DE102010022882A1

DE102010022882A1 - Kraftstoffsteuerstrategie zum Beheizen eines Katalysators

Info

Publication number: DE102010022882A1
Application number: DE102010022882A
Authority: DE
Inventors: Halim G. Novi Santoso; Eugene V. Pinckney Gonze; Bryan Nathaniel Novi Roos; Brian Holly Spohn
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2011-02-10
Also published as: US20100318281A1; CN101922340B; CN101922340A; US7934487B2

Abstract

Ein Steuersystem für einen Motor, der N Zylinder in einer ersten und einer zweiten Reihe aufweist, umfasst ein Katalysatorheizmodul und ein Kraftstoffsteuermodul. N ist eine ganze Zahl größer als zwei. Das Katalysatorheizmodul betreibt den Motor wahlweise in einem Katalysatorheizmodus, um einen Katalysator zu beheizen. Das Kraftstoffsteuermodul passt während einer gesamten Kraftstoffeinspritzsequenz für jeden der N Zylinder ein erstes Luft/Kraftstoff(L/K)-Verhältnis für die erste Reihe auf einen fetten Wert an und passt ein zweites L/K-Verhältnis für die zweite Reihe auf einen mageren Wert an.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Kraftstoffsteuersysteme und -verfahren zum Beheizen von Katalysatoren in Abgasanlagen.
Hintergrund
Die hierin vorgesehene Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck des allgemeinen Darstellens des Kontexts der Offenbarung. Die Arbeit der vorliegend genannten Erfinder, sofern sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben wird, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Einreichung eventuell nicht anderweitig als Stand der Technik gelten, sind weder ausdrücklich noch implizit gegenüber der vorliegenden Offenbarung als Stand der Technik anzusehen.
Ein Motor verbrennt ein Luft/Kraftstoff-Gemisch, um Antriebsdrehmoment für ein Fahrzeug zu erzeugen. Die Luft wird durch eine Drosselklappe und einen Ansaugkrümmer in den Motor gesaugt. Der Kraftstoff wird einer oder mehreren Kraftstoffeinspritzvorrichtungen geliefert. Das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird in einem oder mehreren Zylindern des Motors verbrannt. Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches kann zum Beispiel durch Verdichtung, die durch einen Kolben vorgesehen wird, und/oder Zündfunke, der von einer Zündkerze vorgesehen wird, ausgelöst werden. Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches erzeugt Abgas. Das Abgas wird von den Zylindern zu einer Abgasanlage ausgestoßen.
Die Abgasanlage umfasst einen Katalysator, beispielsweise einen Dreiwegekatalysator, der mit dem Abgas reagiert, um Emissionen zu verringern. „Dreiwege” bezieht sich auf die drei Emissionen, die ein katalytischer Wandler reduziert, welche Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxid (NO_x) umfassen. Der Katalysator ist aber unter Umständen nicht in der Lage zu reagieren, wenn die Temperatur des Katalysators unter einer Anspringtemperatur liegt. Demgemäß kann die Reaktionsfähigkeit des Katalysators bei Starten des Motors (z. B. Schlüssel-EIN) beschränkt sein, wenn die Katalysatortemperatur unter der Anspringtemperatur liegt.
Ein Motorsteuermodul (ECM) steuert die Drehmomentabgabe des Motors. Lediglich zum Beispiel steuert das ECM die Drehmomentabgabe des Motors beruhend auf Fahrereingaben und/oder anderen Eingaben. Das ECM steuert auch verschiedene Motorparameter, um den Katalysator zu erwärmen, wenn die Katalysatortemperatur unter der Anspringtemperatur liegt. Lediglich zum Beispiel kann das ECM die Zündzeiten auf spät verstellen, um in dem Abgas Kohlenwasserstoffe vorzusehen. Die Oxidation von Kohlenwasserstoffen in der Abgasanlage erzeugt Wärme, die den Katalysator erwärmt.
Der mittels Kohlenwasserstoffoxidation erzeugte Wärmebetrag wird durch die Sauerstoffmenge in der Abgasanlage beschränkt. Eine sekundäre Luftpumpe kann mit einem Zylinderkopf mechanisch gekoppelt sein, um dem Zylinderkopf direkt Luft zu liefern. Die von der sekundären Luftpumpe zugeführte Luft steigert die Sauerstoffmenge in der Abgasanlage, und daher steigert die sekundäre Luftpumpe die Kohlenwasserstoffoxidationsfähigkeit. Das ECM kann den Betrieb der sekundären Luftpumpe steuern, um Oxidation von Kohlenwasserstoffen in der Abgasanlage zu steuern und den Katalysator aufzuwärmen.
Zusammenfassung
Ein Steuersystem für einen Motor, der N Zylinder in einer ersten und einer zweiten Reihe aufweist, umfasst ein Katalysatorheizmodul und ein Kraftstoffsteuermodul. N ist eine ganze Zahl größer als zwei. Das Katalysatorheizmodul betreibt den Motor wahlweise in einem Katalysatorheizmodus, um einen Katalysator zu beheizen. Das Kraftstoffsteuermodul passt während einer gesamten Kraftstoffeinspritzsequenz für jeden der N Zylinder ein erstes Luft/Kraftstoff(L/K)-Verhältnis für die erste Reihe auf einen fetten Wert an und passt ein zweites L/K-Verhältnis für die zweite Reihe auf einen mageren Wert an.
