DE102010005179B4

DE102010005179B4 - Integriertes Abgas- und Regenerationssystem mit elektrisch beheiztem Partikelfilter

Info

Publication number: DE102010005179B4
Application number: DE102010005179A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Gonze; Michael J. Paratore jun.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: CN101787916B; US20100186384A1; US8347607B2; DE102010005179A1; CN101787916A

Abstract

System, umfassend: einen Partikelmaterial-(PM)-Filter, der eine Mehrzahl von Zonen aufweist; eine elektrische Heizung, die eine Mehrzahl von Heizungssegmenten aufweist, die jeweiligen der Zonen zugeordnet sind, wobei die elektrische Heizung stromaufwärts von und nahe dem PM-Filter angeordnet ist; ein Nach-Kraftstoffeinspritzsystem, das Kraftstoff in einen Zylinder eines Motors und/oder ein Abgassystem einspritzt; und ein Steuermodul, das selektiv in einem ersten Modus, einem zweiten Modus oder einem dritten Modus arbeitet und derart konfiguriert ist, dass es: in dem ersten Modus arbeitet, der umfasst, dass die elektrische Heizung aktiviert wird, um Abgas des Motors zu erwärmen, und eine Aktivierung des Nach-Einspritzsystems unterlassen wird, wenn der Abgasdurchfluss gleich oder kleiner als eine erste vorbestimmte Rate ist; in dem zweiten Modus arbeitet, der umfasst, dass das Nach-Einspritzsystem aktiviert wird, um das Abgas zu erwärmen, und eine Aktivierung der elektrischen Heizung unterlassen wird, wenn der Abgasdurchfluss größer als eine zweite vorbestimmte Rate ist; und in dem dritten Modus arbeitet, der umfasst, dass die elektrische Heizung und das Nach-Einspritzsystem aktiviert werden, wenn der Abgasdurchfluss größer als die erste vorbestimmte Rate ist und kleiner als oder gleich einer zweiten vorbestimmten Rate ist.

Description

ANGABE VON REGIERUNGSRECHTEN
Diese Offenbarung wurde gemäß dem U.S.-Regierungsvertrag Nr. DE-FC-04-03 AL67635 mit dem Energieministerium (DoE) angefertigt. Die U.S.-Regierung besitzt gewisse Rechte in dieser Offenbarung.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Motorsteuersysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere Partikelfilter-Regenerationssysteme.
HINTERGRUND
Motoren, wie Dieselmotoren, erzeugen Partikelmaterial (PM), das durch einen PM-Filter von dem Abgas gefiltert wird. Der PM-Filter ist in einem Abgassystem des Motors angeordnet. Der PM-Filter reduziert eine Emission von PM, das während der Verbrennung erzeugt wird.
Mit der Zeit wird der PM-Filter voll. Während der Regeneration kann das PM in dem PM-Filter verbrannt werden. Eine Regeneration kann ein Erwärmen des PM-Filters auf eine Verbrennungstemperatur des PM betreffen. Es existieren verschiedene Wege zur Ausführung einer Regeneration, einschließlich einem Modifizieren des Motormanagements, der Verwendung eines Kraftstoffbrenners, der Verwendung einer Einrichtung für katalytische Oxidation, um die Abgastemperatur mit nach Einspritzung von Kraftstoff zu erhöhen, die Verwendung von Widerstandsheizspulen und/oder die Verwendung von Mikrowellenenergie. Die Widerstandsheizspulen sind typischerweise in Kontakt mit dem PM-Filter angeordnet, um eine Erwärmung durch sowohl Leitung als auch Konvektion zu ermöglichen.
Eine Regeneration kann unter Verwendung einer Abgaserwärmungstechnik oder unter Verwendung einer elektrischen Erwärmungstechnik ausgeführt werden. Eine Abgaserwärmungstechnik betrifft das Erwärmen eines Abgases beispielsweise durch Nacheinspritzung von Kraftstoff. Während eines Arbeits- bzw. Verbrennungstaktes eines Motors wird ein Luft/Kraftstoff-Gemisch komprimiert und in einem Zylinder des Motors gezündet. Um eine Regeneration zu erleichtern, kann Kraftstoff in die Zylinder während des Verbrennungstaktes und nach Zündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches oder in den Abgasstrom eingespritzt werden. Bei Einführung während oder nach den Zündungs- und/oder Abgashüben des Verbrennungstaktes mischt sich der eingespritzte Kraftstoff, der als nacheingespritzter (von ”post-injected”; ”PI”) Kraftstoff bezeichnet ist, mit dem Abgas und wird durch einen in dem Abgassystem angeordneten Oxidationskatalysator oxidiert. Die von der Oxidationsreaktion in dem Katalysator freigesetzte Wärme erhöht die Temperatur des Abgassystems, was die Zündung der Partikel in dem PM-Filter unterstützt.
Die elektrische Erwärmungstechnik betrifft das elektrische Erwärmen eines Abgases, das in einen PM-Filter eintritt. Es können eine oder mehrere elektrische Spulen stromaufwärts von dem PM-Filter angeordnet sein und aktiviert werden, um das Abgas zu erwärmen. Dies stellt eine schnelle Erwärmung und ein schnelles Anspringen des PM bereit.
Aus der DE 10 2007 025 419 A1 ist ein System bekannt, das einen Partikelmaterial-(PM)-Filter, eine elektrische Heizung, ein Nach-Kraftstoffeinspritzsystem, das Kraftstoff in ein Abgassystem einspritzt, sowie ein Steuermodul umfasst. Dabei ist die elektrische Heizung stromaufwärts von und nahe dem PM-Filter angeordnet. Ferner ist bei diesem System das Steuermodul derart konfiguriert, dass es in einem ersten Modus arbeitet, der umfasst, dass die elektrische Heizung aktiviert wird, um Abgas des Motors zu erwärmen, und in einem zweiten Modus arbeitet, der umfasst, dass das Nach-Einspritzsystem aktiviert wird, um das Abgas zu erwärmen. Hierbei arbeitet das Steuermodul selektiv in dem ersten Modus oder in dem zweiten Modus, und zwar in Abhängigkeit davon, ob allein mit der Heizung ein gewünschter Zielparameter in Form einer zur Partikelfilterregeneration erforderlichen Abgastemperatur erreicht werden kann. Ist dies der Fall, so arbeitet das Steuermodul in dem ersten Modus, anderenfalls arbeitet es in dem zweiten Modus.
PM-Reduktionssysteme, die Kraftstoff verwenden, tendieren zu einer Verringerung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Beispielsweise verringern viele kraftstoffbasierte PM-Reduktionssysteme eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit um 5%. Elektrisch beheizte PM-Reduktionssysteme reduzieren eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit um eine vernachlässigbare Größe, sind jedoch aufgrund der Abgasströmung vom Betrieb her beschränkt. Wenn eine Abgasströmung beispielsweise über einen bestimmten Durchfluss (kg/s) zunimmt, wird die Erleichterung wie auch die Fähigkeit zum Einleiten einer Regeneration durch ein elektrisch beheiztes Element verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das in der DE 10 2007 025 419 A1 beschriebene System so weiterzuentwickeln, dass zur Beantwortung der Frage, in welchem Modus das Steuermodul arbeiten soll, keine aufwändigen Berechnungen hinsichtlich der mit der Heizung erzielbaren Abgastemperatur erforderlich werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird mit einem System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein Funktionsblockschaubild eines Motorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
2 ein Funktionsschaubild eines Regenerationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
3 eine beispielhafte Zoneneinteilung einer in Zonen eingeteilten Einlassheizung zeigt;
4 eine beispielhafte Zoneneinteilung einer in Zonen eingeteilten Einlassheizung zeigt;
5 eine beispielhafte Widerstandsheizung in einer der Zonen der in Zonen eingeteilten Einlassheizung von 4 veranschaulicht;
6 den elektrisch erwärmten PM-Filter veranschaulicht;
7 ein Erwärmen innerhalb eines Abschnitts eines Partikelfilters veranschaulicht; und
8 ein Regenerationsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zu Zwecken der Klarheit sind in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen dazu verwendet, ähnliche Elemente zu identifizieren. Der hier verwendete Ausdruck ”A, B und/oder C” sei derart zu interpretieren, dass ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen ODER gemeint ist. Es sei zu verstehen, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in verschiedener Reihenfolge ohne Änderung der Grundsätze der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden können.
