DE102009047841B4

DE102009047841B4 - Emissionsreduktionssvstem zum Reduzieren von Emissionen für einen turbogeladenen Motor

Info

Publication number: DE102009047841B4
Application number: DE102009047841.8A
Authority: DE
Inventors: Halim G. Santoso; Eugene V. Gonze
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: DE102009047841A1; CN101725393A; CN101725393B; US8201392B2; US20100095652A1

Abstract

Emissionsreduktionssystem, umfassend:ein Emissionssteuerungsmodul (200), das beruhend auf einer ersten Temperatur eines Katalysators (126) eine Kraftstoffeinspritzung selektiv bei einem mageren L/K-Verhältnis steuert und das beruhend auf der ersten Temperatur ein elektrisch beheiztes katalytisch aktives Element (214) (EHC) selektiv einschaltet; undein Kraftstoffeinspritzmodul (204), das während mindestens einem von: einem Arbeitstakt und einem Auspufftakt beruhend auf einer zweiten Temperatur des EHC (214) selektiv Kraftstoff in einen Motorzylinder (110) einspritzt, wenn die zweite Temperatur über einem zweiten Schwellenwert liegt, wobei der zweite Schwellenwert der Anspringtemperatur des EHC (214) entspricht;wobei das Emissionssteuerungsmodul (200) die Kraftstoffeinspritzung bei dem mageren L/K-Verhältnis steuert, wenn die erste Temperatur unter der Anspringtemperatur des Katalysators (126) liegt; undwobei das Emissionssteuerungsmodul (200) das EHC (214) abschaltet, wenn die zweite Temperatur gleich dem zweiten Schwellenwert ist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Emissionsreduktionssystem zum Reduzieren von Emissionen für einen turbogeladenen Motor.
Hintergrund
Aus der DE 42 41 494 A1 ist ein Emissionsreduktionssystem bekannt geworden mit einem Emissionssteuerungsmodul, das beruhend auf einer ersten Temperatur eines Katalysators eine Kraftstoffeinspritzung selektiv bei einem mageren L/K-Verhältnis steuert und das beruhend auf der ersten Temperatur ein elektrisch beheiztes katalytisch aktives Element (EHC) selektiv einschaltet, wobei ein Kraftstoffeinspritzmodul beruhend auf einer zweiten Temperatur des EHC selektiv Kraftstoff in einen Motorzylinder einspritzt.
Ein Fahrzeug der amerikanischen Emissionsklasse SULEV (kurz vom engl. Super Ultra Low Emission Vehicle, Fahrzeug mit Niedrigstemission) ist ein herkömmlich angetriebenes Fahrzeug oder Hybridfahrzeug, das so ausgelegt ist, dass es minimale Emissionen erzeugt. Die SULEV-Emissionsanforderungen sind für Saugmotoren unter Umständen schwer zu erreichen und für turbogeladene Motoren aufgrund eines Temperaturabfalls der durch die Turbolader-Bauteile strömenden Abgase noch schwerer. Der Temperaturabfall führt zu einer Verzögerung der Anspringzeit des katalytisch aktiven Elements, was während eines Kaltstarts zu erhöhten Emissionen führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lösung für die zuvor beschriebene Problematik anzugeben.
Zusammenfassung
Diese Aufgabe wird mit einem Emissionsreduktionssystem gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Figurenliste

1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Emissionsreduktionssystems für einen turbogeladenen Motor nach der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Motorsteuermoduls nach der vorliegenden Offenbarung;
3 veranschaulicht eine beispielhafte Auslassanordnung nach der vorliegenden Offenbarung;
4 veranschaulicht eine zweite beispielhafte Auslassanordnung nach der vorliegenden Offenbarung; und
5 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Emissionsreduktionsverfahrens nach der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

