine schematische Darstellung einer anderen Abgaskonfiguration für das Hybridfahrzeug von 1; und
3 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Hybridfahrzeugs von 1 veranschaulicht.
Eingehende Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, die Anwendung oder die Nutzungsmöglichkeiten zu beschränken. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente verwendet. Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff „Modul" auf eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Unter Bezug nun auf 1 umfasst ein Hybridfahrzeug 10 eine Brennkraftmaschine 12 mit mehreren Zylindern 14 und einem Elektromotor 16. Die Brennkraftmaschine 12 ist mit einer Abtriebswelle 18 verbunden, die einem Getriebe 20 Drehkraft liefert. Ein Generator 22 wird durch die Brennkraftmaschine 12 angetrieben und liefert einer aufladbaren Batterie 24 Ladestrom. Der Motor 16 wandelt Energie von der Batterie 24 in me chanische Leistung um. Die mechanische Leistung wird an einer Antriebswelle des Getriebes 20 angelegt. Das Getriebe 20 kombiniert Leistung von der Brennkraftmaschine 12 und dem Motor 16, um einer Antriebsachse 23 Leistung zu liefern. Die Brennkraftmaschine 12 und der Motor 16 können gleichzeitig oder unabhängig Antrieb vorsehen.
Das Hybridfahrzeug 10 kann ein Plug-In-Hybrid sein. „Plug-In" bezeichnet Hybridfahrzeuge, die eine relativ große aufladbare Batterie 24 umfassen, die zwischen Ladevorgängen der Batterie 24 einen längeren Zeitraum vorsieht. Das Ergebnis ist eine entsprechende Ersparnis bei Kraftstoff und eine Reduzierung von Emissionen durch Ermöglichen eines Abschaltens der Brennkraftmaschine 12 über längere Zeiträume. Die Plug-In-Batterie 24 kann auch zwischen Fahrten extern aufgeladen werden, was ein Aufladen der Batterie 24 ohne Laufen der Brennkraftmaschine 12 vorsieht.
Die Brennkraftmaschine 12 ist mit einer Abgasanlage 25 verbunden, die einen Abgaskrümmer 26, mehrere Katalysatoren 30-1, 30-2, 30-3, kollektiv 30, einen Kohlenwasserstoff(HC)-Absorber 31, einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC) 32 und einen Schalldämpfer 50 umfasst. Der Abgaskrümmer 26 leitet Abgas 28 aus der Brennkraftmaschine 12 zu Katalysatoren 30, HC-Absorber 31 und einem EHC 32. Die mehreren Katalysatoren 30-1, 30-2 können Dreiwegekatalysatoren sein. Die Katalysatoren 30-1, 30-2 können nahe an der Brennkraftmaschine 12 eingebaut sein, um ihr effizientes Beheizen zwecks Anspringen zu fördern.
Der HC-Absorber 31 kann zwischen den Katalysatoren 30-1, 30-2 und dem Katalysator 30-3 angeordnet sein. Der EHC 32 kann zwischen dem HC-Absorber 31 und dem Katalysator 30-3 angeordnet sein. Der EHC 32 sieht zusätzliches Beheizen zum Verringern der Zeit bis zum Anspringen des Katalysators 30-3 vor. Wie sich versteht, kann der EHC 32 eine sepa rate Anordnung sein oder integral als Teil des Katalysators 30-3 ausgebildet sein. Wie in 2 ersichtlich kann eine andere Abgasanlage 125 der Abgasanlage 25 im Allgemeinen ähneln. Statt aber einen separaten Katalysator 30-3 und HC-Absorber 31 zu umfassen, kann ein kombinierter HC-Absorber und Katalysator 131 verwendet werden. Der kombinierte HC-Absorber und Katalysator 131 kann sich zwischen einem EHC 132 und den Katalysatoren 130-1, 130-2 befinden. Der kombinierte NC-Absorber und Katalysator 131 kann im Allgemeinen im Verhältnis zu dem Katalysator 30-3 und HC-Absorber 31 der Abgasanlage 25 einen verringerten Platzbedarf bieten.