Ein Verfahren für einen Motor, der N Zylinder in einer ersten und einer zweiten Reihe aufweist, umfasst das wahlweise Betreiben des Motors in einem Katalysatorheizmodus, um einen Katalysator zu beheizen, und während einer gesamten Kraftstoffeinspritzsequenz für jeden der N Zylinder das Anpassen eines ersten Luft/Kraftstoff(L/K)-Verhältnisses für die erste Reihe auf einen fetten Wert an und das Anpassen eines zweiten L/K-Verhältnis für die zweite Reihe auf einen mageren Wert.
Weitere Gebiete der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung gehen aus der hierin vorgesehenen eingehenden Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die eingehende Beschreibung und spezifischen Beispiele lediglich dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang der Offenbarung beschränken sollen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Offenbarung wird anhand der eingehenden Beschreibung und der Begleitzeichnungen besser verständlich. Hierbei zeigen:
1 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Motorsystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung;
2 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Motorsteuermoduls gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung; und
3 ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte eines Steuerverfahrens gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Eingehende Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Offenbarung, ihre Anwendung oder Nutzungsmöglichkeiten zu beschränken. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente verwendet. Der Ausdruck ‚mindestens eines von A, B und C’ wie er hierin verwendet wird, sollte so ausgelegt werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen Oder bedeutet. Es versteht sich, dass Schritte in einem Verfahren in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu ändern.
Der Begriff Modul, wie er hierin verwendet wird, bezeichnetet eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Ein Kraftstoffsteuersystem und ein Verfahren der vorliegenden Offenbarung können einen Motor in einem Katalysatorheizmodus betreiben, um einen Katalysator zu beheizen. In dem Katalysatorheizmodus wird ein Luft/Kraftstoff(L/K)-Verhältnis einer Zylinderreihe auf mager angepasst, während ein L/K-Verhältnis einer anderen Zylinderreihe auf fett angepasst wird. Überschüssiges Kohlenmonoxid (CO) von der fetten Reihe reagiert mit überschüssigem Sauerstoff (O₂) von der mageren Reihe, bevor es in den Katalysator gelangt, um in dem Katalysator eine exotherme Reaktion zu erzeugen.
Ein Kraftstoffsteuersystem und -verfahren der vorliegenden Offenbarung kann den Katalysatorheizmodus während eines Kaltstarts des Motors auslösen. Der Katalysatorheizmodus kann beendet werden, wenn die Katalysatortemperatur größer als oder gleich einer Anspringtemperatur ist. Auf diese Weise kann in dem Katalysator während eines Kaltstarts eine exotherme Reaktion erzeugt werden, um die Katalysatortemperatur auf die Anspringtemperatur zu erhöhen, ohne eine sekundäre Luftpumpe zu verwenden.
Unter Bezug nun auf 1 umfasst ein Motorsystem 10 einen Motor 12, der ein Saugrohreinspritzmotor oder ein Direkteinspritzmotor sein kann. Der Motor 12 kann mehrere Zylinder 13 umfassen, beispielsweise 2, 4, 6, 8, 10 und 12 Zylinder. Ein Abgaskrümmer 14 ist mit dem Motor 12 verbunden und leitet Abgas von dem Motor 12 durch ein Abgasrohr 16 zu einem Dreiwegekatalysator (TWC) 18, der elektrisch beheizt sein kann.
Die Zylinder 13 in dem Motor 12 können zwischen einer ersten Reihe 20 und einer zweiten Reihe 22 aufgeteilt sein. Der TWC 18 kann einen stromaufwärts befindlichen Katalysator 24 und einen stromabwärts befindlichen Katalysator 26 umfassen. Der stromaufwärts befindliche Katalysator 24 umfasst Katalysatormaterialien, die zum Verringern von NO_x geeignet sind. Der stromabwärts befindliche Katalysator 26 umfasst Katalysatormaterialien, die Oxidation von HC- und CO-Molekülen stimulieren.
Sauerstoffsensoren 30 an den Auslässen des Abgaskrümmers 14 messen Sauerstoffwerte in dem Abgas. Ein Sensor 32 für Motorkühlmitteltemperatur (ECT) an dem Motor 12 misst eine Motorkühlmitteltemperatur. Ein Katalysatortemperatursensor 34 an dem TWC 18 misst eine Katalysatortemperatur. Ein Zündeingang 36, beispielsweise ein Zündschlüssel oder ein Zündschalter, erzeugt ein Startsignal.
Ein Motorsteuermodul (ECM) 40 startet den Motor 12 beruhend auf dem Startsignal. Das ECM 40 erhält die Sauerstoffwerte, die Motorkühlmitteltemperatur und die Katalysatortemperatur. Das ECM 40 ermittelt beruhend auf den Sauerstoffwerten Luft/Kraftstoff(L/K)-Verhältnisse für die erste und zweite Reihe 20, 22. Das ECM 40 betätigt Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 42, um beruhend auf den L/K-Verhältnissen Kraftstoff in die Zylinder 13 einzuspritzen. Durch ein Einlassventil 44 gelangt Luft in die Zylinder 13. Der Kraftstoff und die Luft vereinen sich zu einem Luft/Kraftstoff-Gemisch, das in den Zylindern 13 verbrennt. Abgas tritt durch ein Auslassventil 48 aus den Zylindern 13 aus.
