DE102010033316A1

DE102010033316A1 - Steuersystem und -verfahren für elektrisch beheizten Katalysator

Info

Publication number: DE102010033316A1
Application number: DE102010033316A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Pinckney Gonze; Halim G. Novi Santoso; Brian Holly Spohn; Bryan Nathaniel Novi Roos
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2011-04-28
Also published as: CN101994550A; CN101994550B; US7829048B1

Abstract

Ein Abgasbehandlungssystem umfasst M elektrisch beheizte Substrate und ein Heizungssteuermodul. Die M elektrisch beheizten Substrate sind mit einem Katalysatormaterial beschichtet und in Reihe angeordnet, um Abgas einer Maschine aufzunehmen. M ist eine ganze Zahl größer als Eins. Das Heizungssteuermodul legt Leistung an N der M Substrate an, um die N Substrate während einer vorbestimmten Periode zu erwärmen. N ist eine ganze Zahl kleiner als M. Während der vorbestimmten Periode ist die Maschine abgeschaltet und die M elektrisch beheizten Substrate nehmen kein Abgas auf.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist mit der U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/537,384 verwandt, die am 7. August 2009 eingereicht wurde. Die Offenbarung der obigen Anmeldung ist hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmaschinen und insbesondere Abgasbehandlungssysteme.
HINTERGRUND
Die hier vorgesehene Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck der allgemeinen Darstellung des Kontextes der Offenbarung. Arbeit der derzeit bezeichneten Erfinder in dem Maße, in dem sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, wie auch Aspekte der Beschreibung, die sich zum Zeitpunkt der Einreichung nicht anderweitig als Stand der Technik qualifizieren können, sind weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung zulässig.
Verbrennungsmaschinen verbrennen ein Luft- und Kraftstoff-Gemisch in Zylindern, um Antriebsmoment zu erzeugen. Ein Nebenprodukt der Verbrennung ist Abgas. Das Abgas kann verschiedene Komponenten umfassen, wie Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC). Ein Abgasbehandlungssystem umfasst einen Katalysator, der NOx, CO und HC in Kohlendioxid und Wasser umwandelt.
Der Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators betrifft die Fähigkeit des Katalysators zur Reaktion mit oder zum Umwandeln einer oder mehrerer Komponenten des Abgases. Der Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators steht mit der Temperatur des Katalysators in Verbindung. Der Katalysator kann bei einem reduzierten Umwandlungswirkungsgrad arbeiten, wenn die Katalysatortemperatur kleiner als eine Schwellentemperatur ist. Der Katalysatorwirkungsgrad kann durch Erhöhen der Katalysatortemperatur auf größer als oder gleich der Schwellentemperatur erhöht werden.
Die Katalysatortemperatur kann unter Verwendung verschiedener Verfahren erhöht werden. Nur beispielhaft kann Wärme von dem die Maschine verlassenden Abgas die Katalysatortemperatur erhöhen. Das Abgas überträgt Wärme an den Katalysator über Konvektion, wodurch die Katalysatortemperatur erhöht wird. Eine Kraftstofflieferung an die Maschine kann auch eingestellt werden, um die Katalysatortemperatur zu erhöhen. Nur beispielhaft kann nicht verbrannter Kraftstoff von der Maschine in den Katalysator eintreten, wo der Kraftstoff mit Sauerstoff in dem Katalysator verbrennt, um die Katalysatortemperatur zu erhöhen. Luft kann in das Abgas und/oder den Katalysator gepumpt werden, um die Menge an Sauerstoff in dem Katalysator zu erhöhen.
Hybridfahrzeuge können eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor aufweisen. Der Elektromotor kann öfter verwendet werden, wenn die kinetische Energie des Fahrzeugs durch regenerative Bremsung rückgewonnen, in elektrische und chemische Form umgewandelt und in einer Batterie gespeichert werden kann, von der der Motor angetrieben wird (beispielsweise Stadtfahrt). Die Brennkraftmaschine kann verwendet werden, wenn Radbremsung sowie Gelegenheiten zur Energierückgewinnung selten sind und die Maschine bei ihrem höchsten Wirkungsgrad arbeitet (beispielsweise bei der Autobahnfahrt). Bei gemischten Stadt- und Autobahnfahrtbedingungen können der Elektromotor und die Brennkraftmaschine gemeinsam zur Übertragung von Leistung an eine Getriebeantriebswelle abhängig von Fahrtbedingungen und der Größe der Batteriekapazität verwendet werden.