Der EHC 32 kann durch die aufladbare Batterie 24 betrieben werden. Das Verwenden der aufladbaren Batterie 24 als Stromquelle für den EHC 32 kann im Allgemeinen im Verhältnis zu herkömmlichen Nichthybrid-Antriebsstrangsystemen aufgrund der von der aufladbaren Batterie 24 gelieferten relativ hohen Leistung eine verringerte Aufheizzeit für den EHC 32 bieten. Zum Beispiel kann der EHC 32 in etwa 15 Sekunden oder weniger auf eine Temperatur von mindestens 400°C aufgeheizt werden Der Katalysator 30-3, der HC-Absorber 31 und der EHC 32 können an einer bestehenden Abgasanlagenarchitektur als Erweiterung eingebaut werden.
Ein Brennkraftmaschinensteuermodul 40 steht mit dem EHC 32, der Brennkraftmaschine 12, dem Motor 16, der Batterie 24 in Verbindung und empfängt Eingaben von einer Reihe von Sensoren. Die Sensoren können einen Brennkraftmaschinenkühlmitteltemperatursensor 42, erste mehrere Lambda-Sonden 46-1, 46-2, kollektiv 46, zweite mehrere Lambda-Sonden 48-1, 48-2, kollektiv 48, und einen EHC-Temperatursensor 54 umfassen. Die Lambda-Sonden 46 können sich zwischen der Brennkraftmaschine 12 und den Katalysatoren 30-1, 30-2 befinden. Die Lambda-Sonden 46 erfassen Sauerstoffgehalt im Abgas, um das Kraftstoff/Luft- Verhältnis für geeignete Stöchiometrie richtig anzupassen. Wie sich versteht, können sich die Lambda-Sonden 46 an anderen Stellen befinden oder es kann auf sie verzichtet werden. Die Lambda-Sonden 48 liefern Diagnoseinformationen bezüglich der Katalysatoren 30-1, 30-2 und können sich stromabwärts der mehreren Katalysatoren 30-1, 30-2 befinden.
Die Temperatur des EHC 32 kann mittels eines Temperatursensors 54 direkt gemessen werden oder das Brennkraftmaschinensteuermodul 40 kann die EHC-Temperatur schätzen. Dem Brennkraftmaschinensteuermodul 40 können zum Schätzen der Temperatur verschiedene Daten, einschließlich durch den EHC 32 tretenden elektrischen Strom, der dem EHC 32 gelieferten elektrischen Spannung, der Volumenströmrate des durch den EHC 32 tretenden Abgases und der für jeden dieser Parameter verstrichenen Zeit, geliefert werden.
Unter Bezug auf 3 wird ein Betrieb des Hybridfahrzeugs 10 während einer Kaltstartbedingung allgemein bei Flussdiagramm 200 veranschaulicht und kann im Allgemeinen das Betreiben der Brennkraftmaschine 12 während erster und zweiter Zeiträume umfassen. Eine Ermittlung einer Brennkraftmaschinenkaltstartbedingung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen, einschließlich Überwachen einer von dem Brennkraftmaschinenkühlmitteltemperatursensor 42 gelieferten Brennkraftmaschinenkühlmitteltemperatur. Der Einfachheit halber wird der Betrieb bezüglich der Abgasanlage 25 mit der Erkenntnis erläutert, dass die Erläuterung gleichermaßen auf die Abgasanlage 125 zutrifft. Der erste Zeitraum kann allgemein einem Anfangszeitraum nach Starten der Brennkraftmaschine 12 entsprechen, und der zweite Zeitraum kann den Zeitraum unmittelbar danach umfassen. Der EHC 32 kann zu einem Zeitpunkt, der im Allgemeinen dem Starten der Brennkraftmaschine 12 bei Schritt 202 ent spricht, zugeschaltet werden. Alternativ kann der EHC 32 kurz vor oder nach Starten der Brennkraftmaschine 12 zugeschaltet werden.