Das ECM 40 betreibt das Motorsystem 10 während eines Kaltstarts des Motors 12 in einem Katalysatorheizmodus. In dem Katalysatorheizmodus passt das ECM 40 das L/K-Verhältnis der ersten Reihe 20 auf fett an und passt gleichzeitig das L/K-Verhältnis der zweiten Reihe 22 auf mager an. Ein fettes L/K-Verhältnis ist größer als ein stöchiometrisches Verhältnis, und ein mageres L/K-Verhältnis ist kleiner als ein stöchiometrisches Verhältnis.
Unter Bezug nun auf 2 kann das ECM 40 ein Katalysatorheizmodul 200 und ein Kraftstoffsteuermodul 202 umfassen. Das Katalysatorheizmodul 200 erhält die Motorkühlmitteltemperatur von dem ECT-Sensor 32, die Katalysatortemperatur von dem Katalysatortemperatursensor 34 und das Startsignal von dem Zündeingang. Das Katalysatorheizmodul 200 kann ein Katalysatorheizsignal erzeugen, um einen Motor in einem Katalysatorheizmodus zu betreiben, wodurch ein Katalysator beheizt wird.
Das Katalysatorheizmodul 200 kann den Katalysatorheizmodus während eines Kaltstarts des Motors auslösen. Das Katalysatorheizmodul 200 kann ermitteln, dass der Kaltstart erfolgt, wenn der Motor gestartet wird und wenn die Motorkühlmitteltemperatur niedriger als eine Betriebstemperatur ist. Das Katalysatorheizmodul 200 kann ermitteln, dass der Motor gestartet wird, wenn das Startsignal eine Anweisung gibt, den Motor zu starten.
Das Katalysatorheizmodul 200 kann den Katalysatorheizmodus beenden, wenn die Katalysatortemperatur größer oder gleich einer Anspringtemperatur ist. Das Katalysatorheizmodul 200 kann den Katalysatorheizmodus beenden, wenn die Motorkühlmitteltemperatur größer oder gleich der Betriebstemperatur ist. Lediglich zum Beispiel kann die Betriebstemperatur bei in etwa 95°C liegen.
Das Kraftstoffsteuermodul 202 steuert die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 42, um L/K-Verhältnisse von Zylindern beruhend auf dem Katalysatorheizsignal anzupassen, das von dem Katalysatorheizmodul 200 empfangen wird. Das Kraftstoffsteuermodul 202 passt ein erstes Luft/Kraftstoff(L/K)-Verhältnis auf fett an und passt ein zweites L/K-Verhältnis auf mager an, wenn das Katalysatorheizsignal eine Anweisung gibt, den Motor in dem Katalysatorheizmodus zu betreiben.
Das erste und das zweite L/K-Verhältnis können einem ersten bzw. zweiten Zylinder zugeordnet werden. Alternativ können das erste und das zweite L/K-Verhältnis einer ersten bzw. zweiten Zylinderreihe zugeordnet werden. Die zweite Zylinderreihe kann näher zum Katalysator liegen als die erste Zylinderreihe.
Fette und magere L/K-Verhältnisse können beruhend auf einer Art des Kraftstoffeinspritzungssystems unterschiedlich sein. Bei Saugrohreinspritzungssystemen kann ein mageres L/K-Verhältnis bei 11,5 liegen und ein fettes L/K-Verhältnis kann bei in etwa 16 liegen. Bei Direkteinspritzungssystemen kann ein mageres L/K-Verhältnis bei in etwa 13 liegen und ein fettes L/K-Verhältnis kann in etwa bei 16 liegen.
Unter Bezug nun auf 3 überwacht die Steuerung bei Schritt 300 eine Motorsteuertemperatur. Die Steuerung ermittelt bei Schritt 302, ob ein Kaltstart eines Motors erfolgt ist. Die Steuerung kann ermitteln, dass der Kaltstart erfolgt, wenn der Motor gestartet wird und die Motorkühlmitteltemperatur niedriger als eine Betriebstemperatur ist.
Wenn der Kaltstart nicht erfolgt ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 300 zurück. Die Steuerung überwacht bei Schritt 304 Sauerstoffwerte in Abgas, das aus Zylindern austritt, wenn der Kaltstart erfolgt ist. Die Steuerung ermittelt bei Schritt 306 beruhend auf den Sauerstoffwerten erste und zweite Luft/Kraftstoff(L/K)-Verhältnisse der Zylinder.
Bei Schritt 308 passt die Steuerung das erste L/K-Verhältnis auf fett an und passt gleichzeitig das zweite L/F-Verhältnis auf mager an. Dies erzeugt eine exotherme Reaktion, die einen Katalysator beheizt. Die Steuerung kann eine in den ersten und zweiten Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge anpassen, um das erste bzw. zweite L/K-Verhältnis anzupassen. Alternativ kann die Steuerung eine in die erste und zweite Reihe von Zylindern eingespritzte Kraftstoffmenge anpassen, um das erste bzw. zweite L/K-Verhältnis anzupassen.
Bei Schritt 310 überwacht die Steuerung eine Katalysatortemperatur. Die Steuerung ermittelt bei Schritt 312, ob die Katalysatortemperatur größer oder gleich einer Anspringtemperatur ist. Wenn die Katalysatortemperatur niedriger als die Anspringtemperatur ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 304 zurück. Wenn die Katalysatortemperatur größer oder gleich der Anspringtemperatur ist, beendet die Steuerung bei Schritt 314 das Anpassen des ersten L/K-Verhältnisses zu fett und des zweiten L/K-Verhältnisses zu mager.
Die breiten Lehren der Offenbarung können in verschiedenen Formen umgesetzt werden kann. Während diese Offenbarung bestimmte Beispiele umfasst, sollte daher der wahre Schutzumfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt werden, da dem Fachmann bei genauer Prüfung der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche andere Abwandlungen offenkundig werden.