Der hier verwendete Begriff ”Modul” betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Zusätzlich können, obwohl die folgenden Ausführungsformen hauptsächlich in Bezug auf beispielhafte Verbrennungsmotoren beschrieben sind, die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung andere Motoren betreffen. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung Kompressionszündungsmotoren, Funkenzündungsmotoren, Funkenzündungsmotoren mit Direkteinspritzung, Motoren mit homogener Funkenzündung, Motoren mit homogener Kompressionszündung, Motoren mit geschichteter Funkenzündung, Dieselmotoren wie auch funkenunterstützte Kompressionszündungsmotoren betreffen.
Zusätzlich werden in der folgenden Beschreibung Begriffe, wie ”erste/r/s”, ”zweite/r/s” und ”dritte/r/s” verwendet. Diese Begriffe sind nicht spezifisch für irgendeine Vorrichtung oder irgendein Element. Abhängig vom Kontext können mehr als einer der Begriffe verwendet werden, um auf dieselbe Vorrichtung Bezug zu nehmen. Beispielsweise können die Begriffe ”erste/r/s” und ”zweite/r/s” dazu verwendet werden, auf dasselbe Modul Bezug zu nehmen.
Ferner sind hier verschiedene Sensoren und Parameter offenbart. Die Parameter können direkt auf Grundlage von Signalen von den entsprechenden bzw. korrespondierenden Sensoren bestimmt werden oder können indirekt bestimmt werden. Bei einer indirekten Bestimmung können die Parameter auf Signalen von nicht korrespondierenden Sensoren, auf bestimmten Motor- und/oder Abgassystem-Betriebsbedingungen und/oder auf vorbestimmten Werten basieren. Beispielsweise kann eine Luftströmung über einen Außenbereich eines Abgassystems direkt über einen Luftströmungssensor bestimmt werden oder kann aufgrund von Information von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und/oder anderen Sensoren geschätzt werden.
Die Verwendung eines elektrisch beheizten Partikelfilters (PF) stellt eine effiziente Technik zur Regeneration eines PF dar. Ein elektrisch erwärmter PF kann dazu verwendet werden, eine Regeneration eines PF in Zonen zu unterteilen, was eine schnelle Regeneration unter Verwendung von Ruß als Brennstoff ohne Schädigung des PF zulässt. Ein elektrisch beheizter PF kann in weniger als 5 Minuten regeneriert werden, im Vergleich zu 20 bis 30 Minuten für Techniken mit abgaserwärmter Regeneration, wie Nach-Kraftstoffeinspritztechniken. Hohe Abgasdurchflüsse beschränken den Betriebsbereich, innerhalb dem ein elektrisch beheizter PF zur Regeneration effektiv ist. Techniken mit abgasbeheiztem PF, wie eine Nach-Kraftstoffeinspritzung, können dazu verwendet werden, eine Regeneration während hoher Abgasdurchflüsse auszuführen. Die beschriebenen Ausführungsformen stellen Techniken zur Ausführung einer Regeneration für einen breiten Bereich von Abgasdurchflüssen bereit.
Nun Bezug nehmend auf 1 ist ein Motorsystem 100 gezeigt, das ein Regenerationssystem 101 aufweist, das sowohl eine Nach-Kraftstoffeinspritzregeneration als auch eine Regeneration mit elektrisch beheiztem PF ausführt. Obwohl die folgende Ausführungsform auf ein Hybridfahrzeug gerichtet ist, können die hier offenbarten Ausführungsformen auch Nicht-Hybrid-Fahrzeuge betreffen. Das Motorsystem weist ein Abgassystem 102 auf, das das Regenerationssystem 101 aufweist. Das Regenerationssystem 101 wird dazu verwendet, Partikel in einem PF 103 des Abgassystems 102 zu entfernen. Das Regenerationssystem regeneriert den PF 103 durch Ausführung einer Nach-Kraftstoffeinspritzung und/oder durch elektrisches Erwärmen von Abgas und/oder eines stromaufwärtigen Abschnitts des PF 103. Eine Heizungsanordnung 104 ist stromaufwärts von dem PF 103 angeordnet und kann aktiviert werden, um eine Regeneration einzuleiten.
Das Verbrennungsmotorsystem 100 umfasst einen Verbrennungsmotor 105, der auf Grundlage eines Fahrereingabemoduls 104 ein Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennt, um ein Antriebsmoment für ein Fahrzeug zu erzeugen. Luft wird in einen Ansaugkrümmer 110 durch ein Drosselventil 112 gezogen. Ein Steuermodul 114, das als ein Motorsteuermodul bezeichnet werden kann, weist ein Drosselaktuatormodul 116 an, um ein Öffnen des Drosselventils 112 zu regulieren und damit die Menge an Luft, die in den Ansaugkrümmer 110 gezogen wird, zu steuern. Das Motorsystem 110 und/oder das Steuermodul 114 können ein oder mehrere der Module von 2 aufweisen.
Luft von dem Ansaugkrümmer 110 wird durch ein Ansaugventil 122 in den Zylinder 118 gezogen. Das Steuermodul 114 steuert die Menge, den zeitlichen Verlauf bzw. Zeitpunkt wie auch die Anzahl von Kraftstoffeinspritzereignissen in jeden Zylinder des Motors 105 und während eines Arbeits- bzw. Verbrennungstaktes über ein Kraftstoffeinspritzsystem 124, das eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 125 aufweist. Ein Verbrennungstakt kann einen Ansaughub, einen Kompressionshub, einen Zündungshub wie auch einen Abgashub eines Zylinders betreffen. Das Kraftstoffeinspritzsystem 124 kann Kraftstoff in den Ansaugkrümmer 110 an einem zentralen Ort einspritzen oder kann Kraftstoff in den Ansaugkrümmer 110 an mehreren Orten einspritzen, wie nahe dem Ansaugventil von jedem der Zylinder. Alternativ dazu kann das Kraftstoffeinspritzsystem 124 Kraftstoff direkt in die Zylinder einspritzen, wie gezeigt ist.
Der Kraftstoff, der vor einem Zündungshub eingespritzt wird, mit der Luft und erzeugt das Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Zylinder 118. Ein Kolben (nicht gezeigt) in dem Zylinder 118 komprimiert das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Auf Grundlage eines Signals von dem Steuermodul 114 erregt ein Zündfunkenaktuatormodul 126 eine Zündkerze 128 in dem Zylinder 118, die das Luft/Kraftstoff-Gemisch zündet. Die zeitliche Einstellung des Zündfunkens bzw. die Zündeinstellung kann relativ zu der Zeit spezifiziert sein, wenn sich der Kolben an seiner obersten Position befindet, die als oberer Totpunkt (OT) bezeichnet ist, dem Punkt, bei dem das Luft/Kraftstoff-Gemisch am stärksten komprimiert ist. Der Kraftstoff (nacheingespritzter Kraftstoff), der während oder nach einem Zündungshub eingespritzt wird, mischt sich beispielsweise mit Abgas in dem jeweiligen Zylinder und wird in das Abgassystem 134 freigesetzt.
Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemischs treibt den Kolben abwärts, wodurch eine rotierende Kurbelwelle (nicht gezeigt) angetrieben wird. Der Kolben beginnt dann, sich wieder aufwärts zu bewegen, und stößt die Nebenprodukte der Verbrennung durch ein Abgasventil 130 aus. Die Nebenprodukte der Verbrennung werden von dem Fahrzeug über ein Abgassystem 134 ausgetragen. Das Abgas gelangt durch einen Oxidationskatalysator 135 und den PF 103. Die hier beschriebenen Ausführungsformen können ein Nachbehandlungssystem betreffen, das einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter und/oder andere Katalysator- und Nachbehandlungskomponenten aufweist.
Das Ansaugventil 122 kann durch eine Einlassnockenwelle 140 gesteuert werden, während das Abgasventil 130 durch eine Auslassnockenwelle 142 gesteuert sein kann. Bei verschiedenen Implementierungen können mehrere Einlassnockenwellen mehrere Ansaugventile pro Zylinder steuern und/oder können die Ansaugventile mehrerer Zylinderreihen steuern. Gleichermaßen können mehrere Auslassnockenwellen mehrere Abgasventile pro Zylinder steuern und/oder können Abgasventile für mehrere Zylinderreihen steuern. Das Zylinderaktuatormodul 120 kann Zylinder deaktivieren, indem eine Bereitstellung von Kraftstoff und Zündfunken angehalten wird und/oder deren Abgas- und/oder Ansaugventile deaktiviert werden.
Ein Steuermodul 114 kann die Position des Ansaugventils 122 und/oder des Abgasventils 130 regulieren, um die Menge an Kraftstoff, die in den/die Zylinder 118 aufgenommen wird, zu erhöhen. Das Steuermodul 114 kann auch einen Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung(en) 125 einstellen, wie eine EIN-Zeit oder eine Größe von Öffnungen der Einspritzeinrichtung, um die Menge an Kraftstoff, die in den/die Zylinder 118 eingespritzt wird, zu erhöhen. Das Steuermodul 114 kann auch die Steuerung der Auslassnockenwelle(n) entsprechend der Änderung des Luft/Kraftstoff-Gemisches einstellen.
Die Zeit, zu der das Ansaugventil 122 offen ist, kann in Bezug auf einen Kolben-OT durch einen Ansaug- bzw. Einlassnockenphasensteller 148 variiert werden. Die Zeit, zu der das Abgasventil 130 geöffnet ist, kann in Bezug auf den Kolben-OT durch einen Abgas- bzw. Auslassnockenphasensteller 150 variiert werden. Ein Phasenstelleraktuatormodul 158 steuert den Einlassnockenphasensteller 148 und den Auslassnockenphasensteller 150 auf Grundlage von Signalen von dem Steuermodul 114.
Das Steuersystem 100 kann eine Ladevorrichtung aufweisen, die druckbeaufschlagte Luft an den Ansaugkrümmer 110 liefert. Beispielsweise zeigt 1 einen Turbolader 160. Der Turbolader 160 wird durch Abgase, die durch das Abgassystem 134 strömen, betrieben und stellt eine komprimierte Luftladung für den Ansaugkrümmer 110 bereit. Der Turbolader 160 kann Luft komprimieren, bevor die Luft den Ansaugkrümmer 110 erreicht.
Ein Wastegate bzw. Ladedruckregelventil 164 kann ermöglichen, dass Abgas den Turbolader 160 umgeht, wodurch der Ausgang (oder der Ladedruck) des Turboladers reduziert wird. Das Steuermodul 114 steuert den Turbolader 160 über ein Ladedruckaktuatormodul 162. Das Ladedruckaktuatormodul 162 kann den Ladedruck des Turboladers 160 durch Steuerung der Position des Ladedruckregelventils 164 modulieren. Die komprimierte Luftladung wird an den Ansaugkrümmer 110 durch den Turbolader 160 bereitgestellt. Ein Ladeluftkühler (nicht gezeigt) kann einen Teil der Wärme der komprimierten Luftladung dissipieren, die erzeugt wird, wenn Luft komprimiert wird, und auch durch eine Nähe zu dem Abgassystem 134 erhöht sein kann. Alternative Motorsysteme können einen Lader mit mechanischem Antrieb bzw. Superlader aufweisen, der komprimierte Luft an den Ansaugkrümmer 110 liefert und durch die Kurbelwelle angetrieben ist.
Das Motorsystem 100 kann ein Abgasrückführungs-(AGR)-Ventil 170 aufweisen, das Abgas selektiv zurück Ansaugkrümmer 110 umlenkt. Bei verschiedenen Implementierungen kann das AGR-Ventil 170 nach dem Turbolader 160 angeordnet sein. Das Motorsystem 100 kann die Drehzahl der Kurbelwelle in Umdrehungen pro Minute (U/min) unter Verwendung eines Motordrehzahlsensors 180 messen. Die Temperatur des Motorkühlmittels kann unter Verwendung eines Motorkühlmitteltemperatur-(ECT)-Sensors 182 gemessen werden. Der ECT-Sensor 182 kann in dem Motor 105 oder an anderen Stellen angeordnet sein, an denen das Kühlmittel umgewälzt wird, wie einem Kühler (nicht gezeigt).
Der Druck in dem Ansaugkrümmer 110 kann unter Verwendung eines Ansaugunterdruck- bzw. Krümmerabsolutdruck-(MAP)-Sensors 184 gemessen werden. Bei verschiedenen Implementierungen kann ein Motorunterdruck gemessen werden, wobei der Motorunterdruck die Differenz zwischen Umgebungsluftdruck und dem Druck in dem Ansaugkrümmer 110 ist. Die Masse der in den Ansaugkrümmer 110 strömenden Luft kann unter Verwendung eines Luftmassenstrom-(MAF)-Sensors 186 gemessen werden. Der MAF-Sensor 186 kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das das Drosselventil 112 aufweist.
Das Drosselaktuatormodul 116 kann die Position des Drosselventils 112 unter Verwendung von einem oder mehreren Drosselpositionssensoren (TPS) 190 überwachen. Die Umgebungstemperatur der in das Motorsystem 100 gezogenen Luft kann unter Verwendung eines Ansauglufttemperatur-(IAT)-Sensors 192 gemessen werden. Das Steuermodul 114 kann Signale von den Sensoren verwenden, um Steuerentscheidungen für das Motorsystem 100 durchzuführen.
Das Steuermodul 114 kann mit einem Getriebesteuermodul 194 kommunizieren, um ein Schalten von Gängen in einem Getriebe (nicht gezeigt) zu koordinieren. Beispielsweise kann das Steuermodul 114 ein Drehmoment während eines Schaltens eines Gangs reduzieren. Das Steuermodul 114 kann mit einem Hybridsteuermodul 196 kommunizieren, um einen Betrieb des Verbrennungsmotors 105 und eines Elektromotors 198 zu koordinieren. Der Elektromotor 198 kann auch als ein Generator funktionieren und kann dazu verwendet werden, elektrische Energie zur Verwendung durch elektrische Fahrzeugsysteme und/oder zur Speicherung in einer Batterie zu erzeugen. Bei verschiedenen Implementierungen können das Steuermodul 114, das Getriebesteuermodul 194 und das Hybridsteuermodul 196 in ein oder mehrere Module integriert sein.
Das kombinierte Drehmoment des Verbrennungsmotors 105 und des Elektromotors 198 wird an einen Eingang eines Getriebes 202 angelegt. Das Getriebe 202 kann ein Automatikgetriebe sein, das Gänge gemäß einer Gangwechselanweisung von dem Steuermodul 114 schaltet. Eine Abtriebswelle des Getriebes 202 ist mit einem Eingang eines Differentialgetriebes 204 gekoppelt. Das Differentialgetriebe 204 treibt Achsen und Räder 200 an. Raddrehzahlsensoren 206 erzeugen Signale, die eine Drehzahl ihrer jeweiligen Räder 200 angeben.
