-
Gebiet
-
Die
vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen ein Abgasbehandlungssystem
für einen Verbrennungsmotor und insbesondere Dieselpartikel-Reinigungssysteme
für Dieselmotoren.
-
Hintergrund/Zusammenfassung
-
Aus
einem Dieselmotor ausgestoßenes Abgas enthält
als Hauptbestandteil eine große Menge an Feinstaub. Der
Feinstaub, der auch als Dieselpartikelmaterial (DPM) bezeichnet
wird, umfasst Dieselruß (d. h. Kohlenstoffpartikel) und
Aerosole, beispielsweise Aschepartikel, Metallabriebpartikel, Sulfate
und Silikate. Bei Freisetzung in die Atmosphäre kann DPM
schwere Umwelt- und Gesundheitsrisiken darstellen.
-
Demgemäß wurden
Dieselpartikelfilter (DPF) zum Aufnehmen des Partikelmaterials konzipiert.
Die DPF erfordern regelmäßige Regeneration, wobei
das aufgenommene Partikelmaterial (zum Beispiel durch Verbrennen)
entfernt wird, um das Aufnahmevermögen des Filters aufrechtzuerhalten
und Druckverlust aufgrund von Verstopfen zu verringern. Ein beispielhafter
Ansatz für Filterregeneration wird von Ichikawa et al.
in
US 5,595,581 gezeigt.
Hierin werden ein Paar Filter verwendet, um während eines Aufnahmebetriebs
Feinstaub aus dem Abgas zu entfernen. Während eines Filterregenerationsbetriebs wird
Blow-by-Gas periodisch durch einen der Filter geblasen, um den aufgenommenen
Feinstaub auszuspülen. Der Feinstaub wird pneumatisch zu
einem Aufnahmetank befördert, aus dem er durch Verbrennen
entfernt wird.
-
Die
vorliegenden Erfinder haben aber mehrere mögliche Probleme
bei einem solchen Ansatz erkannt. Zum Beispiel kann unter Umständen
nicht genügend Blow-by-Gas vorhanden sein, um einen der
Filter zu spülen, bevor der andere Filter sein maximales
Aufnahmevermögen erreicht. Als weiteres Beispiel kann der
Gegendruck von dem Abgas den Spülwirkungsgrad des Blow-by-Gases
während des Regenerationsvorgangs verringern. Beide Situationen
können bei folgenden Aufnahmevorgängen zu unvollständiger
Filterregeneration und verschlechterter Aufnahmeleistung führen.
Als noch weiteres Beispiel erfordert der von Ichikawa gezeigte Ansatz
Zusatzkomponenten, beispielsweise einen Aufnahmetank und ein zugeordnetes
elektrisches Heizelement bzw. einen zugeordneten elektrischen Brenner.
Somit kann eine regelmäßige Wartung der Zusatzkomponenten
erforderlich sein, um die Leistung der Filtervorrichtung aufrechtzuerhalten.
-
Somit
können in einem Beispiel einige der vorstehenden Probleme
durch ein Verfahren des Betreibens eines Partikelmaterial-Rückhaltesystems, das
mit einem Motorauslass und einem Motoreinlass gekoppelt ist, angegangen
werden, wobei das Partikelmaterial-Rückhaltesystem mindestens
einen ersten und einen zweiten Filter umfasst, wobei das Verfahren
das Arbeiten in einem ersten Modus umfasst, wobei der erste Filter
Partikelmaterial speichert und der zweite Filter gespeichertes Partikelmaterial
freisetzt, wobei Abgas in einer ersten Richtung durch die Filter
strömt, wobei das Strömen in der ersten Richtung
das Strömen durch den ersten Filter vor dem Strömen
durch den zweiten Filter umfasst und wobei während des
ersten Modus mindestens etwas Endrohrgas zum Ausstoßen
an die Atmosphäre zwischen dem ersten und zweiten Filter
angesaugt wird. Das Verfahren kann weiterhin das Arbeiten in einem zweiten
Modus umfassen, wobei der erste Filter gespeichertes Partikelmaterial
freisetzt und der zweite Filter Partikelmaterial speichert, wobei
das Abgas in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung durch die Filter
strömt, wobei das Strömen in der zweiten Richtung
das Strömen durch den zweiten Filter vor dem Strömen
durch den ersten Filter umfasst und wobei während des zweiten
Modus mindestens etwas Endrohrgas zum Ausstoßen an die
Atmosphäre zwischen dem ersten und zweiten Filter angesaugt
wird. Auf diese Weise ist es in einem bestimmten Modus möglich,
das Speichern und Freisetzen von Partikelmaterial zu koordinieren,
während Abgas durch das Partikelmaterial-Rückhaltesystem
in einer einzigen Richtung geleitet wird. Somit kann dieses abgestimmte
Verhalten eine starke Rußablagerung und damit verbundene
Druckprobleme in den Filtern verhindern. Weiterhin kann auf diese
Weise die Richtung des Abgasstroms durch das System wirksam umgekehrt
werden, wodurch die Filterfunktionen des Speicherns und Freisetzens
von Partikelmaterial umgekehrt werden. Durch Saugen von mindestens
etwas Endrohrabgas zwischen den Filtern heraus, im Einzelnen nach
dem Partikelmaterial-Speicherfilter und vor dem Partikelmaterial-Freisetzungsfilter,
kann der Partikelmaterialanteil des Abgases, der an die Atmosphäre
ausgestoßen wird, wesentlich verringert werden. Auf diese
Weise kann die Qualität von Emissionen von einem Motor
mit einem Partikelmaterial-Rückhaltesystem verbessert werden,
ohne dass komplizierte Systemwartung und -regeneration erforderlich
sind.
-
In
einem Beispiel kann während des ersten Modus aus dem zweiten
Filter austretendes Gas zu dem Motoreinlass geleitet werden. Analog
kann während des zweiten Modus aus dem ersten Filter austretendes
Gas zu dem Motoreinlass geleitet werden. Die Richtung und Rate des
Abgasstroms durch jeden der Filter kann durch Steuerventile, die
mit den jeweiligen Filtern gekoppelt sind, angepasst werden. Auf diese
Weise kann in einem Dieselpartikelfilter aufgenommenes Partikelmaterial
zu einem Motoreinlass geleitet werden, wodurch die Notwendigkeit
von Filterregeneration und regenerationsbedingter Zusatzkomponenten
(beispielsweise eines Aufnahmetanks und eines Rußbrenners,
wenngleich eine solche Regeneration in einigen Beispielen bei Bedarf
immer noch verwendet werden kann) verringert wird. Durch Verwenden
des Abgasstroms, um gespeicherte Partikel in einen Motoreinlass
zu leiten, kann auch ein verschlechtertes Filterspülen,
das mit ungenügend Blow-by-Gas in Verbindung steht, vermieden
werden. Ferner kann durch Verringern der Notwendigkeit eines aktiven
Regenerierens der Filter unter Verwendung erhöhter Abgastemperaturen,
wie sie durch Fallrohr-Kraftstoffeinspritzungen induziert werden können,
die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors verbessert werden.