Hybridfahrzeuge können langen Perioden einer Maschinenabschaltzeit während Leerlauf- und Fahrtszenarien ausgesetzt sein. Während der Perioden der Maschinenabschaltzeit kann die Katalysatortemperatur unter die Schwellentemperatur sinken. Demgemäß kann eine Katalysatorerwärmung erforderlich werden, um einen Spitzenwirkungsgrad des Katalysators zu erhalten. Die Beibehaltung der Katalysatortemperatur bei etwa der Schwellentemperatur während der Maschinenabschaltperioden erhöht den Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators, wenn die Maschine gestartet wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Abgasbehandlungssystem umfasst M elektrisch beheizte Substrate und ein Heizungssteuermodul. Die M elektrisch beheizten Substrate sind mit einem Katalysatormaterial beschichtet und in Reihe angeordnet, um Abgas einer Maschine aufzunehmen. M ist eine ganze Zahl größer als Eins. Das Heizungssteuermodul legt Leistung an N der M Substrate an, um die N Substrate während einer vorbestimmten Periode zu erwärmen. N ist eine ganze Zahl kleiner als M. Während der vorbestimmten Periode ist die Maschine abgeschaltet und die M elektrisch beheizten Substrate nehmen kein Abgas auf. Gemäß anderen Merkmalen ist die Maschine während der vorbestimmten Periode deaktiviert.
Gemäß weiteren Merkmalen stoppt das Heizungssteuermodul das Anlegen von Leistung an die N Substrate und startet ein Anlegen von Leistung an P andere der M Substrate, um die P Substrate zu erwärmen, nachdem die N Substrate eine vorbestimmte Temperatur erreichen. P ist eine ganze Zahl kleiner als M.
Gemäß noch weiteren Merkmalen ist N Eins und das Heizungssteuermodul legt Leistung an ein erstes der M Substrate an. Das Heizungssteuermodul stoppt das Anlegen von Leistung an das erste und startet das Anlegen von Leistung an ein zweites der M Substrate, wenn eine Temperatur des ersten eine Schwellentemperatur erreicht.
Gemäß noch weiteren Merkmalen ist N Eins und das Heizungssteuermodul legt Leistung an jedes der M Substrate nacheinander an. Das Heizungssteuermodul stoppt das Anlegen von Leistung an jedes Substrat, wenn eine Temperatur des Substrats während der vorbestimmten Periode eine Schwellentemperatur erreicht.
Gemäß noch weiteren Merkmalen legt das Heizungssteuermodul Leistung an die N Substrate für eine vorbestimmte Periode an. Gemäß noch weiteren Merkmalen umfassen die M elektrisch beheizten Substrate ein einen elektrischen Widerstand aufweisendes Substrat, das Wärme erzeugt, wenn das Heizungssteuermodul Leistung anlegt. Gemäß noch weiteren Merkmalen umfasst das Katalysatormaterial ein Drei-Wege-Katalysatormaterial.
Gemäß noch weiteren Merkmalen umfasst das Abgasbehandlungssystem P nicht elektrisch beheizte Substrate, die mit dem Katalysatormaterial beschichtet und in Reihe mit den M elektrisch beheizten Substraten angeordnet sind, und die das Abgas von der Maschine aufnehmen, wobei P eine ganze Zahl größer als oder gleich Eins ist. Gemäß noch weiteren Merkmalen ist M Drei oder größer und N ist Eins.
Ein Verfahren umfasst die Schritte, dass: M elektrisch beheizte Substrate bereitgestellt werden, die mit einem Katalysatormaterial beschichtet sind und die in Reihe angeordnet sind, um Abgas von einer Maschine aufzunehmen, wobei M eine ganze Zahl größer als Eins ist; und Leistung an N der M Substrate angelegt wird, um die N Substrate während einer vorbestimmten Periode zu erwärmen, wobei N eine ganze Zahl kleiner als M ist. Die Maschine wird abgeschaltet und die M elektrisch beheizten Substrate nehmen während der vorbestimmten Periode kein Abgas auf. Gemäß anderen Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass die Maschine während der vorbestimmten Periode deaktiviert wird.