Eingehende Beschreibung
Es versteht sich, dass in den gesamten Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Der Begriff Modul, wie er hierin verwendet wird, bezeichnetet eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), 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 Fahrzeug 100 einen Motor 102. Das Fahrzeug 100 umfasst ein Motorsteuermodul 104. Das Motorsteuermodul 104 steuert verschiedene Komponenten und Funktionen des Motors 102. Das Motorsteuermodul 104 kann mehrere Arbeitsabläufe durchführen, einschließlich aber nicht ausschließlich Motorsteuerung, -diag-nose und -wartung. Zum Beispiel empfängt das Motorsteuermodul 104 Signale von verschiedenen Sensoren und nimmt beruhend auf den Signalen Anpassungen und/oder Berechnungen vor.
Das Fahrzeug 100 umfasst einen Lufteinlass 106. Das Fahrzeug umfasst auch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 108, um Kraftstoff mit Luft zu mischen. Das Luft/Kraftstoff-Gemisch (L/K) wird durch ein Einlassventil 112 in einen Kolbenzylinder 110 aufgenommen. Das Einlassventil 112 öffnet, wenn ein Einlassphasenversteller 114 nach unten auf eine Einlassnockenwelle 116 drückt. Der Kolbenzylinder 110 verdichtet die Luft, und eine Zündkerze 118 zündet das L/K-Gemisch, um den Kraftstoff zu oxidieren und Wärmeenergie zu erzeugen, die das Fahrzeug 100 antreibt. Ein Auslassnockenwellenphasenversteller 120 betätigt eine Auslassnockenwelle 122, um ein Auslassventil 124 zu öffnen und Gase aus dem Zylinder 110 auszustoßen. Die Abgase strömen durch eine Auslassstruktur 125. Die Auslassstruktur 125 umfasst einen Katalysator 126, der restlichen Kohlenwasserstoffkraftstoff entfernt, der nicht in dem Kolbenzylinder 110 oxidiert wurde.
Das Fahrzeug 100 umfasst einen Turbolader 128. Der Turbolader 128 verdichtet Umgebungsluft unter Nutzung von Kraft aus vorbeiströmenden Abgasen. Die verdichtete Luft wird dem Lufteinlass 106 bei einem höheren Druck als einem Motor ohne einen Turbolader geliefert. Der zusätzliche Luftdruck ermöglicht es der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 108, mehr Kraftstoff in den Kolbenzylinder 110 einzuspritzen, was die Leistung und die Drehmomentabgabe steigert. Da das Abgas über den Turbolader 128 strömt und eine Turbine in dem Turbolader 128 antreibt, erfahren die Abgase einen signifikanten Temperaturabfall. Die Abnahme der Abgastemperatur verlängert die Zeit, die der Katalysator 126 zum Aufwärmen auf eine Anspringtemperatur benötigt, was Emissionen steigert.
Unter Bezug nun auf 2 umfasst das Motorsteuermodul 104 ein Emissionssteuerungsmodul 200. Das Emissionssteuerungsmodul 200 kommuniziert mit einem Phasenverstelleraktuatormodul 202, das die Nockenphasenversteller in dem Motor 102 steuert. Das Phasenverstelleraktuatormodul 202 steuert das Verstellen der Nockenwellenphasenversteller auf spät und früh. Das Phasenverstelleraktuatormodul 202 steuert sowohl den Einlass- als auch den Auslassphasenversteller, um während einer Zeit vor dem Anspringen des katalytisch aktiven Elements (d.h. während eines Kaltstarts) Emissionen zu verbessern (d.h. es arbeitet in einem Modus reduzierter Emissionen).
Das Emissionssteuerungsmodul 200 kommuniziert mit einem Kraftstoffeinspritzmodul 204. Das Kraftstoffeinspritzmodul 204 steuert die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 108. Das Kraftstoffeinspritzvorrichtungsmodul 204 ermittelt, wie viel Kraftstoff in den Kolbenzylinder 110 einzuspritzen ist. Währen der Zeit vor der Anspringzeit des katalytisch aktiven Elements ist das L/K-Verhältnis verglichen mit der Zeit nach der Anspringzeit des katalytisch aktiven Elements mager. Das Kraftstoffeinspritzvorrichtungsmodul 204 kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 124 anweisen, während Kaltstarts zusätzliche Kraftstoffimpulse spät in einem Arbeitstakt des Zylinders 110 einzuspritzen, um das Beheizen des Katalysators 126 zu steigern.
Das Emissionssteuerungsmodul 200 kommuniziert mit einem Temperaturmodul 206. Das Temperaturmodul 206 kommuniziert mit einem Temperatursensor 208 des elektrisch beheizten katalytisch aktiven Elements (EHC) und einem Temperatursensor 210 des Katalysators. Der EHC-Temperatursensor 208 und der Katalysator-Temperatursensor 210 messen die Temperatur von katalytisch aktiven Elementen in dem Katalysator 126 (zum Beispiel unter Verwendung einer Schätzung, eines Thermometers und/oder eines anderen Verfahrens). Das Temperaturmodul 206 teilt dem Emissionssteuerungsmodul 200 mit, ob die katalytisch aktiven Elemente ihre jeweiligen Anspringtemperaturen erreicht haben.