Wie vorstehend angegeben führt der Betrieb der Brennkraftmaschine 12 zu einem Liefern eines Abgases 28 zu der Abgasanlage 25. Das Abgas bewegt sich von den Katalysatoren 30-1, 30-2 zu dem HC-Absorber 31, zu EHC 32 und schließlich zu dem Katalysator 30-3. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 12 während des ersten Zeitraums kann die Brennkraftmaschine 12 bei einer ersten Reihe von Betriebsbedingungen betrieben werden, wie bei Schritt 204 gezeigt wird, und die Katalysatoren 30 können sich bei einer Temperatur unter einer Anspringtemperatur befinden, die zum Oxidieren von in dem Abgas 28 vorhandenen Kohlenwasserstoffen erforderlich ist. Der HC-Absorber 31 ist jedoch in der Lage, HC in dem Abgas 28 während des Betriebs im ersten Zeitraum abzuscheiden, wie bei Schritt 206 gezeigt wird. HC kann während eines Betriebs bei Temperaturen unter etwa 100°C von dem HC-Absorber 31 abgeschieden bleiben. Die Temperatur des HC-Absorbers 31 kann während des ersten Zeitraums allgemein bei oder unter 100°C liegen.
Zum Minimieren von Emissionen während des ersten Zeitraums kann der Betrieb der Brennkraftmaschine 12 bei der ersten Reihe von Betriebsbedingungen Betrieb bei einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis umfassen, das unter einem stöchiometrischen Verhältnis liegt (fetter Betrieb). Ein fetter Betrieb der Brennkraftmaschine 12 sieht im Allgemeinen einen verringerten NOx-Emissionswert vor, erhöht aber die HC-Emissionen. Wie vorstehend beschrieben scheidet der HC-Absorber 31 während des ersten Zeitraums HC-Emissionen der Brennkraftmaschine 12 ab. Demgemäß optimiert diese Architektur sowohl HC- als auch NOx-Emissionen.
Wie vorstehend angegeben und bei Schritt 202 veranschaulicht wird während des ersten Zeitraums der EHC 32 zugeschaltet und seine Temperatur wird angehoben. Sobald der EHC 32 eine für Oxidation von HC erforderliche Temperatur erreicht, kann der zweite Zeitraum für den Brennkraftmaschinenbetrieb beginnen, und die Brennkraftmaschine 12 kann bei einer zweiten Reihe von Betriebsbedingungen betrieben werden, wie bei Schritt 208 gezeigt wird. Die Oxidation von HC kann bei Temperaturen über 400°C erfolgen. Während des zweiten Zeitraums kann der HC-Absorber 31 eine Abscheidetemperatur übersteigen und das zuvor darin gespeicherte HC freisetzen, wie bei Schritt 210 gezeigt wird. Zum Beispiel kann der HC-Absorber 31 abgeschiedenes HC freisetzen, wenn er Temperaturen über 100°C erreicht. Da der EHC 32 unabhängig vom Abgas 28 beheizt wird und stromabwärts des HC-Absorbers 31 angeordnet ist, kann der EHC 32 aus dem HC-Absorber 31 freigesetztes HC oxidieren, wie bei Schritt 212 gezeigt wird, bevor der Katalysator 30-3 die Anspringtemperatur erreicht.
Der zweite Satz von Betriebsbedingungen kann ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis der Brennkraftmaschine 12 allgemein bei einem stöchiometrischen Verhältnis umfassen. Der zweite Zeitraum kann allgemein einem Überschreiten der Abscheidetemperatur durch den HC-Absorber 31 sowie einem Überschreiten der Oxidations- oder Anspringtemperatur durch den EHC 32 entsprechen. Der EHC 32 kann während des zweiten Zeitraums weiter zugeschaltet bleiben, bis die Brennkraftmaschine 12 sich nicht mehr bei einer Kaltstartbedingung befindet. Genauer gesagt kann der zweite Zeitraum enden, sobald die Abgasanlage 25 Abgas 28 ohne die Verwendung des HC-Absorbers 31 oder EHC 32 verarbeiten kann, beispielsweise wenn Katalysatoren 30 Anspringtemperatur erreichen.