Das Steuermodul 114 schätzt ein bereitzustellendes Motorausgangsdrehmoment auf Grundlage empfangener Sensorsignale und anderer Parameter, die hier beschrieben sind. Das Steuermodul 114 kann eine Position der Drossel, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die Ventilzeitsteuerung, die Kraftstoffeinspritzung, etc. einstellen, um das geschätzte Motorausgangsdrehmoment bereitzustellen. Auf Grundlage eines Soll-Motorausgangsdrehmoments werden eine Soll-Luftströmung, eine Soll-Kraftstoffeinspritzung und/oder eine gewünschte Zündeinstellung bzw. -zeitpunktsteuerung erreicht. Das Soll-Motorausgangsdrehmoment kann auf einer Fahrzeugbediener-(Fahrer-)Anforderung basieren und/oder kann controllerbasiert sein, wie eine Drehmomentausgangsanforderung von einer Geschwindigkeitsregelanlage. Insbesondere steuert das Steuermodul 114 den Drehmomentausgang des Motors auf Grundlage von Verfahren und Systemen für koordinierte Drehmomentsteuerung der vorliegenden Offenbarung.
Die Sensorsignale, die von dem Steuermodul 114 empfangen werden, können Sensorsignale umfassen von: dem MAP-Sensor 184, dem MAF-Sensor 186, dem Drosselpositionssensor 190, dem IAT-Sensor 192, einem Gaspedalpositionssensor 195 oder anderen Sensoren, wie dem Motorkühlmitteltemperatursensor 182, dem Motordrehzahlsensor 180, einem Umgebungstemperatursensor 197, einem Öltemperatursensor 199 und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 201.
Das Steuermodul 114 kommuniziert mit dem Drosselaktuatormodul 116. Das Steuermodul 114 empfängt ein Drosselpositionssignal von dem Drosselpositionssensor 190 und stellt eine Drosselposition auf Grundlage des Drosselpositionssignals ein. Das Steuermodul 114 kann die Drossel 112 unter Verwendung eines Drosselaktuators auf Grundlage einer Position eines Gaspedals 193 steuern.
Eine Luftmasse, ein Luftvolumen sowie ein Luftdruck pro Zylinder können auf Grundlage von Signalen von den Sensoren 184, 186 bestimmt und/oder geschätzt werden. Das Steuermodul 114 kann Motor- und Abgassystemvorrichtungen auf Grundlage eines Soll-MAP und eines Soll-MAF einstellen. Der Soll-MAP und die Soll-MAF können auf Grundlage von Motordrehzahl- und Drehmomentanforderungssignalen bestimmt werden.
Das Motorsystem 100 kann ferner andere Sensoren 218 aufweisen, wie Abgasströmungssensoren 220, einen AGR-Sensor 222, Umweltsensoren 224, einen Sauerstoffsensor 226 und Motorsensoren 230, die oben nicht erwähnt sind. Die Umweltsensoren 224 können einen Höhensensor, den Umgebungstemperatursensor 197, einen Sensor für barometrischen Druck und einen Luftströmungssensor aufweisen, wie in 2 gezeigt ist. Die Umweltsensoren 224 können dazu verwendet werden, Umweltbedingungen zu bestimmen, die ferner dazu verwendet werden, eine Nacheinspritzung von Kraftstoff einzustellen und/oder eine Soll-Drosselfläche zu bestimmen. Die Soll-Drosselfläche kann einer spezifischen Drosselposition entsprechen.
Das Motorsystem 100 kann auch einen Speicher 240 aufweisen, der verwendet werden kann, wenn eine Nacheinspritzung von Kraftstoff ausgeführt wird und/oder wenn verschiedene Funktionen, die den Modulen des Steuermoduls 114 zugeordnet sind, ausgeführt werden. Beispielhafte Module des Steuermoduls 114 sind in Bezug auf die Ausführungsform von 2 gezeigt und beschrieben. Der Speicher 240 kann verschiedene Tabellen 242 aufweisen, die vorbestimmte Abgastemperaturwerte, vorbestimmte Umweltbedingungswerte, Korrekturfaktoren, Koeffizientenwerte etc. zur Steuerung der Nacheinspritzung von Kraftstoff aufweisen können. Die Inhalte des Speichers 240 können einem oder mehreren der Schritte zugeordnet sein, die in Bezug auf die Ausführungsform von 3 beschrieben sind.
Das Abgassystem 134 weist einen Abgaskrümmer 250, den Oxidationskatalysator 135 und den PF 103 auf. Optional dazu rezirkuliert ein AGR-Ventil (nicht gezeigt) einen Anteil des Abgases zurück in den Ansaugkrümmer 110. Der Rest des Abgases wird in den Turbolader 160 geführt, um eine Turbine zu betreiben. Die Turbine unterstützt die Kompression der frischen Ansaugluft. Abgas strömt von dem Turbolader 160 durch den Oxidationskatalysator 135 und in den PF 103. Der Oxidationskatalysator 135 oxidiert das Abgas auf Grundlage eines Nachverbrennungs-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Der Größe der Oxidation erhöht die Temperatur des Abgases. Der PF 103 nimmt Abgas von dem Oxidationskatalysator 135 auf und filtert jegliche Rußpartikel, die in dem Abgas vorhanden sind. Die Nacheinspritzung von Kraftstoff wird dazu verwendet, den Ruß auf eine Regenerationstemperatur zu erwärmen.
Ein Steuermodul 114 steuert den Motor sowie eine Regeneration des PF 103 auf Grundlage verschiedener erfasster Information und Rußbeladung. Genauer schätzt das Steuermodul 114 eine Beladung des PF 103. Wenn die geschätzte Beladung auf einem vorbestimmten Niveau ist und/oder der Abgasdurchfluss innerhalb eines gewünschten Gebietes liegt, kann die Regeneration aktiviert werden. Die Dauer des Regenerationsprozesses kann auf Grundlage der geschätzten Menge an Partikelmaterial in dem PF 103 variiert werden. Die Nacheinspritzung von Kraftstoff kann über den gesamten Regenerationsprozess eingestellt werden.
Der nacheingespritzte (engl.: ”post injected”; PI) Kraftstoff und/oder das Nachverbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch wird zu dem Oxidationskatalysator 135 geführt und kann durch diesen oxidiert werden, was den PF 103 erwärmt. Der Oxidationskatalysator 135 unterstützt eine Oxidation von nicht verbranntem Kraftstoff und erhöht die Temperatur des Abgases unter Verwendung von durch eine Oxidationsreaktion erzeugter Wärme. Die Wärme kann bewirken, dass Ruß in dem PF 103 einen Zündpunkt (Anspringen) erreicht und somit einen Beginn einer Regeneration auslöst. Das Zünden des Rußes erzeugt eine Exotherme, die sich entlang des PF 103 ausbreitet und Ruß stromabwärts erwärmt, wodurch der Regenerationsprozess fortgesetzt wird. Während der Regeneration kann der Ruß unter Verwendung einer Nacheinspritzung und/oder durch sich elektrisch erwärmende Elemente der Heizungsanordnung 104 gezündet werden.
Das Motorsystem 100 kann Abgassystemsensoren aufweisen, wie Abgasströmungssensoren 220, Abgasdrucksensoren 252, 254, einen Abgastemperatursensor 256, etc., um Abgasströmungsniveaus, Abgastemperaturniveaus, Abgasdruckniveaus etc. zu bestimmen.
Der PF 103 kann einen zugeordneten vorbestimmten Regenerationstemperatur-Betriebsbereich, eine vorbestimmte Regenerationsbetriebstemperatur und/oder eine vorbestimmte Spitzenbetriebstemperatur aufweisen. Die Spitzenbetriebstemperatur kann einem Punkt einer potentiellen Schädigung zugeordnet sein. Beispielsweise kann ein PF bei Betriebstemperaturen von größer als 800°C auszufallen beginnen. Die Spitzenbetriebstemperatur kann für verschiedene PFs variieren. Die Spitzenbetriebstemperatur kann einer durchschnittlichen Temperatur eines Anteils eines PF oder einer durchschnittlichen Temperatur des PF als Ganzem zugeordnet sein.