-
In
jedem Betriebsmodus, d. h. während des ersten und zweiten
Modus, kann zumindest etwas Endrohrgas zwischen den Filtern für
optionales weiteres Aufbereiten in stromabwärts befindlichen
Katalysatoren (beispielsweise NOx-reduzierenden SCR-Katalysatoren)
und/oder zum Ausstoßen an die Atmosphäre angesaugt
werden. Der restliche Teil der Gase (einschließlich der
freigesetzten Partikel) kann für anschließende
Verbrennung durch eine AGR-Leitung zu dem Motoreinlass, im Einzelnen
zu den Motorzylindern, geleitet werden. Ein Regelventil und/oder
ein AGR-Ventil kann die Menge an Endrohrgas, die zwischen den Filtern
angesaugt wird, und die Abgasmenge, die mittels der AGR-Leitung
zum Ansaugkrümmer zurückgeleitet wird, beruhend
auf Motorbetriebsbedingungen ermitteln. Diese Bedingungen können
zum Beispiel eine Soll-AGR-Rate, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis,
Motordrehzahl/-last, die Abgastemperatur etc. umfassen. Das PM-Rückhaltesystem
kann zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus sequentiell betrieben
werden. In einem Beispiel kann ein Steuergerät die Filter
ein vorbestimmtes Zeitintervall lang in dem ersten Modus betreiben,
woraufhin der Betriebsmodus geändert werden kann. Analog
kann nach Betreiben der Filter im zweiten Modus über das
vorbestimmte Zeitintervall der Betriebsmodus zurück zum
ersten Modus gewechselt werden. Zum Beispiel kann jeder Betriebsmodus
nur eine Stunde dauern, so dass jeder Filter nur eine halbe maximale
Rußbeladung am Ende jedes Betriebs aufweisen kann. In anderen
Beispielen kann jeder Betriebsmodus basierend auf unterschiedlichen
Motorbetriebsbedingungen ein anderes Zeitintervall lang dauern,
wobei das Intervall durch Faktoren wie eine DPF-Rußbeladung
(zum Beispiel beruhend auf dem DPF-Gegendruck), Motorrußmodell,
die Ausgabe von einem integrierenden Rußsensor (zum Beispiel
ein Sensor, der die tatsächliche Partikelmaterialbeladung
in den Filtern präzis misst), Filtertemperatur etc. ermittelt
wird.
-
Während
das Beispiel das sequentielle Betreiben des PM-Rückhaltesystems
zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus beruhend auf einem
Zeitintervall nahe legt, kann in anderen Ausführungsformen
der Betrieb zwischen den Modi als Reaktion auf einen DPF-Gegendruck
(zum Beispiel einen Schwellendruck), ein Motorußmodell,
die Ausgabe eines integrierenden Rußsensors, der die tatsächliche
PM-Beladung in den Filtern (zum Beispiel eine Partikelmaterial-Schwellenbeladung)
präzis messen kann, gewechselt werden.
-
Des
weiteren kann das PM-Rückhaltesystem als Reaktion auf spezifische
Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise während einer
Höchstleistung und/oder hoher Lastleistung, in einem dritten
Modus betrieben werden. Während des dritten Modus können
beide Filter Partikelmaterial speichern. Die Ventile können
hierin so angepasst werden, dass das Abgas durch beide Filter geleitet
werden kann, bevor es an die Atmosphäre abgelassen wird.
-
Auf
diese Weise kann durch Abwechseln der Betriebsmodi bei häufigen
Intervallen, so dass hohe Rußbeladungen in den Filtern
vermieden werden, ein Verstopfen der Filter und damit verbundene
Druckabfallprobleme verringert werden. Durch Freisetzen der aufgenommenen
Partikel in den Motoreinlass können regenerationsbedingte
Komponenten, beispielsweise Aufnahmetanks (zum Aufnehmen der Partikel) und
elektrische Brenner (zum Verbrennen der Partikel) vermieden werden.
Ferner kann durch Reduzieren der Notwendigkeit aktiver Regeneration
der DPF, wobei eine zusätzliche Kraftstoffmenge verwendet wird,
um die Temperatur des DPF anzuheben und den gespeicherten Ruß abzubrennen,
eine übertemperaturbedingte Komponentendegradation gemindert
werden, während gleichzeitig die Kraftstoffwirtschaftlichkeit
des Fahrzeugs verbessert wird. Des weiterhin kann durch Rückgewinnen
von etwas Energie aus dem Verbrennen der Partikel in dem Motoreinlass
der Kraftstoffwirkungsgrads des Motors signifikant verbessert werden.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehende Zusammenfassung vorgesehen ist,
um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen,
die in der eingehenden Beschreibung näher beschrieben werden.
Sie soll nicht ausschlaggebende oder wesentliche Merkmale des beanspruchten
Gegenstands feststellen, dessen Schutzumfang einzig durch die Ansprüche
festgelegt wird, die auf die eingehende Beschreibung folgen. Weiterhin
ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt,
die vorstehend oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung
erwähnte Nachteile lösen.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Motors und eines zugehörigen
Partikelmaterial-Rückhaltesystems.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors.
-
3 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform des Partikelmaterial-Rückhaltesystems
von 1 in einem ersten Betriebsmodus.
-
4 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform des Partikelmaterial-Rückhaltesystems
von 1 in einem zweiten Betriebsmodus.
-
5 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform des Partikelmaterial-Rückhaltesystems
von 1 in einem dritten Betriebsmodus.
-
6 zeigt
eine alternative Ausführungsform des Partikelmaterial-Rückhaltesystems
von 1.
-
7–8 zeigen Übersichtsflussdiagramme,
die Routinen veranschaulichen, die zum Speichern und Freisetzen
von Partikeln in dem Partikelmaterial-Rückhaltesystem von 1 gemäß der vorliegenden
Offenbarung umgesetzt werden können.
-
Eingehende Beschreibung
-
Die
folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zum Betreiben
eines Partikelmaterial-Rückhaltesystems, beispielsweise
des Dieselpartikelmaterial-Rückhaltesystems von 1.
Wie in 3–4 veranschaulicht
können die Steuerventile mehrerer Partikelfilter (zwei
in dem gezeigten Beispiel) angepasst werden, um Abgas während
eines ersten Betriebsmodus in einer ersten Richtung durch die Filter
strömen zu lassen und während eines zweiten Betriebsmodus
in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung. In jedem Modus kann
ein Filter Partikel speichern, während der andere Filter
Partikel freisetzen kann, die während eines vorherigen
Betriebs aufgenommen wurden. Durch periodisch wechselnde Betriebsmodi,
wie sie in 7 gezeigt sind, können sich
die Partikelmaterial-Speicher- und Partikelmaterial-Freisetzfunktionen
eines Dieselpartikelfilters regelmäßig abwechseln.
Wie in 5 und 8 veranschaulicht können
unter Motorbetrieb-Spitzenlasten die Steuerventile der Filter angepasst
werden, um beiden Filtern das Speichern von Partikelmaterial zu ermöglichen.
Durch Freisetzen eines Teils der aufgenommenen Partikel mittels
eines AGR-Kanals zu dem Motor kann die Notwendigkeit aktiver Filterregeneration
verringert werden. Durch Verwenden des Abgasstroms, um gespeicherte
Partikel (in einem Beispiel direkt) in einen Motoreinlass zu leiten,
können mögliche Probleme in Verbindung mit ungenügendem
Blow-by-Gas, beispielsweise unvollständiges Filterspülen,
gemindert werden. Durch Mindern der Notwendigkeit von regenerationsbedingten
erhöhten Abgastemperaturen können weiterhin die Kraftstoffwirtschaftlichkeit
und die Emissionswerte des Motors verbessert werden.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsystems 6.
Das Fahrzeugsystem 6 umfasst ein mit einem Partikelmaterial(PM)-Rückhaltesystem 22 gekoppeltes
Motorsystem 8. Das Motorsystem 8 kann einen Motor 10 mit
mehreren Zylindern 30 umfassen. Der Motor 10 umfasst
einen Motoreinlass 23 und einen Motorauslass 25.
Der Motoreinlass 23 umfasst eine Drossel 62, die
mittels eines Einlasskanals 42 mit dem Motoransaugkrümmer 44 fluidverbunden
ist. Der Motorauslass 25 umfasst einen Abgaskrümmer 48,
der schließlich zu einem Auslasskanal 35 führt,
der Abgas an die Atmosphäre leitet. Die Drossel 62 kann
stromabwärts einer Ladevorrichtung, beispielsweise einem
Turbolader 50 oder einem Lader, und stromaufwärts
eines Nachkühlers 52 in dem Einlasskanal 42 angeordnet
sein. Somit kann der Nachkühler 52 so ausgelegt
sein, dass er die Temperatur der durch die Ladevorrichtung verdichteten
Ansaugluft verringert. Der Turbolader 50 kann einen Verdichter 51a umfassen,
der zwischen dem Einlasskanal 42 und dem Ansaugkrümmer 44 angeordnet
ist. Der Verdichter 51a kann zumindest teilweise durch
eine Abgasturbine 51b angetrieben werden, die zwischen
dem Abgaskrümmer 48 und dem Auslasskanal 35 angeordnet
ist.