Claims

Steuersystem für einen Motor, der N Zylinder in einer ersten und zweiten Reihe aufweist, wobei N eine ganze Zahl größer als zwei ist, umfassend: ein Katalysatorheizmodul, das den Motor wahlweise in einem Katalysatorheizmodus betreibt, um einen Katalysator zu beheizen; und ein Kraftstoffsteuermodul, das während einer gesamten Kraftstoffeinspritzsequenz für jeden der N Zylinder ein erstes Luft/Kraftstoff(L/K)-Verhältnis für die erste Reihe zu einem fetten Wert anpasst und ein zweites L/K-Verhältnis für die zweite Reihe zu einem mageren Wert anpasst.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei ein erster Abstand zwischen der ersten Reihe und dem Katalysator größer als ein zweiter Abstand zwischen der zweiten Reihe und dem Katalysator ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Kraftstoffsteuermodul das erste L/K-Verhältnis beruhend auf einem ersten Sauerstoffwert in Abgas von der ersten Reihe ermittelt und das zweite L/K-Verhältnis beruhend auf einem zweiten Sauerstoffwert in Abgas von der zweiten Reihe ermittelt.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Kraftstoffsteuermodul das erste L/K-Verhältnis durch Steuern einer in die erste Reihe eingespritzten ersten Kraftstoffmenge anpasst und das zweite L/K-Verhältnis durch Steuern einer in die zweite Reihe eingespritzten zweiten Kraftstoffmenge anpasst.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Katalysatorheizmodul den Katalysatorheizmodus während eines Kaltstarts des Motors auslöst.
Steuersystem nach Anspruch 5, wobei der Kaltstart erfolgt, wenn ein Motor gestartet wird und eine Motorkühlmitteltemperatur niedriger als eine Betriebstemperatur ist.
Steuersystem nach Anspruch 5, wobei das Katalysatorheizmodul den Katalysatorheizmodus beendet, wenn eine Katalysatortemperatur größer oder gleich einer Anspringtemperatur ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der Katalysator mindestens eines von einem elektrisch beheizten Katalysator und einem Dreiwegekatalysator ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der magere Wert in etwa gleich 11,5 ist und der fette Wert in etwa gleich 16 ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der magere Wert in etwa gleich 13 ist und der fette Wert in etwa gleich 16 ist.