Gemäß noch weiteren Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass das Anlegen von Leistung an die N Substrate gestoppt wird; und das Anlegen von Leistung an P andere der M Substrate gestartet wird, um die P Substrate zu erwärmen, nachdem die N Substrate eine vorbestimmte Temperatur erreichen, wobei P eine ganze Zahl kleiner als M ist.
Gemäß noch weiteren Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass Leistung an ein erstes der M Substrate angelegt wird, wobei N Eins ist; das Anlegen von Leistung an das erste gestoppt wird; und das Anlegen von Leistung an ein zweites der M Substrate gestartet wird, wenn eine Temperatur des ersten eine Schwellentemperatur erreicht.
Gemäß noch weiteren Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass Leistung an jedes der M Substrate nacheinander angelegt wird, wobei N Eins ist; und das Anlegen von Leistung an jedes Substrat gestoppt wird, wenn eine Temperatur des Substrats während der vorbestimmten Periode eine Schwellentemperatur erreicht. Gemäß noch weiteren Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass Leistung an die N Substrate für eine vorbestimmte Periode angelegt wird.
Gemäß noch weiteren Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass M elektrisch beheizte Substrate bereitgestellt werden, die ein einen elektrischen Widerstand aufweisendes Substrat aufweisen, das Wärme erzeugt, wenn Leistung angelegt wird. Gemäß noch weiteren Merkmalen umfasst das Katalysatormaterial ein Drei-Wege-Katalysatormaterial.
Gemäß noch weiteren Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass P nicht elektrisch beheizte Substrate bereitgestellt werden, die mit dem Katalysatormaterial beschichtet und in Reihe mit den M elektrisch beheizten Substraten angeordnet sind, und die das Abgas der Maschine aufnehmen, wobei P eine ganze Zahl größer als oder gleich Eins ist. Gemäß noch weiteren Merkmalen ist M Drei oder größer und N ist Eins.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgend vorgesehenen detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Offenbarung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Hybridfahrzeugsystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine beispielhafte segmentierte perspektivische Schnittansicht einer Katalysatoranordnung mit einer Mehrzahl elektrisch beheizter Katalysatoren (EHCs) gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung ist;
3 ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Maschinensteuermoduls gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung ist; und
4 ein Flussdiagramm ist, das beispielhafte Schritte zeigt, die durch das Maschinensteuermodul gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Offenbarung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen zur Identifizierung ähnlicher Elemente verwendet worden. Die hier verwendete Formulierung ”zumindest eines aus A, B und C” sei so zu verstehen, 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 ausgeführt werden können, ohne die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu ändern.
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.
Ein Hybridfahrzeug umfasst eine Maschine und einen oder mehrere Elektromotoren, die einen Fahrtdrehmomentausgang an Räder des Fahrzeugs steuern. In einigen Fällen ist die Maschine deaktiviert und der Drehmomentausgang an die Räder wird durch den einen oder die mehreren Elektromotoren gesteuert. Die Maschine kann auch deaktiviert werden, um beispielsweise die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs zu steigern.
Ein Abgassystem, das Abgas aufnimmt, das von der Maschine ausgegeben wird, umfasst eine Mehrzahl elektrisch beheizter Katalysatoren (EHCs). Die EHCs umfassen ein Katalysatormaterial, das mit verschiedenen Komponenten des Abgases reagiert, um die Menge an bestimmten Komponenten des Abgases zu reduzieren. Das Katalysatormaterial der EHCs reagiert jedoch mit den bestimmten Komponenten des Abgases bei Temperaturen bei oder oberhalb einer vorbestimmten (d. h. Schwellen-)Temperatur, wie 300°C. Wenn die Maschine deaktiviert ist, kann die Temperatur der EHCs unter die Schwellentemperatur fallen.