-
Der
Motorauslass 25 kann ein oder mehrere Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen 70 umfassen, die
in einer eng gekoppelten Position in dem Auslass eingebaut sein
können. Eine oder mehrere Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen
können einen Dreiwegekatalysator, einen Mager-NOx-Filter,
einen SCR-Katalysator etc. umfassen. Der Motorauslass 25 kann
auch mittels einer Leitung 26 und eines Dieseloxidationskatalysators
(DOC) 54 mit dem PM-Rückhaltesystem 22 funktionell
gekoppelt sein. Das PM-Rückhaltesystem 22 kann
auch mittels eines AGR-Kanals 28 und eines AGR-Kühlers 56 mit
dem Motoreinlass 23 funktionell verbunden sein. Es versteht
sich, dass andere Komponenten in dem Motor enthalten sein können,
beispielsweise verschiedene Ventile und Sensoren, wie bei dem beispielhaften Motor
von 2 weiter erläutert wird. In einem Beispiel
ist das PM-Rückhaltesystem 22 wie dargestellt ein
Dieselpartikelmaterial-Rückhaltesystem.
-
Das
PM-Rückhaltesystem 22 kann eine oder mehrere PM-Rückhaltevorrichtungen
umfassen, beispielsweise einen oder mehrere Dieselpartikelfilter (DPF),
um PM aus eindringenden Gasen zeitweilig zu filtern. Das Strömen
von Gasen durch die DPF kann durch jeweilige Ventile, beispielsweise
Zweiwege-Steuerventile, gesteuert werden. Wie unter Bezug auf 3–4 weiter
ausgeführt wird, kann das PM-Rückhaltesystem 22 eine
geregelte Lüftungsöffnung zum Leiten von mindestens
etwas Endrohrgasen weiter zu der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 70 und
dann weiter entlang des Auslasskanals 35 an die Atmosphäre
umfassen. Analog können ein oder mehrere AGR-Ventile (3–6)
die Menge an Partikeln regeln, die von dem PM-Rückhaltesystem 22 zu
dem Motoreinlass 23 freigesetzt werden.
-
Das
Fahrzeugsystem 6 kann weiterhin ein Steuersystem 14 umfassen.
Das Steuersystem 14 ist gezeigt, wie es Informationen von
mehreren Sensoren 16 (verschiedene Beispiele dafür
werden hierin beschrieben) empfängt und Steuersignale zu
mehreren Aktuatoren 81 (verschiedene Beispiele dafür
werden hierin beschrieben) sendet. Zum Beispiel können die
Sensoren 16 einen Abgassensor 126 (der in dem Abgaskrümmer 48 angeordnet
ist), einen Temperatursensor 128 (der stromabwärts
der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 70 angeordnet ist)
umfassen. Andere Sensoren, beispielsweise Druck-, Temperatur-, Luft/Kraftstoff-Verhältnis-
und Zusammensetzungssensoren können an verschiedenen Stellen
in dem Fahrzeugsystem 6 angeschlossen sein, wie hierin
näher erläutert wird. Als weiteres Beispiel können
die Aktuatoren (nicht gezeigte) Kraftstoffeinspritzvorrichtungen,
Zweiwege-Steuerventile (wie in 3–6 gezeigt),
ein AGR-Ventil (ebenfalls wie in 3–6 gezeigt)
und die Drossel 62 umfassen. Das Steuersystem 14 kann
ein Steuergerät 12 umfassen. Das Steuergerät
kann von den verschiedenen Sensoren Eingabedaten empfangen, die
Eingabedaten verarbeiten und die Aktuatoren als Reaktion auf die
verarbeiteten Eingabedaten beruhend auf einem darin programmierten
Befehl oder Code auslösen, der einer oder mehreren Routinen
entspricht. Eine beispielhafte Steuerroutine wird hierin unter Bezug
auf 7–8 beschrieben.
-
Das
PM-Rückhaltesystem 22 kann so arbeiten, dass es
Dieselpartikelmaterialien (DPM), beispielsweise Ruß, aus
dem Motorauslass 25 in einem ersten Dieselpartikelfilter
(DPF) speichert und gleichzeitig in einem zweiten DPF gespeicherte
DPM zu dem Motoreinlass 23 freisetzt. Zumindest etwas Endrohrgas
kann zur weiteren Aufbereitung durch stromabwärts befindliche
Katalysatoren und Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen und/oder zum
Ausstoß an die Atmosphäre von dem PM-Rückhaltesystem
angesaugt werden, zum Beispiel zwischen den DPF heraus. Beruhend
auf Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise einer Temperatur der
Schadstoffbegrenzungsvorrichtung, einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis,
etc., kann die zu dem Motoreinlass (mittels des AGR-Systems des
Motors) freigesetzte Menge an DPM angepasst werden.
-
2 stellt
eine beispielhafte Ausführungsform eines Brennraums oder
Zylinders des Verbrennungsmotors 10 dar. Der Motor 10 kann
zumindest teilweise durch ein Steuersystem, das ein Steuergerät 12 umfasst,
und durch Eingabe von einem Fahrzeugbediener 130 mittels
einer Eingabevorrichtung 132 gesteuert werden. In diesem
Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 132 ein Gaspedal
und einen Pedalstellungssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen
Pedalstellungssignals PP. Ein Zylinder (hierin auch „Brennraum”) 30 des
Motors 10 kann Brennraumwände 136 mit
einem darin positionierten Kolben 138 umfassen. Der Kolben 138 kann
mit einer Kurbelwelle 140 verbunden sein, so dass eine
Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt
wird. Die Kurbelwelle 140 kann mittels eines Getriebesystems
mit mindestens einem Antriebsrad eines Personenfahrzeugs verbunden
sein. Ferner kann ein Startermotor mittels einer Schwungscheibe
mit der Kurbelwelle 140 verbunden sein, um einen Startbetrieb
des Motors 10 zu ermöglichen.
-
Der
Zylinder 30 kann mittels einer Reihe von Ansaugluftkanälen 142, 144 und 146 Ansaugluft
aufnehmen. Der Ansaugluftkanal 146 kann mit anderen Zylindern
des Motors 10 neben dem Zylinder 30 in Verbindung
stehen. In manchen Ausführungsformen können ein
oder mehrere der Einlasskanäle eine Ladevorrichtung, beispielsweise
einen Turbolader oder Lader, umfassen. 2 zeigt
zum Beispiel einen Motor 10, der mit einem Turbolader konfiguriert
ist, der einen zwischen den Einlasskanälen 142 und 144 angeordneten
Verdichter 174 und eine entlang des Auslasskanals 148 angeordnete
Abgasturbine 176 umfasst. Der Verdichter 174 kann
zumindest teilweise mittels einer Welle 180 durch die Abgasturbine 176 angetrieben
werden, wobei die Ladevorrichtung als Turbolader konfiguriert ist.
in anderen Beispielen, beispielsweise wenn der Motor 10 mit
einem Lader versehen ist, kann jedoch auf die Abgasturbine 176 optional
verzichtet werden, wobei der Verdichter 174 durch mechanischen
Antrieb von einem Elektromotor oder dem Motor angetrieben werden
kann. Eine Drossel 162, die eine Drosselklappe 164 umfasst, kann
entlang eines Einlasskanals des Motors zum Ändern des Durchflusses
und/oder des Drucks von Ansaugluft, die den Motorzylindern geliefert
wird, vorgesehen sein. Zum Beispiel kann die Drossel 162 stromabwärts
des Verdichters 174 angeordnet sein, wie in 2 gezeigt,
oder kann alternativ stromaufwärts des Verdichters 174 vorgesehen
sein.
-
Der
Auslasskanal 148 kann von anderen Zylindern des Motors 10 zusätzlich
zu Zylinder 30 Abgase aufnehmen. Der Abgassensor 126 ist
mit dem Auslasskanal 148 gekoppelt stromaufwärts
der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 170 gezeigt. Der Sensor 126 kann
aus verschiedenen geeigneten Sensoren zum Liefern eines Hinweises
auf das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von Abgas gewählt
werden, zum Beispiel einem linearen Sauerstoffsensor oder UEGO (Universal-
oder Breitband-Abgassauerstoff), einem Zweizustandssauerstoffsensor
oder EGO (wie dargestellt), einem HEGO (beheiztem EGO), eine, NOx-,
HC- oder CO-Sensor. Die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 170 kann
ein Dreiwegekatalysator (TWC), ein NOx-Filter, verschiedene andere
Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen oder Kombinationen derselben
sein.