Um einen Schaden an einem PM-Filter zu verhindern und die Betriebslebensdauer des PM-Filters zu erhöhen, können die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine PM-Filter-Regeneration auf Grundlage einer Rußbeladung einstellen. Es wird eine maximale Zielbetriebstemperatur für einen PM-Filter eingestellt. Eine Regeneration wird ausgeführt, wenn die Rußbeladung kleiner als oder gleich einem Rußbeladungsniveau ist, das der maximalen Betriebstemperatur zugeordnet ist. Die Regeneration kann ausgeführt werden, wenn die Rußbeladungsniveaus unterhalb oder innerhalb eines vorbestimmten Gebietes liegen. Das vorbestimmte Gebiet besitzt eine obere Rußbeladungsschwelle S_ut, die der maximalen Betriebstemperatur zugeordnet ist. Eine Begrenzung von Spitzenbetriebstemperaturen eines PM-Filters minimiert Drücke in und eine Expansion des PM-Filters. Bei einer Ausführungsform wird die Rußbeladung geschätzt und eine Regeneration auf Grundlage dessen ausgeführt. Bei einer weiteren Ausführungsform werden, wenn eine Rußbeladung für eine Regeneration größer als gewünscht ist, Minderungsstrategien ausgeführt, um PM-Filter-Spitzentemperaturen während einer Regeneration zu reduzieren.
Eine Rußbeladung kann aus Parametern, wie einer Fahrleistung, einem Abgasdruck, einem Abgasabfalldruck über einen PM-Filter, etc. geschätzt und/oder vorhergesagt werden. Eine Fahrleistung betrifft eine Fahrzeugfahrleistung, die dazu verwendet werden kann, eine Fahrzeugmotorbetriebszeit und/oder die Menge an erzeugtem Abgas zu schätzen. Nur beispielhaft kann eine Regeneration ausgeführt werden, wenn ein Fahrzeug etwa 200 bis 300 Meilen gefahren ist. Die Rußmenge, die erzeugt wird, hängt typischerweise von der Größe der Fahrzeugbeladung und dem Gebrauch über die Zeitdauer ab. Bei Leerlaufdrehzahlen wird weniger Ruß erzeugt, als bei Betrieb bei höheren Drehzahlen. Die Menge an Abgas, die erzeugt wird, ist dem Zustand der Rußbeladung in dem PM-Filter zugeordnet.
Der Abgasdruck kann dazu verwendet werden, die Menge an Abgas zu schätzen, die über eine Zeitperiode erzeugt wird. Eine Regeneration kann ausgeführt werden, wenn ein Abgasdruck ein vorbestimmtes Niveau überschreitet. Beispielsweise kann, wenn ein Abgasdruck, der in einen PM-Filter eintritt, ein vorbestimmtes Niveau überschreitet, eine Regeneration ausgeführt werden. Als ein anderes Beispiel kann, wenn ein Abgasdruck, der einen PM-Filter verlässt, unterhalb eines vorbestimmten Niveaus liegt, eine Regeneration ausgeführt werden.
Ein Abgasabfalldruck kann dazu verwendet werden, die Menge an Ruß in einem PM-Filter zu schätzen. Beispielsweise steigt, wenn der Abfalldruck zunimmt, die Größe der Rußbeladung. Der Abgasabfalldruck kann durch Bestimmung eines Drucks von Abgas, das in einen PM-Filter eintritt, minus eines Drucks von Abgas, das den PM-Filter verlässt, bestimmt werden. Abgassystem-Drucksensoren können dazu verwendet werden, diese Drücke bereitzustellen.
Ein Vorhersageverfahren kann die Bestimmung von einer oder mehreren Motorbetriebsbedingungen umfassen, wie Motorlast, Betankungsschemata, Kraftstoffeinspritzzeitpunkt sowie Abgasrezirkulation (AGR). Ein kumulativer Gewichtungsfaktor kann auf Grundlage der Motorbetriebsbedingungen verwendet werden. Der kumulative Gewichtungsfaktor ist der Rußbeladung zugeordnet. Wenn der kumulative Gewichtungsfaktor eine Schwelle überschreitet, kann eine Regeneration ausgeführt werden.
Auf Grundlage der geschätzten Rußbeladung und einer vorbestimmten Spitzenbetriebstemperatur für einen PM-Filter wird eine Regeneration ausgeführt, um zu verhindern, dass der PM-Filter bei Temperaturen oberhalb der Spitzenbetriebstemperatur arbeitet.
Eine Auslegung eines Steuersystems, um auf eine gewählte Rußbeladung abzuzielen, erlaubt PM-Filter-Regenerationen ohne intrusive Steuerungen. Eine robuste Regenerationsstrategie, wie hier bereitgestellt ist, entfernt Ruß von einem PM-Filter, während Spitzenbetriebstemperaturen beschränkt werden. Ein Beschränken von Spitzenbetriebstemperaturen reduziert thermische Beanspruchungen an einem Substrat eines PM-Filters und verhindert somit einen Schaden an dem PM-Filter, der durch hohe Rußexothermen bewirkt werden kann. Infolgedessen ist die Haltbarkeit des PM-Filters erhöht.
Wenn die Rußbeladung größer als ein einer eingestellten Spitzenregenerationstemperatur zugeordnetes Schwellenniveau ist, können Minderungsstrategien ausgeführt werden, um PM-Filter-Spitzentemperaturen während einer Regeneration zu reduzieren. Beispielsweise wird, wenn eine maximale Rußbeladungsschwelle auf etwa 2 g/l eingestellt ist und eine gegenwärtige Rußbeladung 4 g/l ist, um Temperaturen in einem PM-Filter während der Regeneration zu minimieren, ein Motorbetrieb angepasst. Die Anpassung kann eine Sauerstoffsteuerung und eine Abgasströmungssteuerung aufweisen.
Eine Rußbeladung kann größer als ein oberes Schwellenniveau sein, wenn beispielsweise ein Motor so betrieben wird, dass er für eine ausgedehnte Zeitperiode einen hohen Ansaugluftdurchfluss aufnimmt. Ein derartiger Betrieb kann an einer langen Auffahrtsrampe einer Autobahn oder während einer Beschleunigung auf einer Autobahn auftreten. Als ein anderes Beispiel kann eine obere Schwelle der Rußbeladung überschritten werden, wenn ein Drosselventil eines Motors kontinuierlich zwischen Voll-EIN und Voll-AUS für eine ausgedehnte Zeitperiode betätigt wird. Hohe Luftdurchflüsse können eine Regeneration eines PM-Filters verhindern oder beschränken.
Während der Sauerstoffsteuerung wird die Menge an Sauerstoff, die in den PM-Filter eintritt, verringert, um die exothermen Temperaturen des PM-Filters während der Regeneration zu verringern. Um Sauerstoffniveaus zu verringern, kann eine Luftströmung verringert werden, eine AGR kann erhöht werden und/oder eine Kraftstoffeinspritzung kann erhöht werden. Die Kraftstoffeinspritzung kann in Motorzylindern und/oder in das zugeordnete Abgassystem erhöht werden. Das Verbrennen von mehr Brennstoff verringert die Menge an Sauerstoff, die in dem Abgassystem vorhanden ist.
Eine große Zunahme in der Abgasströmung kann eine Abgrenzung oder Minimierung einer exothermen Reaktion in einem PM-Filter unterstützen. Eine Abgasströmungssteuerung kann eine Zunahme der Abgasströmung durch ein Herunterschalten in einem Getriebe oder durch eine Erhöhung einer Leerlaufdrehzahl aufweisen. Die Erhöhung der Motordrehzahl erhöht die Menge an Abgasströmung.