Das Emissionssteuerungsmodul 200 kommuniziert mit einem EHC-Steuermodul 212. Das EHC-Steuermodul 212 schaltet ein elektrisch beheiztes katalytisch aktives Element 214 beruhend auf einem von dem Emissionssteuerungsmodul 200 erhaltenen Steuersignal ein und aus.
Unter Bezug nun auf 3 ist eine beispielhafte Anordnung der Auslassstruktur 125 gezeigt. Das Abgas strömt von dem Motor 102 durch die Auslassstruktur 125 zur Atmosphäre. Das Abgas strömt durch ein katalytisch aktives Element, beispielsweise einen Dreiwegekatalysator (TWC)/Kohlenwasserstoffabsorber 302. Der TWC/Kohlenwasserstoff-absorber 302 absorbiert Kohlenwasserstoff aus dem Abgas, bis der Kohlenwasserstoffabsorber 302 eine Schwellentemperatur (lediglich zum Beispiel etwa 100°C) erreicht. Der TWC/Kohlenwasserstoffabsorber 302 absorbiert den Kohlenwasserstoff, lässt aber andere Gase, beispielsweise Kohlenmonoxid- und Sauerstoffgase, durch. Das Kohlenmonoxid und der Sauerstoff strömen in das EHC 214. Das elektrisch beheizte katalytisch aktive Element 214 oxidiert das Kohlenmonoxid mit dem Sauerstoff, um Kohlendioxid und Wärme zu erzeugen. Die Wärme aus dem Oxidationsprozess erwärmt den TWC 304, wodurch die Zeit verringert wird, die der TWC 304 und dadurch der Katalysator 126 zum Erreichen der Anspringtemperatur benötigen.
Unter Bezug nun auf 4 ist eine andere beispielhafte Anordnung der Auslassstruktur 125 mit Katalysatoren 400 und 402 gezeigt. Der Katalysator 400 umfasst zum Beispiel einen TWC 404 und einen TWC/Kohlenwasserstoffabsorber 406. Der TWC/Kohlenwasserstoffabsorber 406 absorbiert Kohlenwasserstoff und lässt wie vorstehend in 3 beschrieben Kohlenmonoxid und Sauerstoff durch. Das Kohlenmonoxid und der Sauerstoff strömen in ein EHC 408 des Katalysators 402. Das EHC 408 oxidiert das Kohlenmonoxid mit dem Sauerstoff, um Kohlendioxid und Wärme zu erzeugen, die die Temperatur des TWC 410 anhebt. Demgemäß wird die erforderliche Zeit, die der TWC 410 zum Erreichen einer Anspringtemperatur braucht, verringert.
Unter Bezug nun auf 5 ist ein Verfahren 500 zum Reduzieren von Emissionen in einem turbogeladenen Motor gezeigt. Bei Schritt 502 wird der Motor eingeschaltet. Der Motor wird bei Schritt 504 unter Verwenden eines mageren L/K-Verhältnisses (d.h. weniger Kraftstoff als bei einem stöchiometrischen L/K-Verhältnis) gestartet. Bei Schritt 506 schaltet das EHC-Steuermodul 212 das EHC 214 ein. Das Emissionssteuerungsmodul 200 verändert bei Schritt 508 die Phasenverstellerzeiten für niedrigere Emissionen. Die Emissionen können auch durch Verwenden von Verfahren wie doppelte Einspritzung, verzögerter Zündfunke, frühe Einlassphasenverstellung und ein sehr mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis, vermindert werden.
Bei Schritt 510 ermittelt das Temperaturmodul 206 die Temperatur des elektrisch beheizten katalytisch aktiven Elements. Das Emissionssteuerungsmodul 200 weist das Kraftstoffeinspritzvorrichtungsmodul 204 weiter an, eine magere Kraftstoffmenge einzuspritzen, und weist das Phasenverstelleraktuatormodul 202 weiter an, die Phasenverstellerzeiten für niedrigere Emissionen zu steuern. Wenn das elektrisch beheizte katalytisch aktive Element 214 seine Anspringtemperatur erreicht, ermittelt das Emissionssteuerungsmodul bei Schritt 512, ob der Katalysator 126 seine Anspringtemperatur erreicht hat. Hat der Katalysator 126 seine Anspringtemperatur nicht erreicht, geht das Verfahren 500 weiter zu Schritt 514. Bei Schritt 514 befiehlt das Emissionssteuerungsmodul 200 dem Phasenverstelleraktuatormodul 202 und dem Kraftstoffeinspritzmodul 204, spät in einem Arbeitstakt des Kolbens 110 einen zusätzlichen Kraftstoffimpuls aufzunehmen. Dadurch wird Kohlenmonoxid in dem Abgasstrom erzeugt. Bei Schritt 516 wird das Kohlenmonoxid für die Oxidationsreaktion verwendet, die in dem elektrisch beheizten katalytisch aktiven Element 214 erfolgt, um den Katalysator 126 zu beheizen.
Bei Schritt 518 absorbiert der TWC/Kohlenwasserstoffabsorber 302 Kohlenwasserstoff in der Auslassstruktur 125. Der TWC/Kohlenwasserstoffabsorber 302 absorbiert die Kohlenwasserstoffemissionen, bis der TWC/Kohlenwasserstoffabsorber eine Schwellentemperatur (nur zum Beispiel etwa 100°C) erreicht.
Bei Schritt 520 oxidiert das elektrisch beheizte katalytisch aktive Element 214 das Kohlenmonoxid, um Wärme für den TWC 304 zu erzeugen. Das Verfahren 500 wiederholt die Schritte 512 - 520, bis der TWC 304 des Katalysators 126 die Anspringtemperatur erreicht. Wenn der TWC 304 die Anspringtemperatur erreicht, geht das Verfahren 500 zu Schritt 522 weiter und betreibt den Motor 102 normal. Das Verfahren schaltet zum Beispiel das EHC ab und arbeitet bei einem stöchiometrischen L/K-Verhältnis.