-
Die
Abgastemperatur kann durch einen oder mehrere (nicht gezeigte) Temperatursensoren,
die sich in dem Auslasskanal 148 befinden, geschätzt werden.
Alternativ kann die Abgastemperatur beruhend auf Motorbetriebsbedingungen,
wie Drehzahl, Last, Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K), Verstellen
der Zündung auf spät, etc. gefolgert werden. Weiterhin kann
die Abgastemperatur durch einen oder mehrere Abgassensoren 126 berechnet
werden. Es versteht sich, dass die Abgastemperatur alternativ durch
eine beliebige Kombination von Temperaturschätzverfahren,
die hierin aufgeführt sind, geschätzt werden kann.
-
Jeder
Zylinder des Motors 10 kann ein oder mehrere Einlassventile
und ein oder mehrere Auslassventile umfassen. Zum Beispiel ist der
Zylinder 30 mit mindestens einem Einlasstellerventil 150 und mindestens
einem Auslasstellerventil 156 gezeigt, die sich an einem
oberen Bereich des Zylinders 30 befinden. In manchen Ausführungsformen
kann jeder Zylinder des Motors 10, einschließlich
Zylinder 30, mindestens zwei Einlasstellerventile und mindestens zwei
Auslasstellerventile umfassen, die an einem oberen Bereich des Zylinders
angeordnet sind.
-
Das
Einlassventil 150 kann mittels eines Aktuators 152 von
dem Steuergerät 12 gesteuert werden. Analog kann
das Auslassventil 156 mittels eines Aktuators 154 von
dem Steuergerät 12 gesteuert werden. Während
mancher Bedingungen kann das Steuergerät 12 die
den Aktuatoren 152 und 154 gelieferten Signale
verändern, um das Öffnen und Schließen
der jeweiligen Einlass- und Auslassventile zu steuern. Die Stellung
des Einlassventils 150 und des Auslassventils 156 kann
durch jeweilige (nicht gezeigte) Ventilstellungssensoren ermittelt
werden. Die Ventilaktuatoren können von der Art der elektrischen
Ventilbetätigung oder der Nockenbetätigungsart
oder eine Kombination derselben sein. Die Steuerzeiten der Einlass-
und Auslassventile können gleichzeitig gesteuert werden,
oder es kann eine beliebige Möglichkeit von variabler Einlassnockensteuerung,
variabler Auslassnockensteuerung, dualer unabhängiger variabler
Nockensteuerung oder fester Nockensteuerung verwendet werden. Jedes
Nockenbetätigungssystem kann einen oder mehrere Nocken umfassen
und kann ein oder mehrere Systeme von Nockenprofilumschalten (CPS,
kurz vom engl. Cam Profile Switching), veränderliche Nockensteuerung (VCT,
vom engl. Variable Cam Timing), veränderliche Ventilsteuerung
(VVT, vom engl. Variable Valve Timing) und/oder veränderlichem
Ventilhub (VVL, vom engl. Variable Valve Lift) verwenden, welche
von dem Steuergerät 12 betrieben werden können,
um den Ventilbetrieb zu verändern. Der Zylinder 30 kann
zum Beispiel alternativ ein Einlassventil, das mittels elektrischer
Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Auslassventil,
das mittels Nockenbetätigung einschließlich CPS
und/oder VCT gesteuert wird, umfassen. In anderen Ausführungsformen
können die Einlass- und Auslassventile durch einen gemeinsamen
Ventilaktuator oder ein gemeinsames Betätigungssystem oder
einen Aktuator oder ein Betätigungssystem für veränderliche
Ventilsteuerung gesteuert werden.
-
Der
Zylinder 30 kann ein Verdichtungsverhältnis aufweisen,
das das Verhältnis von Volumina ist, wenn sich der Kolben 138 am
unteren Totpunkt oder oberen Totpunkt befindet. Herkömmlicherweise liegt
das Verdichtungsverhältnis in dem Bereich von 9:1 bis 10:1.
In manchen Beispielen, bei denen unterschiedliche Kraftstoffe verwendet
werden, kann das Verdichtungsverhältnis aber angehoben
werden.
-
In
manchen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10 eine
Zündkerze 192 zum Auslösen von Verbrennung
umfassen. Die Zündanlage 190 kann dem Brennraum 30 mittels
Zündkerze 192 als Reaktion auf ein Zündvorverstellungssignal
SA vom Steuergerät 12 unter ausgewählten
Betriebsmodi einen Zündfunken liefern. In manchen Ausführungsformen
kann aber auf die Zündkerze 192 verzichtet werden,
zum Beispiel wenn der Motor 10 die Verbrennung durch Selbstzündung
oder durch Einspritzung von Kraftstoff auslösen kann, was
bei manchen Dieselmotoren der Fall sein kann.
-
In
manchen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10 mit
einer oder mehreren Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zum Liefern
von Kraftstoff zu diesem konfiguriert sein. Als nicht einschränkendes
Beispiel ist der Zylinder 30 mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 gezeigt.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 ist zum Einspritzen
von Kraftstoff direkt in den Zylinder 30 proportional zur Pulsbreite
eines Signals FPW-I, das mittels eines elektronischen Treibers 168 von
dem Steuergerät 12 empfangen wird, verbunden gezeigt.
Auf diese Weise sieht die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 eine
als Direkteinspritzung von Kraftstoff bekannte Einspritzung (nachstehend
auch als „DI” bezeichnet) in den Brennraum 30 vor.
Während 2 die Einspritzvorrichtung 166 als
Seiteneinspritzvorrichtung zeigt, kann sie auch oberhalb des Kolbens
angeordnet sein, beispielsweise nahe der Position der Zündkerze 192.
Alternativ kann die Einspritzvorrichtung oberhalb und nahe des Einlassventils
angeordnet sein, um Mischen zu verbessern. Der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 kann
von einer Hochdruck-Kraftstoffanlage 172, die Kraftstofftanks,
Kraftstoffpumpen und ein Kraftstoffverteilerrohr umfasst, Kraftstoff
zugeführt werden. Alternativ kann der Kraftstoff durch
eine einstufige Kraftstoffpumpe bei einem niedrigeren Druck zugeführt
werden, in welchem Fall die Steuerzeiten der Kraftstoffdirekteinspritzung
während des Verdichtungstakts beschränkter sein
können als bei Verwenden einer Hochdruck-Kraftstoffanlage.
Während dies nicht gezeigt ist, können die Kraftstofftanks weiterhin
einen Druckwandler aufweisen, der dem Steuergerät 12 ein
Signal liefert.
-
Es
versteht sich, dass die Einspritzvorrichtung 166 in einer
anderen Ausführungsform eine Kanaleinspritzvorrichtung
sein kann, die in den Einlasskanal stromaufwärts des Zylinders 30 Kraftstoff
liefert. Es versteht sich ferner, dass der Zylinder 30 von mehreren
Einspritzvorrichtungen Kraftstoff aufnehmen kann, beispielsweise
von mehreren Kanaleinspritzvorrichtungen, mehreren Direkteinspritzvorrichtungen
oder einer Kombination derselben.
-
Das
Steuergerät 12 ist in 2 als Mikrocomputer
gezeigt, welcher umfasst: einen Mikroprozessor 106, Input/Output-Ports 108,
ein elektronisches Speichermedium für ausführbare
Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem bestimmten Beispiel
als Festspeicherchip 110 gezeigt ist, einen Arbeitsspeicher 112,
einen batteriestromgestützten Speicher 114 und
einen Datenbus. Der Speichermedium-Festspeicher 110 kann
mit maschinell lesbaren Daten programmiert werden, die Befehle darstellen, die
durch einen Prozessor 102 zum Ausführen der nachstehend
beschriebenen Verfahren sowie anderer Varianten, die erwartet werden,
aber nicht eigens aufgeführt sind, ausführbar
sind. Das Steuergerät 12 kann zusätzlich
zu den bereits erläuterten verschiedene Signale von mit
dem Motor 10 verbundenen Sensoren empfangen, einschließlich
Messung des eingeleiteten Luftmassenstroms (MAF) von einem Luftmengenmesser 122;
Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem Temperatursensor 116,
der mit einem Kühlmantel 118 verbunden ist; ein
Zündungsprofil-Aufnehmersignal (PIP) von einem mit der
Kurbelwelle 140 verbundenen Hallgeber 120 (oder
einer anderen Art von Sensor); eine Drosselstellung (TP) von einem
Drosselstellungssensor; und ein absolutes Krümmerdrucksignal
MAP von einem Sensor 124. Ein Motordrehzahlsignal RPM kann
durch das Steuergerät 12 aus dem Signal PIP erzeugt
werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor
kann verwendet werden, um einen Hinweis auf Unterdruck oder Druck
in dem Ansaugkrümmer zu liefern.