Nun Bezug nehmend auf 2 sind ein Regenerationssystem 101' und ein entsprechendes Abgassystem 102' des Motors 105 gezeigt. Das Regenerationssystem 101' umfasst ein Regenerationssteuermodul 300, das Teil des Steuermoduls 114 von 1 sein kann. Das Regenerationssteuermodul 300 umfasst ein Heizungssteuermodul 302 sowie ein Nacheinspritzungssteuermodul 304. Das Heizungssteuermodul 302 steuert einen Betrieb der Heizungsanordnung 104. Das Nacheinspritzungssteuermodul 304 kann einen Betrieb einer Kraftstoffpumpe 306 und/oder einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 308 für eine direkte Einspritzung von Kraftstoff in das Abgassystem 102' steuern. Das Nacheinspritzungssteuermodul 304 kann auch oder alternativ die Nacheinspritzung von Kraftstoff in Zylinder des Motors 105 steuern.
Das Abgassystem 102 umfasst einen ersten DOC 320, eine Vorrichtung 322 für selektive katalytische Reduktion (SCR) sowie eine PF-Anordnung 324. Die SCR-Vorrichtung 322 ist stromabwärts von dem ersten DOC 320 angeordnet. Die PF-Anordnung 324 ist stromabwärts von der SCR-Vorrichtung 322 angeordnet. Ein erster Satz von Mischern 326 kann zwischen dem ersten DOC 320 und der SCR-Vorrichtung 322 angeordnet sein. Ein zweiter Satz von Mischern 328 kann zwischen der SCR-Vorrichtung 322 und der PF-Anordnung 324 angeordnet sein.
Das Abgassystem 102' kann ein Harnstoffsystem aufweisen, das eine Harnstoffeinspritzeinrichtung 330 aufweist. Die Harnstoffeinspritzeinrichtung 330 kann Harnstoff direkt in das Abgassystem 102 beispielsweise zwischen dem ersten DOC 320 und dem ersten Satz von Mischern 326 einspritzen, wie gezeigt ist. Das Abgassystem 102' kann auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 308 für eine Nach-Kraftstoffeinspritzung aufweisen. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 308 kann Kraftstoff direkt in das Abgassystem 102' einspritzen, wie zwischen die SCR-Vorrichtung 322 und den zweiten Satz von Mischern 328, wie gezeigt ist.
Die PF-Anordnung 324 kann einen zweiten DOC 332, die Heizungsanordnung 104 und den PF 103 aufweisen. Die Heizungsanordnung 104 ist stromabwärts von dem zweiten DOC 332 angeordnet. Der PF 103 ist stromabwärts von der Heizungsanordnung 104 angeordnet.
Nun Bezug nehmend auf 3 ist eine beispielhafte, in Zonen eingeteilte Einlassheizung 350 für die PF-Anordnung 324 gezeigt. Die elektrisch erwärmte PF-Anordnung 324 ist beabstandet von oder in Kontakt mit der PF-Anordnung 324 angeordnet. Die PF-Anordnung 324 umfasst mehrere beabstandete Heizungszonen, einschließlich einer Zone 1 (mit Unterzonen 1A, 1B und 1C), einer Zone 2 (mit Unterzonen 2A, 2B und 2C) und einer Zone 3 (mit Unterzonen 3A, 3B und 3C). Die Zonen 1, 2 und 3 können während verschiedener jeweiliger Perioden aktiviert werden.
Wenn Abgas durch die aktivierten Zonen der Heizung strömt, erfolgt eine Regeneration in den entsprechenden Abschnitten des PF, die anfänglich das erwärmte Abgas aufgenommen haben (beispielsweise Bereiche stromabwärts von den aktivierten Zonen), oder den stromabwärtigen Bereichen, die durch Kaskadieren von verbrennendem Ruß gezündet werden. Die entsprechenden Abschnitte des PF, die sich nicht stromabwärts von einer aktivierten Zone befinden, wirken als Spannungsminderungszonen. Beispielsweise sind in 2 die Unterzonen 1A, 1B und 1C aktiviert, und die Unterzonen 2A, 2B, 2C, 3A, 3B und 3C wirken als Spannungsminderungszonen.
Die entsprechenden Abschnitte des PF stromabwärts von den aktiven Heizungs-Unterzonen 1A, 1B und 1C sind während des Erwärmens und Kühlens einer thermischen Expansion und Kontraktion ausgesetzt. Die Spannungsminderungs-Unterzonen 2A und 3A, 2B und 3B, und 2C und 3C mindern Spannung, die durch die Expansion und Kontraktion der Heizungsunterzonen 1A, 1B und 1C bewirkt wird. Nachdem die Zone 1 die Regeneration beendet hat, kann Zone 2 aktiviert werden und die Zonen 1 und 3 wirken als Spannungsminderungszonen. Nachdem die Zone 2 die Regeneration beendet hat, kann die Zone 3 aktiviert werden und die Zonen 1 und 2 wirken als Spannungsminderungszonen.
Nun Bezug nehmend auf 4 ist eine weitere beispielhafte, in Zonen eingeteilte Einlassheizung 360 gezeigt. Ein Zentralabschnitt kann durch eine Mittelzone umgeben sein, die ein erstes Umfangsband von Zonen aufweist. Der Mittelabschnitt kann durch einen Außenabschnitt umgeben sein, der ein zweites Umfangsband von Zonen aufweist.
Bei diesem Beispiel umfasst der Zentralabschnitt Zone 1. Das erste Umfangsband von Zonen umfasst Zonen 2 und 3. Das zweite Umfangsband von Zonen umfasst Zonen 1, 4 und 5. Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden stromabwärtige Abschnitte von aktiven Zonen regeneriert, während stromabwärtige Abschnitte von inaktiven Zonen eine Spannungsminderung bereitstellen. Wie zu erkennen ist, kann jeweils eine der Zonen 1, 2, 3, 4 und 5 aktiviert werden. Die anderen der Zonen bleiben inaktiviert.
Nun Bezug nehmend auf 5 ist eine beispielhafte Widerstandsheizung 370 gezeigt, die benachbart einer der Zonen (beispielsweise Zone 3) von dem ersten Umfangsband von Zonen in 4 angeordnet ist. Die Widerstandsheizung 370 kann eine oder mehrere Spulen, Heizungssegmente oder leitende Elemente umfassen, die die jeweilige Zone bedecken, um eine ausreichende Erwärmung bereitzustellen. Die Widerstandsheizung 370, wie gezeigt ist, weist drei (3) Heizungssegmente 372 auf, die elektrisch leitend sind.
Nun Bezug nehmend auf 6 ist die PF-Anordnung 324 detaillierter gezeigt. Die PF-Anordnung 324 weist ein Gehäuse 380, den PF 103, die in Zonen eingeteilte Heizung 104 und den zweiten DOC 332 auf. Die in Zonen eingeteilte Heizung 104 kann zwischen einem Laminarströmungselement oder dem zweiten DOC 332 und einem Substrat des PF 103 angeordnet sein. Ein elektrischer Verbinder 382 kann elektrischen Strom an die Zonen der PF-Anordnung 324 bereitstellen, wie oben beschrieben ist.
Wie zu erkennen ist, kann die in Zonen eingeteilte Heizung 104 in Kontakt mit dem PF 103 stehen oder von diesem beabstandet sein, so dass die Erwärmung eine Konvektions- und/oder Leitungserwärmung ist. Eine Isolierung 384 kann zwischen der in Zonen eingeteilten Heizung 104 und dem Gehäuse 380 angeordnet sein. Abgas tritt in die PF-Anordnung 324 von einem stromaufwärtigen Einlass 386 ein und wird durch eine oder mehrere Zonen der PF-Anordnung 324 erwärmt. Das erwärmte Abgas wird von dem PF 103 aufgenommen.