Claims

Emissionsreduktionssystem, umfassend: ein Emissionssteuerungsmodul (200), das beruhend auf einer ersten Temperatur eines Katalysators (126) eine Kraftstoffeinspritzung selektiv bei einem mageren L/K-Verhältnis steuert und das beruhend auf der ersten Temperatur ein elektrisch beheiztes katalytisch aktives Element (214) (EHC) selektiv einschaltet; und ein Kraftstoffeinspritzmodul (204), das während mindestens einem von: einem Arbeitstakt und einem Auspufftakt beruhend auf einer zweiten Temperatur des EHC (214) selektiv Kraftstoff in einen Motorzylinder (110) einspritzt, wenn die zweite Temperatur über einem zweiten Schwellenwert liegt, wobei der zweite Schwellenwert der Anspringtemperatur des EHC (214) entspricht; wobei das Emissionssteuerungsmodul (200) die Kraftstoffeinspritzung bei dem mageren L/K-Verhältnis steuert, wenn die erste Temperatur unter der Anspringtemperatur des Katalysators (126) liegt; und wobei das Emissionssteuerungsmodul (200) das EHC (214) abschaltet, wenn die zweite Temperatur gleich dem zweiten Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Emissionssteuerungsmodul (200) die Kraftstoffeinspritzung bei einem stöchiometrischen L/K-Verhältnis steuert, wenn die erste Temperatur größer als oder gleich dem ersten Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 1, welches weiterhin ein Phasenverstellerbetätigungsmodul (202) umfasst, das in einem Modus verringerter Emissionen beruhend auf der ersten Temperatur selektiv einen Einlassphasenversteller (114) und einen Auslassphasenversteller (120) steuert.
System nach Anspruch 3, wobei das Phasenverstellerbetätigungsmodul (202) in einem Normalbetriebsmodus mindestens eines von: dem Einlass- und dem Auslassphasenversteller (114, 120) selektiv steuert, wenn die erste Temperatur größer als oder gleich dem ersten Schwellenwert ist.