-
Ein
System für Abgasrückführung (AGR) kann
einen erwünschten Teil von Abgas mittels des AGR-Kanals 141 von
dem Auslasskanal 148 in den Einlasskanal 144 leiten.
Die zu dem Einlasskanal 148 gelieferte AGR-Menge kann durch
das Steuergerät 12 mittels eines AGR-Ventils 143 verändert
werden. Weiterhin kann ein AGR-Sensor 145 in dem AGR- Kanal
angeordnet sein und kann einen Hinweis auf eines oder mehrere von
Druck, Temperatur und Konzentration des Abgases liefern.
-
Wie
vorstehend beschrieben zeigt 2 nur einen
Zylinder eines Mehrzylindermotors 10, doch kann jeder Zylinder
analog seinen eigenen Satz an Einlass-/Auslassventilen, Kraftstoffeinspritzvorrichtung,
Zündkerze etc. umfassen.
-
3 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform 300 des Partikelmaterial(PM)-Rückhaltesystems 22 in
einem ersten Betriebsmodus (Modus 1). 4 zeigt
analog eine beispielhafte Ausführungsform 400 des
Partikelmaterial(PM)-Rückhaltesystems 22 in einem
zweiten Betriebsmodus (Modus 2), während 5 eine
beispielhafte Ausführungsform 500 des Partikelmaterial(PM)-Rückhaltesystems 22 in
einem dritten Betriebsmodus (Modus 3) zeigt. 6 zeigt
eine alternative Ausführungsform des PM-Rückhaltesystems
von 3–6, das Hochdruck-
und Niederdruck-AGR-Kreisläufe umfasst. Es versteht sich,
dass gleich bezifferte Komponenten, die in 1 eingeführt
wurden, in 3–6 ähnlich
bezeichnet sein können.
-
Zurück
zu 3 kann das PM-Rückhaltesystem 22 PM-Rückhaltevorrichtungen,
beispielsweise einen ersten Dieselpartikelfilter 302 (DPF1)
und einen zweiten Dieselpartikelfilter 304 (DPF2), umfassen,
die stromaufwärts der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 70 angeordnet
sind. Die Filter können monolithische Strukturen aufweisen,
die zum Beispiel aus Cordierit oder Silikonkarbid bestehen, mit mehreren
Kanälen im Inneren zum Filtern von Partikelmaterial aus
Dieselabgas. Weiterhin können abwechselnde Kanäle
verstopft sein. Die Stopfen zwingen das Abgas, durch die Kanalwände
zu strömen, und ermöglichen das Ablagern des Partikelmaterials an
der Auslassfläche. Somit kann die Auslassfläche von
abwechselnden Kanalstopfen am Ende eines Speicherbetriebs mit Partikelmaterial
bedeckt sein, was die charakteristischen Schachbrettmuster entstehen
lässt.
-
Gereinigtes
Abgas aus dem Abgaskrümmer 48 kann nach Passieren
des DOC 54 oder eines Luftfilterkastens mittels der Abgasleitung 26 in
das PM-Rückhaltesystem 22 strömen.
-
Das
Strömen von Abgas durch den ersten Filter 302 kann
durch ein erstes Zweiwegesteuerventil 312, das mit dem
ersten Filter gekoppelt ist, geregelt werden. Analog kann das Strömen
von Abgas durch den zweiten Filter 304 durch ein zweites
Zweiwegesteuerventil 314, das mit dem zweiten Filter gekoppelt
ist, geregelt werden. In einem Beispiel, beispielsweise während
des ersten und zweiten Betriebsmodus, können die beiden
Steuerventile (312 und 314) in der gleichen Ausrichtung
konfiguriert sein. Bei Arbeiten in dem ersten Modus können
somit zum Beispiel die Steuerventile 312 und 314 beide
in einer ersten Konfiguration, beispielsweise der „EIN”-Stellung,
konfiguriert sein. Wie nachstehend unter Bezug auf 4 ausgeführt,
können analog bei Arbeiten in dem zweiten Modus die Steuerventile 312 und 314 beide
in einer zweiten Konfiguration, beispielsweise der „AUS”-Stellung,
konfiguriert sein. In einem anderen Beispiel, beispielsweise während
des dritten Betriebsmodus, der in 5 abgebildet
ist, können die beiden Steuerventile (312 und 314)
in entgegengesetzten Ausrichtungen konfiguriert sein. Bei Konfiguration
in der „EIN”-Stellung kann das Steuerventil 312 es
Abgas ermöglichen, in den Filter 302 einzudringen,
während das Steuerventil 314 verhindern kann,
dass Abgas in den Filter 304 eindringt. Wenn sich beide
Steuerventile in der „EIN”-Konfiguration befinden,
kann Abgas somit in einer ersten Richtung durch das PM-Rückhaltesystem
strömen, im Einzelnen durch den ersten Filter 302,
entlang der Leitung 306, gefolgt von dem zweiten Filter 304.
Weiterhin kann in dieser Konfiguration der erste Filter DPF1 Partikelmaterial
(an der Auslassfläche abwechselnder Kanäle) speichern,
während der zweite Filter DPF2 gespeichertes Partikelmaterial
(d. h. das Partikelmaterial, das während eines vorherigen Speicherbetriebs
an der Auslassfläche abwechselnder Kanäle gespeichert
wurde) freisetzen kann. Durch Verwenden von gereinigtem Abgas kann
eine Ablagerung von Partikelmaterial im Inneren der Auslasskanäle
des Partikeifreisetzungsfilters (d. h. des zweiten Filters DPF2
bei Arbeiten in Modus 1) verringert werden.
-
Zumindest
etwas Endrohrgas, das durch das PM-Rückhaltesystem 22 strömt,
kann von einer Leitung 306 durch eine Leitung 308,
die zwischen dem ersten Filter 302 und dem zweiten Filter 304 angeordnet
ist, gesaugt werden. Das durch die Leitung 308 gesaugte
Endrohrgas kann in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 70 weiter
aufbereitet und/oder mittels Auslasskanal 35 an die Atmosphäre
ausgestoßen werden. Die zwischen den Filtern entlang Leitung 308 angesaugte
Menge an Endrohrgas kann durch ein Regelventil 310 geregelt
werden. In einem Beispiel kann das Regelventil 310 ein
Druckregler sein. Der Druckregler kann so ausgelegt sein, dass er höheren
statischen Druck liefert, um den Ladungsdruck in dem Ansaugkrümmer
zu berücksichtigen. Somit folgt, dass durch den ersten
Filter während des ersten Modus ein höherer Abgasstrom
als durch den zweiten Filter vorliegt.
-
Während
des ersten Modus wird ferner Gas, das aus dem zweiten DPF2 austritt,
zu dem Motoreinlass geleitet. Im Einzelnen kann nach dem Strömen
durch den ersten Filter DPF1 und den zweiten Filter DPF2 Abgas,
das von dem zweiten Filter freigesetztes Partikelmaterial enthält,
mittels der Verbindungsleitung 27 in die AGR-Leitung 28 strömen.