Nun Bezug nehmend auf 7 ist die Erwärmung innerhalb der PF-Anordnung 324 detaillierter gezeigt. Abgas 400 gelangt durch die Heizung 104 und wird durch eine oder mehrere Zonen der Heizung 104 erwärmt. Wenn das erwärmte Abgas von dem Filter 103 beabstandet ist, durchströmt es eine Distanz ”d” und wird dann von dem Filter 103 aufgenommen. Nur beispielhaft kann die Distanz ”d” 1,2 cm oder weniger betragen. Der Filter 103 kann einen Zentraleinlass 402, einen Kanal 404, Filtermaterial 406 und einen Auslass 408 besitzen, der radial außerhalb des Einlasses angeordnet ist. Der Filter kann mit Katalysator versehen sein. Das erwärmte Abgas bewirkt, dass das PM in dem Filter verbrennt, was den PM-Filter regeneriert. Die Heizung 104 überträgt Wärme durch Konvektion und/oder Leitung, um einen vorderen Abschnitt des Filters 103 zu zünden. Wenn der Ruß in den vorderseitigen Abschnitten eine ausreichend hohe Temperatur erreicht, wird die Heizung 104 abgeschaltet. Die Verbrennung von Ruß kaskadiert dann entlang eines Filterkanals 404, ohne dass es erforderlich ist, dass Leistung zu der Heizung 104 aufrechterhalten werden muss.
Nun Bezug nehmend auf 8 ist ein Regenerationsverfahren gezeigt. Obwohl die folgenden Schritte hauptsächlich in Bezug auf die Ausführungsformen der 1–2 beschrieben sind, können die Schritte leicht modifiziert werden, um Anwendung auf andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu finden.
Bei Schritt 500 beginnt eine Steuerung eines Steuermoduls, wie dem Steuermodul 114 von 1, und fährt zu Schritt 501 fort. Bei Schritt 501 werden Sensorsignale erzeugt. Die Sensorsignale können Abgasdurchflusssignale, Abgastemperatursignale, Abgasdrucksignale, ein Sauerstoffsignal, ein Ansaugluftströmungssignal, ein Ansaugluftdrucksignal, ein Ansauglufttemperatursignal, ein Motordrehzahlsignal, ein AGR-Signal, etc., aufweisen, die durch die oben beschriebenen Sensoren erzeugt werden können. Die Sensorinformation kann über dieses Verfahren und den Regenerationsprozess hinweg aktualisiert werden und kann detektiert und/oder indirekt geschätzt werden.
Bei Schritt 502 schätzt die Steuerung eine gegenwärtige Rußbeladung S_l des PF. Die Steuerung kann eine Rußbeladung schätzen, wie oben beschrieben ist. Die Schätzung kann auf der Sensorinformation, der Fahrzeugfahrleistung, Abgasdrücken, Abgasabfalldrücken über dem PM-Filter und/oder einem Vorhersageverfahren basieren. Das Vorhersageverfahren kann eine Schätzung auf Grundlage eines oder mehrerer Motorbetriebsparameter aufweisen, wie Motorlast, Betankungsschema, einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und AGR. Bei Schritt 503 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Rußbeladung S_l größer als eine untere Rußbeladungsschwelle S_lt ist. Wenn die gegenwärtige Rußbeladung S_l größer als die untere Schwelle S_lt ist, fährt die Steuerung mit Schritt 504 fort, ansonsten kehrt die Steuerung zu Schritt 502 zurück.
Bei Schritt 504 bestimmt die Steuerung auf Grundlage dessen, ob die gegenwärtige Rußbeladung S_l kleiner als eine obere Rußbeladungsschwelle S_ut ist, ob eine Regeneration auszuführen ist. Wenn die gegenwärtige Rußbeladung S_l kleiner als die obere Schwelle S_ut ist, dann fährt die Steuerung mit Schritt 508 fort. Wenn die gegenwärtige Rußbeladung S_l größer als oder gleich der oberen Schwelle S_ut ist, dann fährt die Steuerung mit Schritt 510 fort. Ein Rußbeladungsmodell kann bei der Bestimmung verwendet werden, wann eine Regeneration auszuführen ist. Das Rußbeladungsmodell kann verwendet werden, wenn einer oder mehrere der Schritte 502–504 ausgeführt werden. Bei Schritt 510 führt die Steuerung Minderungsstrategien aus, wie oben beschrieben ist, um Spitzentemperaturen in dem PF während der Regeneration zu beschränken. Der Schritt 510 wird ausgeführt, während die Regenerationsschritte 512–524 ausgeführt werden.
Wenn die Steuerung bei Schritt 504 bestimmt, dass eine Regeneration erforderlich ist, schätzt die Steuerung eine Abgasströmung. Die Abgasströmung kann direkt gemessen, indirekt geschätzt und/oder auf Grundlage von historischen Daten vorhergesagt werden. Die Abgasströmung kann, wenn sie direkt detektiert wird, auf Signalen beispielsweise von dem Abgasströmungssensor 220 von 1 basieren. Historische Daten können eine Fahrhistorie betreffen. Ein Abgasströmungsbetriebsbereich kann auf Grundlage der bestimmten Abgasströmung bestimmt werden. Der Abgasströmungsbereich kann eine obere Grenze und eine untere Grenze besitzen. Die Abgasströmung und der Abgasströmungsbereich können auf einer Fahrzeuggeschwindigkeit und einer Bremsung basieren (Achsbremsung, Motorbremsung, Getriebebremsung, etc.). Wenn beispielsweise ein Fahrzeug mit geringen Geschwindigkeiten im Stadtverkehr mit einem signifikanten Bremsbetrag betrieben wird, ist die Abgasströmung geringer, als wenn das Fahrzeug mit erhöhten Geschwindigkeiten auf einer Autobahn mit minimaler Bremsung betrieben wird. Das Abgasströmungsvorhersagemodell kann dazu verwendet werden, die Abgasströmung und/oder den Abgasströmungsbetriebsbereich auf Grundlage der historischen Daten vorherzusagen, die Fahrzeuggeschwindigkeitsdaten, Bremsdaten, etc. aufweisen können.
Bei Schritt 512 fährt, wenn die Abgasströmung nicht kleiner als ein erster vorbestimmter Durchfluss F_L ist, die Steuerung mit Schritt 514 fort, ansonsten fährt die Steuerung mit Schritt 517 fort. Bei Schritt 514 stellt die Steuerung die Temperatur des Abgases über eine Nach-Kraftstoffeinspritzung ein. Die Nach-Kraftstoffeinspritztechnik, die oben beschrieben ist, kann dazu verwendet werden, die Temperatur des Abgases zu erhöhen. Die Abgastemperatur kann auf Grundlage der bei Schritt 508 bestimmten Abgasströmung eingestellt werden. Der Kraftstoff kann direkt in das Abgas oder in einen Zylinder des Motors eingespritzt und von dem Motor ausgestoßen werden.
Bei Schritt 516 fährt, wenn die Abgasströmung größer als ein zweiter vorbestimmter Durchfluss F_H ist, die Steuerung mit Schritt 528 fort und endet, anderweitig fährt die Steuerung mit Schritt 517 fort. Bei Schritt 517 wählt die Steuerung eine oder mehrere Zonen des PF zur Erwärmung.
Bei Schritt 518 wählt die Steuerung ein oder mehrere Heizelemente, die den gewählten Zonen zugeordnet sind. Die Steuerung kann auch Strom, Spannung und/oder Frequenzen von Signalen zum Anlegen an die Heizelemente wählen. Der Strom, die Spannung und die Frequenzen können vorbestimmt und in einem Speicher gespeichert sein, über eine Nachschlagetabelle bestimmt werden oder auf Grundlage von Motorbetriebsparametern bestimmt werden, von denen einige hier dargelegt sind. Der elektrische Strom, die Spannung und/oder die Frequenzen können auf der bei Schritt 501 erhaltenen Sensorinformation und der gegenwärtigen Rußbeladung basieren.