Bei einem anderen Betrieb oder zusätzlich zum Betrieb der Brennkraftmaschine 12 während einer Kaltstartbedingung kann wie vorstehend erläutert die Brennkraftmaschine 12 zunächst unter Verwendung des Motors 16 betrieben werden, wie bei Schritt 214 gezeigt wird. Im Einzelnen kann der Motor 16 die Kurbelwelle über einen vorbestimmten Zeitraum drehen, bevor Kraftstoff in die Zylinder 14 eingespritzt und die Brennkraftmaschine 12 gezündet wird. Die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 12 kann zunächst durch den Motor 16 auf eine Drehzahl gedreht werden, die größer oder gleich 350 U/min ist. Die Brennkraftmaschine 12 kann unter Verwendung des Motors 16 betrieben werden, bis eine vorbestimmte Betriebsbedingung erreicht ist. Es können auch zusätzliche Schritte ergriffen werden, um eine Aufwärmzeit für den Betrieb der Abgasanlage 25 zu verringern. Zum Beispiel kann der Betrieb der Brennkraftmaschine 12 bei der ersten Reihe von Betriebsbedingungen das Verzögern der Zündung der Brennkraftmaschine 12 umfassen.
Weiterhin offenbart und beschreibt die vorstehende Erläuterung lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Ein Fachmann wird dieser Erläuterung und den Begleitzeichnungen und Ansprüchen ohne Weiteres entnehmen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Abänderungen darin vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Offenbarung, die in den folgenden Ansprüchen dargelegt sind, abzuweichen.

Claims

Verfahren umfassend: Betreiben einer Brennkraftmaschine während eines ersten Zeitraums und eines zweiten Zeitraums nach dem ersten Zeitraum; Auffangen von Kohlenwasserstoffen (HC) aus einem Abgas aus der Brennkraftmaschine während des ersten Zeitraums in einem HC-Absorber, der mit dem Abgas in Verbindung steht und sich stromaufwärts eines elektrisch beheizten Katalysators (EHC) befindet, der mit dem Abgas in Verbindung steht; Einschalten des EHC während des ersten Zeitraums; und Oxidieren von HC aus dem Abgas in dem EHC während des zweiten Zeitraums.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Betreiben der Brennkraftmaschine während des ersten Zeitraums bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das geringer als ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Betreiben der Brennkraftmaschine während des zweiten Zeitraums bei einem im Wesentlichen stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben das Betreiben der Brennkraftmaschine in einem Hybridfahrzeug, das die Brennkraftmaschine und einen durch eine Batterie betriebenen Elektromotor umfasst, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Einschalten das Einschalten des EHC mit der Batterie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend: Drehen einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine unter Verwendung des Elektromotors, wenn sich die Brennkraftmaschine nicht in einem Betriebszustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Ermitteln, ob die Brennkraftmaschine bei einer Kaltstartbedingung arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Betrieb der Brennkraftmaschine während des ersten Zeitraums einer Kaltstartbedingung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auffangen das Betreiben des HC-Absorbers bei einer Temperatur von weniger als 100 Grad Celsius umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidieren das Betreiben des EHC bei einer Temperatur über 400 Grad Celsius umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der EHC eine Temperatur von 400 Grad Celsius erreicht, bevor der HC-Absorber eine Temperatur von 100 Grad Celsius erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Freisetzen des aufgefangenen HC während des zweiten Zeitraums aus dem HC-Absorber an das Abgas.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Freisetzen während oder nach dem Oxidieren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einschalten gleichzeitig mit oder vor dem Betreiben erfolgt.
System umfassend: einen Kohlenwasserstoff(HC)-Absorber, der in einem Abgasströmpfad angeordnet ist; und einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC), der in dem Abgasströmpfad stromabwärts des HC-Absorbers angeordnet ist.
System nach Anspruch 15, weiterhin umfassend: ein Steuermodul in Verbindung mit einer Batterie, um dem EHC beruhend auf Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine selektiv Energie zuzuführen.
System nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: ein elektrisches Energiesystem, das einen Elektromotor zum Vorsehen von Kraftantrieb umfasst.
System nach Anspruch 17, wobei der Elektromotor mit der Brennkraftmaschine in Verbindung steht, um eine anfängliche Drehung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bereitzustellen, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem Nichtbetriebszustand befindet.
System nach Anspruch 15, weiterhin umfassend: einen stromabwärts des HC-Absorbers angeordneten Katalysator.