Vor Eintritt in den Einlasskanal 42 und anschließend
den Ansaugkrümmer 44 kann das Abgas in dem AGR-Kühler 56 gekühlt
werden. Zusätzlich zum Regeln der Gasmenge, die zu stromabwärts
befindlichen Komponenten und/oder an die Atmosphäre freigesetzt
wird, kann das Regelventil 310 auch die in die AGR-Leitung
freigesetzte Abgasmenge regeln, d. h. die AGR-Rate. Zusätzlich
oder optional kann ein in der AGR-Leitung 28 stromaufwärts
des AGR-Kühlers 56 positioniertes AGR-Ventil 29 die
AGR-Rate regeln. Auf diese Weise kann während des ersten
Modus durch Senken eines Betrags an Strömens durch den
zweiten Filter eine Abgasrückführungsmenge verringert
werden. Das Regelventil 310 und/oder das AGR-Ventil 29 können
eine angesaugte Endrohrgasmenge und eine rückgeleitete
Abgasmenge beruhend auf Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise einer
Soll-AGR-Rate, einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, einer
Abgastemperatur, einer Filtertemperatur etc. anpassen.
-
Zurück
nun zu 4 können während des zweiten
Betriebsmodus (Modus 2) die Zweiwegesteuerventile 312 und 314 beide
in der „AUS”-Stellung konfiguriert sein. Bei Konfiguration
in der „AUS”-Stellung kann das Steuerventil 314 es
Abgas ermöglichen, in den zweiten Filter 304 einzudringen, während
das Steuerventil 312 verhindern kann, dass Abgas in den
ersten Filter 302 eindringt. Wenn sich beide Steuerventile
in der „AUS”-Konfiguration befinden, kann Abgas
somit in einer zweiten Richtung durch das PM-Rückhaltesystem
strömen, im Einzelnen durch den zweiten Filter 304 (DPF2),
entlang der Leitung 306 (in einer Richtung entgegengesetzt
zu der bei Arbeiten in dem ersten Modus), gefolgt von dem ersten
Filter 302 (DPF1). Weiterhin kann in dieser Konfiguration
der DPF2 Partikelmaterial (an der Auslassfläche abwechselnder
Kanäle) speichern, während DPF1 gespeichertes
Partikelmaterial (d. h. das Partikelmaterial, das während
des vorherigen ersten Betriebsmodus an der Auslassfläche
abwechselnder Kanäle gespeichert wurde) freisetzen kann.
-
Wie
im ersten Modus kann hierin zumindest etwas Endrohrgas, das durch
das PM-Rückhaltesystem 22 strömt, von
einer Leitung 306 durch eine Leitung 308 zum weiteren
Aufbereiten in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 70 und/oder
zum Ausstoß an die Atmosphäre mittels des Auslasskanals 35 gesaugt
werden. Das Regelventil 310 kann die Menge an Endrohrgas
regeln, die entlang der Leitung 308 gesaugt wird. Somit
folgt, dass durch den ersten Filter während des zweiten
Modus ein geringerer Abgasstrom als durch den ersten Filter vorliegt.
-
Während
des zweiten Modus wird ferner Gas, das aus dem ersten Filter DPF1
austritt, zu dem Motoreinlass geleitet. Im Einzelnen kann nach dem Strömen
durch den zweiten Filter DPF2 und den ersten Filter DPF1 Abgas,
das von dem ersten Filter DPF1 freigesetztes Partikelmaterial enthält,
direkt in die AGR-Leitung 28 strömen. Im Gegensatz
zu Modus 1 ist hierin das Strömen durch die Verbindungsleitung 27 nicht
unbedingt erforderlich. Vor Eintritt in den Einlasskanal 42 und
anschließend den Ansaugkrümmer 44 kann
das Abgas in dem AGR-Kühler 56 gekühlt
werden. Das Regelventil 310 kann die in die AGR-Leitung
freigesetzte Abgasmenge regeln, d. h. die AGR-Rate. Zusätzlich
oder optional kann ein in der AGR-Leitung 28 stromaufwärts
des AGR-Kühler 56 positioniertes AGR-Ventil 29 die
AGR-Rate regeln. Die AGR-Rate kann als Reaktion auf Betriebsbedingungen
des Motors, einschließlich eine Motordrehzahl/Motorlast-Bedingung,
angepasst werden. Auf diese Weise kann während des zweiten
Modus ein Betrag an Strömens durch den ersten Filter verringert
werden, um eine Abgasrückführungsmenge zu verringern.
Das Regelventil 310 und/oder das AGR-Ventil 29 können
eine angesaugte Endrohrgasmenge und eine rückgeleitete
Abgasmenge beruhend auf Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise einer
Soll-AGR-Rate, einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, einer
Abgastemperatur, einer Filtertemperatur etc., anpassen. Die angesaugte
Endrohrgasmenge und/oder die Abgasmenge, die freigesetztes Partikelmaterial
mit sich führt und die zu dem Ansaugkrümmer befördert
wird, kann ebenfalls als Reaktion auf eine Partikelmaterialmenge
angepasst werden, die in mindestens einem von ersten und zweiten
Filter gespeichert ist. Zum Beispiel können die Partikelmaterialmenge,
die dem Ansaugkrümmer zugeführt wird, und die
AGR-Rate angehoben werden, wenn die in den Filtern gespeicherte
Partikelmaterialmenge zunimmt. Analog können die dem Ansaugkrümmer
gelieferte Partikelmaterialmenge und die AGR-Rate gesenkt werden,
wenn die in den Filtern gespeicherte Partikelmaterialmenge abnimmt.
-
Wie
nachstehend unter Bezug auf 7 weiter
ausgeführt wird, kann ein Steuergerät den Betrieb der
Steuerventile so anpassen, dass jeder Betriebsmodus (d. h. Modus
1 und Modus 2) eine feste, vorbestimmte Zeitlänge dauern
kann. Das Zeitintervall kann auf verschiedenen Motorbetriebsbedingungen beruhen,
beispielsweise einer DPF-Rußbeladung (zum Beispiel beruhend
auf dem DPF-Gegendruck), einem Motorrußmodel, der Ausgabe
von einem integrierenden Rußsensor (zum Beispiel einem
Sensor, der die tatsächliche PM-Beladung in den Filtern
präzis misst), Filtertemperatur etc. In einem Beispiel kann
jeder Modus eine Stunde dauern, wenngleich sich versteht, dass auch
andere Zeitintervalle möglich sein können. Durch
einstündiges Arbeiten in jedem Modus kann der Speicherfilter
(d. h. DPF1 während des ersten Modus und DPF2 während
des zweiten Modus) etwa eine halbe Stunde lang Partikel laden. Während
dieser Zeit kann in etwa halbmaximale Beladung mit Ruß (oder
Partikelmaterial) in dem Speicherfilter erwartet werden. Auf diese
Weise können Filterverstopfen und damit zusammenhängende Druckabfallprobleme
gemindert werden. Analog kann der Freisetzungsfilter (d. h. DPF2
während des ersten Modus und DPF1 während des
zweiten Modus) gespeicherte Partikel etwa eine halbe Stunde lang
in die AGR-Leitung freisetzen. Auf diese Weise kann abgelagertes
Partikelmaterial für anschließende Verbrennung
effizient zu Motorzylindern freigesetzt werden, wodurch die Kanäle
vor einem folgenden Speicherbetrieb entstopft werden und die Notwendigkeit
einer Filterregeneration vermieden wird.
-
In
anderen Ausführungsformen kann der Betrieb als Reaktion
auf einen DPF-Gegendruck (zum Beispiel einen Schwellendruck), ein
Motorrußmodell, die Ausgabe eines integrierenden Rußsensors,
der die tatsächliche PM-Beladung in den Filtern präzis messen
kann (zum Beispiel eine PM-Schwellenbeladung etc.) zwischen den
Modi abwechselnd ausgeführt werden.
-
Durch
Betreiben eines Partikelmaterial-Rückhaltesystems des Motors
in kontinuierlicher und sequentieller Weise zwischen den beiden
Betriebsmodi, wobei die Partikelmaterialspeicher- und freisetzungsbetriebe
der einzelnen Partikelfilter regelmäßig gewechselt
werden, können somit die Wirkungsgrade von Partikelmaterialspeicherung
und -freisetzung verbessert werden, ohne dass Filterregeneration
notwendig wird. Durch Freisetzen des gespeicherten Partikelmaterials
für weitere Verbrennung direkt in die Motorzylinder kann
weiterhin der Kraftstoffwirkungsgrad verbessert werden.