Bei Schritt 519 schätzt die Steuerung eine Erwärmungsperiode, die ausreichend ist, um eine minimale Rußtemperatur zu erreichen. Die minimale Rußtemperatur kann auf dem Strom, der Spannung, der Abgasströmung, der Abgastemperatur und/oder vorbestimmten Schaltungscharakteristiken des Heizelements basieren, wie der Länge, der Breite, der Bedeckungsfläche, dem Erwärmungsausgang etc. des Heizelements.
Die minimale Rußtemperatur sollte ausreichend sein, um das Verbrennen von Ruß zu starten und einen Kaskadeneffekt zu bewirken. Nur beispielhaft kann die minimale Rußtemperatur auf 700 Grad Celsius oder größer eingestellt werden. Bei einem zu Schritt 518 alternativen Schritt 520 schätzt die Steuerung auf Grundlage einer vorbestimmten Erwärmungsperiode, vorbestimmten Abgasströmungen und/oder Abgastemperaturen einen elektrischen Strom, eine Spannung und/oder Frequenzen des Heizelements, um minimale Rußtemperaturen zu erreichen.
Bei Schritt 522 wird der PF durch selektives Erwärmen einer oder mehrerer der Zonen und Zünden des Rußes in den Abschnitten des PF, die den Zonen zugeordnet sind, regeneriert. Wenn der Ruß in den gewählten Zonen eine Regenerationstemperatur erreicht, können die gewählten Heizelemente abgeschaltet werden, und der brennende Ruß kaskadiert dann entlang des PF, was ähnlich einer brennenden Zündschnur an einem Feuerwerk ist. Mit anderen Worten können die Heizelemente lang genug aktiviert werden, um die Rußzündung zu starten, und können dann deaktiviert werden oder können über den gesamten Rußverbrennungsprozess aktiviert sein.
Bei einer Ausführungsform werden die radial äußersten Zonen zuerst regeneriert, gefolgt durch radial innere Zonen. Die Zonen können in einer gewählten, vorbestimmten, nacheinander erfolgenden, unabhängigen oder beliebigen Art und Weise regeneriert werden. Mehrere Zonen können während derselben Zeitperiode gewählt und erwärmt werden.
Bei Schritt 524 bestimmt die Steuerung, ob die Erwärmungsperiode um ist. Wenn Schritt 524 wahr ist, bestimmt die Steuerung bei Schritt 526, ob zusätzliche Zonen regeneriert werden müssen. Wenn der Schritt 526 wahr ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 508 zurück.
Der brennende Ruß ist der Brennstoff, der die Regeneration fortsetzt. Dieser Prozess kann für jede Heizzone so lange fortgesetzt werden, bis der PF vollständig regeneriert ist. Die Steuerung endet bei Schritt 528.
Somit arbeitet bei den obigen Schritten die Steuerung in zumindest drei Moden. In einem ersten Modus wird, wenn die Abgasströmung gering ist, eine Heizungsanordnung dazu verwendet, den PF zu erwärmen. Die Steuerung kann die Verwendung von Abgaserwärmungstechniken während des ersten Modus unterlassen. In einem zweiten Modus, wenn die Abgasströmung in einem vorbestimmten Bereich ist, wie beispielsweise, wenn sich die Abgasströmung zwischen den vorbestimmten Durchflüssen F_l und F_H befindet, werden sowohl eine Heizung und Abgaserwärmung oder eine Nach-Kraftstoffeinspritzung verwendet. Durch Verwendung einer Abgaserwärmung wird der Heizungsbetriebsbereich erweitert oder der Durchflussbereich, in dem die Heizung verwendet werden kann, wird erhöht. Da das Abgas erwärmt ist, kann die Heizung bei erhöhten Durchflüssen verwendet werden. In einem dritten Modus wird, wenn der Abgasdurchfluss hoch ist, eine Abgaserwärmung oder Nach-Kraftstoffeinspritzung verwendet. Der dritte Modus wird ausgeführt, wenn Fahrbedingungen herausfordernder sind (erhöhte Fahrzeuggeschwindigkeiten). Wenn die Abgasdurchflüsse hoch sind, kann die Steuerung standardmäßig in den dritten Modus gehen. In dem dritten Modus kann die Heizung deaktiviert sein.
Die oben beschriebenen Schritte sind als illustrative Beispiele zu verstehen; die Schritte können nacheinander, synchron, gleichzeitig, kontinuierlich, während überlappender Zeitperioden oder in einer unterschiedlichen Reihenfolge abhängig von der Anwendung ausgeführt werden.
Im Gebrauch bestimmt das Steuermodul, wann der PF eine Regeneration erfordert. Die Bestimmung basiert auf Rußniveaus innerhalb des PF. Alternativ kann die Regeneration periodisch oder auf einer Ereignisbasis ausgeführt werden. Das Steuermodul kann schätzen, wann der gesamte PF eine Regeneration erfordert, oder wann Zonen innerhalb des PF eine Regeneration benötigen. Wenn das Steuermodul bestimmt, dass der gesamte PF eine Regeneration benötigt, aktiviert das Steuermodul sequentiell jeweils eine oder mehrere der Zonen, um eine Regeneration innerhalb des zugeordneten stromabwärtigen Abschnitts des PF einzuleiten. Nachdem die Zone oder die Zonen regeneriert sind, werden eine oder mehrere weitere Zonen aktiviert, während die anderen deaktiviert werden. Diese Vorgehensweise dauert an, bis alle Zonen aktiviert worden sind. Wenn das Steuermodul bestimmt, dass eine der Zonen eine Regeneration benötigt, aktiviert das Steuermodul die Zone, die dem zugeordneten stromabwärtigen Abschnitt des PM-Filters, der eine Regeneration benötigt, entspricht.
Die oben beschriebenen Techniken führen eine Regeneration für einen breiten Bereich von Abgasdurchflüssen aus. Die Verwendung von Techniken sowohl mit elektrisch erwärmtem PF als auch Abgaserwärmung reinigt effizient einen PF mit der geringsten Menge an Kraftstoff. Dies erlaubt, dass ein PF in einem breiten Bereich von Abgasdurchflüssen regeneriert werden kann, und maximiert den Betriebsbereich eines elektrisch erwärmten PF für eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit.

Claims

System, umfassend: einen Partikelmaterial-(PM)-Filter, der eine Mehrzahl von Zonen aufweist; eine elektrische Heizung, die eine Mehrzahl von Heizungssegmenten aufweist, die jeweiligen der Zonen zugeordnet sind, wobei die elektrische Heizung stromaufwärts von und nahe dem PM-Filter angeordnet ist; ein Nach-Kraftstoffeinspritzsystem, das Kraftstoff in einen Zylinder eines Motors und/oder ein Abgassystem einspritzt; und ein Steuermodul, das selektiv in einem ersten Modus, einem zweiten Modus oder einem dritten Modus arbeitet und derart konfiguriert ist, dass es: in dem ersten Modus arbeitet, der umfasst, dass die elektrische Heizung aktiviert wird, um Abgas des Motors zu erwärmen, und eine Aktivierung des Nach-Einspritzsystems unterlassen wird, wenn der Abgasdurchfluss gleich oder kleiner als eine erste vorbestimmte Rate ist; in dem zweiten Modus arbeitet, der umfasst, dass das Nach-Einspritzsystem aktiviert wird, um das Abgas zu erwärmen, und eine Aktivierung der elektrischen Heizung unterlassen wird, wenn der Abgasdurchfluss größer als eine zweite vorbestimmte Rate ist; und in dem dritten Modus arbeitet, der umfasst, dass die elektrische Heizung und das Nach-Einspritzsystem aktiviert werden, wenn der Abgasdurchfluss größer als die erste vorbestimmte Rate ist und kleiner als oder gleich einer zweiten vorbestimmten Rate ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Durchflusssensor, der den Durchfluss detektiert.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul die elektrische Heizung und/oder das Nach-Einspritzsystem selektiv auf Grundlage einer Rußbeladung des PM-Filters aktiviert.