Demgemäß wird sequentiell Leistung an einen elektrischen Widerstand aufweisende Substrate der EHCs angelegt, um die Katalysatoren der EHCs auf oder über die Schwellentemperatur zu erwärmen, während die Maschine deaktiviert ist. Leistung wird angelegt, um die EHCs zu erwärmen, einen EHC nach dem anderen. Das Erwärmen einer Mehrzahl kleinerer EHCs nacheinander anstatt eines einzelnen großen EHC verringert die Periode, die notwendig ist, um die Temperatur des Katalysators auf die vorbestimmte Temperatur zu erhöhen. Ähnlicherweise verringert das sequentielle Erwärmen eines EHC nach dem anderen anstatt aller der EHCs die Periode, die notwendig ist, um die Temperatur zu erhöhen. Die Implementierung von mehr als einem kleineren EHC anstatt des einzelnen größeren EHC sieht auch eine gleichförmigere Erwärmung vor und ermöglicht einen Abzug einer geringeren Menge an Leistung, um die EHCs auf die vorbestimmte Temperatur zu erwärmen.
Nun Bezug nehmend auf 1 ist ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Hybridfahrzeugsystems 100 dargestellt. Das Hybridfahrzeugsystem 100 umfasst eine Maschine 102, die ein Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennt, um Antriebsmoment auf Grundlage eines Fahrereingabemoduls 104 zu erzeugen. Luft wird in einen Ansaugkrümmer 110 durch ein Drosselventil 112 gezogen. Nur beispielhaft kann das Drosselventil 112 ein Klappenventil aufweisen, das einen drehbaren Flügel aufweist. Ein Maschinensteuermodul (ECM) 114 kann ein Drosselaktuatormodul 116 steuern, das ein Öffnen des Drosselventils 112 reguliert, um die Menge an Luft, die in den Ansaugkrümmer 110 gezogen wird, zu steuern.
Luft von dem Ansaugkrümmer 110 wird in Zylinder der Maschine 102 gezogen. Während die Maschine 102 mehrere Zylinder aufweisen kann, ist zu Veranschaulichungszwecken ein einzelner repräsentativer Zylinder 118 gezeigt. Nur beispielhaft kann die Maschine 102 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und/oder 12 Zylinder aufweisen.
Luft von dem Ansaugkrümmer 110 wird in den Zylinder 118 durch ein Ansaugventil 122 gezogen. Das ECM 114 steuert ein Kraftstoffaktuatormodul 124, das eine Kraftstoffinjektion reguliert, um ein gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen. Kraftstoff kann in den Ansaugkrümmer 110 an einer zentralen Stelle oder an mehreren Stellen injiziert werden, wie nahe dem Ansaugventil von jedem der Zylinder. Bei verschiedenen Implementierungen, die in 1 nicht gezeigt sind, kann Kraftstoff direkt in die Zylinder oder in Mischkammern, die den Zylindern zugeordnet sind, injiziert werden.
Der injizierte Kraftstoff mischt sich mit Luft und erzeugt ein 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 ECM 114 kann ein Zündfunkenaktuatormodul 126 eine Zündkerze 128 in dem Zylinder 118 ansteuern, die das Luft/Kraftstoff-Gemisch zündet. Der Zündzeitpunkt des Zündfunkens kann relativ zu der Zeit festgelegt sein, wenn sich der Kolben an seiner obersten Position befindet, die als oberer Totpunkt (OT) bezeichnet ist. Bei Diesel- und Kompressionszündungsmaschinen kann die Kompression durch den Kolben das Luft/Kraftstoff-Gemisch zünden.
Das Zündfunkenaktuatormodul 126 kann durch ein Zündzeitpunktsignal gesteuert werden, das angibt, wie weit vor oder nach dem OT der Zündfunken vorgesehen werden sollte. Der Betrieb des Zündfunkenaktuatormoduls 126 kann daher mit einer Kurbelwellenrotation synchronisiert werden.
Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches treibt den Kolben abwärts, wodurch eine rotierende Kurbelwelle (nicht gezeigt) angetrieben wird. Der Kolben beginnt dann, sich wieder aufwärts zu bewegen, und treibt die Nebenprodukte der Verbrennung durch ein Abgasventil 130. Die Nebenprodukte der Verbrennung werden von dem Hybridfahrzeug über ein Abgassystem 134 ausgetragen.