-
Unter
Bezug nun auf 5 können während eines
dritten Betriebsmodus (Modus 3) die Zweiwegesteuerventile 312 und 314 so
angepasst werden, dass sie entgegengesetzt ausgerichtet sind. Wie
dargestellt kann sich das Steuerventil 312 in einer „EIN”-Konfiguration
befinden, während sich das Steuerventil 314 in
einer „AUS”-Konfiguration befindet, auch wenn
die umgekehrte Kombination auch möglich sein kann. In dieser
Konfiguration kann das Steuerventil 312 Abgas in den ersten
Filter 302 eindringen lassen, während das Steuerventil 314 Abgas in
den zweiten Filter 304 eindringen lassen kann. Somit kann
Abgas durch beide Filter des PM-Rückhaltesystems strömen
und in die Leitung 306 eindringen, von wo das Abgas in
die Leitung 308 eindringen kann und entlang des Auslasskanals 35 an
die Atmosphäre abgelassen werden kann. In dieser Konfiguration können
weiterhin beide Filter Partikelmaterial speichern. Somit kann das
PM-Rückhaltesystem während bestimmter Motorbetriebsbedingungen,
beispielsweise während Höchstleistungsforderung und/oder
hoher Motorlast, in dem dritten Betriebsmodus betrieben werden.
Da die Höchstleistungsfähigkeit des Motors durch
Abgasgegendrücke wesentlich beeinflusst wird, die wiederum
durch die Größe der Katalysatoren beeinflusst
werden, kann durch Verwenden beider Filter in einem Speichermodus
während Spitzenmotorlasten die nutzbare Größe
des Filters vergrößert werden, der Abgasgegendruck
kann gesenkt und die Höchstleistungsabgabe des Motors kann
signifikant verbessert werden.
-
6 stellt
eine andere Ausführungsform 600 des PM-Rückhaltesystems
von 3–5 dar. Im
Einzelnen umfasst die Ausführungsform 600 zusätzlich
einen Hochdruck- und einen Niederdruck-AGR-Kreislauf. Ein Hochdruck-AGR-Kreislauf 626 kann
stromaufwärts des Turboladers 50 zwischen dem
Ansaug- und dem Abgaskrümmer positioniert werden. In manchen
Beispielen kann auf den Hochdruck-AGR-Kreislauf auch verzichtet
werden. Das Strömen von Abgas von dem Abgaskrümmer entlang
des Hochdruck-AGR-Kreislaufs 626 kann durch ein AGR-Ventil 628 geregelt
werden.
-
Ein
Niederdruck-AGR-Kreislauf 627 kann zusätzlich
vorgesehen werden, um dem PM-Rückhaltesystem das Ansaugen
von Niederdruck-AGR zu ermöglichen. Der Niederdruck-AGR-Kreislauf 627 kann so
positioniert werden, dass er Abgas stromabwärts des (speichernden)
Dieselpartikelfilters, genauer von der Leitung 306, ansaugt.
Das in den Motoreinlass zurückzuführende Abgas
kann durch einen optionalen AGR-Kühler 656 geleitet
werden. Weiterhin kann das AGR-Ventil 629 die in den Niederdruck-AGR-Kreislauf 627 freigesetzte
Abgasmenge (und/oder die Rate der Freisetzung) regeln. Während die
dargestellte Ausführungsform die Verwendung des optionalen
AGR-Kühlers 656 zeigt, muss der Niederdruck-AGR-Kreislauf 627 in
noch anderen Ausführungsformen nicht einen AGR-Kühler
enthalten und kann stattdessen mit der AGR-Leitung 28 stromaufwärts
des AGR-Ventils 29 verbunden sein, wodurch es dem AGR-Kreislauf 627 ermöglicht
wird, auch das AGR-Ventil 29 und den AGR-Kühler 56 zu nutzen.
-
Unter
Bezug nun auf 7 wird eine beispielhafte Routine 700 zum
Speichern und Freisetzen von Partikeln in dem Partikelrückhaltesystem von 1 während
eines ersten und zweiten Betriebsmodus beschrieben. Bei 702 kann
bestätigt werden, dass der Motor läuft, ansonsten
kann die Routine enden. Somit kann in einem Beispiel der Speicher/Rückhalte-Betrieb
nur ausgeführt werden, wenn der Motor läuft. Bei 703 kann
ermittelt werden, ob der Motor bei Höchstleistung läuft.
Höchstleistung kann zum Beispiel beruhend auf der vorliegenden Motordrehzahl,
Motorlast und/oder Motordrehmomentleistung geschätzt werden.
Somit können bei Höchstleistung auch kleine Beträge
von Abgasgegendruck eine große nachteilige Auswirkung auf
die Motorleistung haben. Wenn der Motor bei 704 bei Höchstleistung
arbeitet, kann demgemäß das PM-Rückhaltesystem
in Modus 3 betrieben werden (wie in 8 weiter
ausgeführt wird), um ein ungehindertes Strömen
von Abgas durch die DPF des PM-Rückhaltesystems zu ermöglichen.
-
Wenn
der Motor nicht bei Höchstleistung arbeitet, dann kann
das PM-Rückhaltesystem bei 705 so konfiguriert
sein, dass es in Motor 1 arbeitet, in dem die Steuerventile für
den ersten und zweiten Filter (DPF1 und DPF2) zu einer „EIN”-Konfiguration gewechselt
werden können. In dem dargestellten Beispiel kann der Modus
1 der voreingestellte Betriebsmodus sein, der zum Beispiel bei Motorkaltstart verwendet
wird. Bei 706 kann ein PM-Rückhalte-Zeitgeber
auf null gesetzt und gestartet werden. Bei 708 kann als
Reaktion auf die Konfiguration der Steuerventile gereinigtes Abgas
in einer ersten Richtung durch die Filter strömen, so dass
der erste Filter DPF1 Partikel speichert und der zweite Filter DPF2 gleichzeitig
gespeicherte Partikel freisetzt. D. h. DPF1 kann Partikel in abwechselnden
Kanälen des Filters aufnehmen, während DPF2 während
eines vorherigen Betriebs aufgenommene Partikel mittels der AGR-Leitung
in den Motor freisetzten kann. Bei 710 kann bestätigt
werden, ob ein vorbestimmtes Zeitintervall (t) verstrichen ist.
In einem Beispiel beträgt das vorbestimmte Zeitintervall
1 Stunde. Somit wird geprüft, ob der Betrieb in Modus 1
eine Stunde lang erfolgt ist. Wenn nicht, dann kann der Betrieb
in Modus 1 dann bei 712 andauern, bis das vorab festgelegte
Zeitintervall verstrichen ist.
-
Wenn
bei 714 das Verstreichen des vorbestimmten Zeitintervalls
bestätigt wird, kann das PM-Rückhaltesystem so
ausgelegt sein, dass es in Modus 2 arbeitet, in dem die Steuerventile
für den ersten und zweiten Filter zu einer „AUS”-Konfiguration
gewechselt werden können. Bei 716 kann der Zeitgeber
auf null zurückgestellt werden und dann neu gestartet werden.
Bei 718 kann als Reaktion auf die Konfiguration der Steuerventile
gereinigtes Abgas in einer zweiten Richtung durch die Filter strömen,
so dass der erste Filter DPF1 Partikel freisetzt und der zweite
Filter DPF2 Partikel speichert. D. h. DPF2 kann Partikel in abwechselnden
Kanälen des Filters aufnehmen, während DPF1 Partikel,
die während des vorherigen Betriebs in Modus 1 aufgenommen
wurden, mittels der AGR-Leitung in den Motor freisetzen kann. Bei 720 kann
bestätigt werden, ob das vorbestimme Zeitintervall (t)
verstrichen ist. In dem dargestellten Beispiel beträgt
das vorbestimmte Zeitintervall für den Betrieb in jedem
Modus 1 Stunde. Es versteht sich aber, dass in anderen Ausführungsformen
das Zeitintervall für Betrieb in jedem Modus unterschiedlich
sein kann. Weiterhin kann das vorbestimmte Zeitintervall für
jeden Betriebsmodus als Reaktion auf Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise
Abgastemperatur, Soll-AGR-Rate, Luft/Kraftstoff-Verhältnis,
eine DPF-Rußbeladung (zum Beispiel beruhend auf dem DPF-Gegendruck), Motorrußmodell,
die Ausgabe eines integrierenden Rußsensors (zum Beispiel
eines Sensors, der die Ist-PM-Beladung in den Filtern präzis
misst), Filtertemperatur etc., unabhängig angepasst werden. Wenn
bestätigt wird, dass der Betrieb in Modus 2 das Sollzeitintervall
absolviert hat, dann kann die Routine zu 704 zurückkehren,
um den Betriebsmodus zu Modus 1 zu ändern. Wenn das Sollzeitintervall
nicht verstrichen ist, dann kann der Betrieb in Modus 2 bei 722 andauern,
bis das vorab festgelegte Zeitintervall verstrichen ist. Auf diese
Weise können die Filter sequentiell in dem ersten Modus
betrieben werden, bis ein erster Schwellenwert erreicht ist, und
dann in dem zweiten Modus betrieben werden, bis ein zweiter Schwellenwert
erreicht ist.
-
Während
das dargestellte Beispiel das Betreiben des PM-Rückhaltesystem
beruhend auf einem Zeitintervall (d. h. einem zeitbasierten Schwellenwert),
das von einem Zeitgeber des PM-Rückhaltesystems gesetzt
wird, sequentiell zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus
veranschaulicht, kann in anderen Ausführungsformen der
Betrieb zwischen den Modi als Reaktion auf einen DPF-Gegendruck
(zum Beispiel einen Schwellendruck), ein Motorußmodell,
die Ausgabe eines integrierenden Rußsensors, der die Ist-PM-Beladung
in den Filtern (zum Beispiel eine PM-Schwellenbeladung) präzis
misst, etc. gewechselt werden. D. h. der erste und zweite Schwellenwert
für den ersten und zweiten Filter können als Reaktion
auf Betriebsbedingungen unabhängig angepasst werden.
-
Unter
Bezug nun auf 8 wird eine beispielhafte Routine 800 zum
Speichern von Partikeln in dem PM-Rückhaltesystem von 1 während
eines dritten Betriebsmodus beschrieben. Somit kann das PM-Rückhaltesystem
unter ausgewählten Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise
während Motorbetrieb bei hohen Lasten und Höchstleistung,
in Modus 3 betrieben werden. Demgemäß kann bei 802 bestätigt
werden, dass der Motor bei Höchstleistung läuft.
Wenn nicht, kann die Routine enden. Bei Bestätigung von
Höchstleistungsabgabe des Motors kann das PM-Rückhaltesystem
so konfiguriert sein, dass es in Modus 3 arbeitet, in dem das Steuerventil
für den ersten Filter (DPF1) zu einer „EIN”-Konfiguration geschaltet
sein kann, während das Steuerventil für den zweiten
Filter (DPF2) zu einer „AUS”-Konfiguration geschaltet
sein kann. D. h. im Gegensatz zu Modus 1 und 2, bei denen beide
Steuerventile in einer ähnlichen Konfiguration sein können
(beide „EIN” oder beide „AUS”),
können die Steuerventile in Modus 3 so verstellt werden,
dass sie in unterschiedlichen Konfigurationen vorliegen.
-
Bei 806 kann
ein Zeitgeber des PM-Rückhaltesystems auf null gesetzt
und gestartet werden. Bei 808 kann als Reaktion auf die
Konfiguration der Steuerventile das gereinigte Abgas durch beide
Filter strömen, so dass beide Filter Partikel speichern.
Durch Ermöglichen, dass beide Filter während Motorspitzenbetrieb
Partikel speichern, kann der Höchstleistungsabgasstrom
hierin effizient zwischen den Filtern verteilt werden, und übermäßige
Rußablagerung in einem der Filter kann verringert werden,
wodurch die Möglichkeiten einer Ausbildung von Abgasgegendruck
verringert werden. Durch Verringern des Abgasgegendrucks kann die
Motorleistung während einer hohen Leistungsabgabeforderung
des Motors bei einem hohen Wert gehalten werden. Bei 810 kann bestätigt
werden, ob ein vorbestimmtes Zeitintervall (t) verstrichen ist.
Alternativ kann bestätigt werden, ob ein DPF-Schwellengegendruck
oder eine PM-Schwellenlast erreicht wurde. Wenn ja, kann die Routine
enden. Ansonsten kann die Routine den Betrieb in Modus 3 fortsetzen,
bis der Schwellenwert erreicht ist. Somit können durch
Abwechseln der Speicher- und Freisetzungsfunktionen der Filter bei
niedrigen bis mittleren Motorlasten und dann bei hohen Motorlasten
Umschalten zu einer nur speichernden Funktion die DPF-Materialien
kleiner bemessen sein, als wenn Höchstleistungsstrom durch
einen einzigen DPF allein geleitet würde.
-
Auf
diese Weise kann ein Partikelmaterial-Rückhaltesystem bei
niedrigen/mittleren Motorlasten zwischen einem ersten und zweiten
Modus sequentiell betrieben werden, so dass die Funktionen des Partikelmaterialspeicherns
und -freisetzens der einzelnen Filter regelmäßig
gewechselt werden können. Weiterhin kann das Partikelmaterial-Rückhaltesystem
bei hohen Motorlasten in einem dritten Modus betrieben werden, bei
dem beide Filter eine Speicherfunktion ausführen, so dass
ein Höchstleistungsstrom des Abgases zwischen den Filtern
verteilt werden kann. Dabei kann übermäßige
Rußablagerung in den Filtern verringert werden, wodurch
damit zusammenhängende Probleme wie Verstopfen, Druckaufbau
und die Notwendigkeit aktiver Regeneration verringert werden. Durch
Freisetzen von gespeicherten Partikeln direkt in einen Motoreinlass,
genauer in Motorzylinder, für spätere Verbrennung
kann die Filterregeneration unter Verwenden von Fallrohr-Kraftstoffeinspritzungen
und erhöhten Temperaturen verringert werden, während
der Kraftstoffwirkungsgrad und die Emissionsqualität des
Fahrzeugs verbessert werden.
-
Zu
beachten ist, dass die beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen,
die hierin enthalten sind, mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystem-Konfigurationen
verwendet werden können. Die hierin beschriebenen spezifischen
Routinen können eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien
darstellen, beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert,
Multitasking, Multithreading und dergleichen. Daher können
die verschiedenen gezeigten Schritte, Arbeitsabläufe oder Funktionen
in der gezeigten Folge oder parallel ausgeführt werden
oder es kann in manchen Fällen auf sie verzichtet werden.
Analog muss die Folge der Ausführung nicht unbedingt erforderlich
sein, um die Merkmale und Vorteile der hierin beschriebenen beispielhaften
Ausführungsformen zu erreichen, sondern wird zur einfachen
Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Einer oder mehrere
der gezeigten Schritte oder Arbeitsabläufe können
abhängig von der jeweils eingesetzten Strategie wiederholt ausgeführt
werden. Weiterhin können die beschriebenen Schritte einen
Code graphisch darstellen, der in ein maschinell lesbares Speichermedium
des Steuersystems des Motors einzuprogrammieren ist.
-
Es
versteht sich, dass die hierin beschriebenen Konfigurationen und
Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen
nicht einschränkend aufgefasst werden dürfen, da
zahlreiche Abänderungen möglich sind. Zum Beispiel
kann die vorstehende Technologie auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12, Boxer-
und andere Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden
Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht nahe liegenden Kombinationen
und Unterkombinationen der hierin offenbarten verschiedenen Systeme
und Konfigurationen sowie anderer Merkmale, Funktionen und/oder
Eigenschaften.
-
Die
folgenden Ansprüche stellen insbesondere bestimmte Kombinationen
und Unterkombinationen heraus, die als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet
werden. Diese Ansprüche können auf „ein” Element
oder „ein erstes” Element oder eine Entsprechung
desselben verweisen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen,
dass sie das Integrieren eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen,
wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder fordern noch ausschließen.
Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen,
Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung
der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche
in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche
Ansprüche werden, ob sie nun gegenüber dem Schutzumfang
der ursprünglichen Ansprüche breiter, enger, gleich
oder unterschiedlich sind, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden
Offenbarung enthalten betrachtet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-