Das Abgassystem 134 umfasst eine Katalysatoranordnung 136. Die Katalysatoranordnung 136 umfasst eine Mehrzahl elektrisch beheizter Katalysatoren (EHCs). Die Katalysatoranordnung 136 kann einen oder mehrere nicht elektrisch beheizte Katalysatoren aufweisen. Die Katalysatoranordnung 136 ist nachfolgend detailliert beschrieben. Ein Heizungsaktuatormodul 138 legt selektiv Leistung an einen oder mehrere EHCs auf Grundlage von Signalen von dem ECM 114 an.
Abgas verlässt die Maschine 102 durch das Abgasventil 130 und tritt in das Abgassystem 134 ein. Ein Temperatursensor 144 kann eine Temperatur des Abgases messen, bevor das Abgas in die Katalysatoranordnung 136 eintritt. Ein zweiter Temperatursensor 146 kann eine Temperatur des Abgases messen, nachdem das Abgas die Katalysatoranordnung 136 verlassen hat. Andere Temperatursensoren (nicht gezeigt) können Abgastemperaturen zwischen den Temperatursensoren 144 und 146 und an verschiedenen Stellen in dem Abgassystem 134 messen. Nur beispielhaft können mehrere Temperatursensoren Katalysatortemperaturen an mehreren Stellen messen. Die Abgastemperaturen können durch das ECM 114 auf Grundlage vorbestimmter Tabellen und/oder gemessener Temperaturen modelliert werden. Das ECM 114 kann die Katalysatortemperaturen modellieren.
Das ECM 114 kann Signale von verschiedenen Sensoren verwenden, um Steuerentscheidungen für das Hybridfahrzeugsystem 100 zu treffen. Das ECM 114 steuert auch einen Betrieb der Maschine 102 und des Drehmomentausgangs der Maschine 102. Das ECM 114 kann mit einem Hybridsteuermodul 196 kommunizieren, um einen Betrieb der Maschine 102 und eines Elektromotors 198 zu koordinieren. Während nur der Elektromotor 198 gezeigt ist, kann das Hybridfahrzeugsystem 100 mehr als einen einzelnen Elektromotor aufweisen.
In einigen Fällen kann der Elektromotor 198 dazu verwendet werden, Antriebsmoment zu erzeugen, das von dem Motor 102 ausgegebenes Drehmoment ergänzt. In anderen Fällen kann die Maschine 102 abgeschaltet (d. h. deaktiviert) werden, um eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Hybridfahrzeugsystems 100 zu steigern. Der Elektromotor 198 liefert Antriebsmoment, wenn die Maschine 102 abgeschaltet ist.
Der Elektromotor 198 kann auch als ein Generator funktionieren. Der Elektromotor 198 kann dazu verwendet werden, elektrische Energie zur Verwendung durch die verschiedenen Komponenten des Hybridfahrzeugsystems 100 und/oder zur Speicherung zu erzeugen. Bei verschiedenen Implementierungen können verschiedene Funktionen des ECM 114 und des Hybridsteuermoduls 196 in ein oder mehrere Module integriert sein.
Das ECM 114 betreibt selektiv das Hybridfahrzeug in einem Verbrennungsmodus. Der Verbrennungsmodus umfasst, dass die Maschine 102 verwendet wird, um Antriebsmoment zu erzeugen. Das ECM 114 betreibt auch selektiv das Hybridfahrzeug in einem elektrischen Modus. Der elektrische Modus umfasst, dass der Elektromotor 198 dazu verwendet wird, Antriebsmoment zu erzeugen. Das ECM 114 kann das Hybridfahrzeug in einem gemischten Modus durch Verwendung sowohl der Maschine 102 als auch des Elektromotors 198 betreiben, um Antriebsmoment zu erzeugen. Das ECM 114 kann den Betriebsmodus auf Grundlage eines gewünschten Drehmomentausgangs, der auf einer Fahrereingabe basieren kann, wählen.
Nun Bezug nehmend auf 2 ist eine beispielhafte segmentierte perspektivische Schnittansicht der Katalysatoranordnung 136 gezeigt. Die Katalysatoranordnung 136 kann ein Gehäuse 202 aufweisen, das mit dem Abgassystem 134 gekoppelt ist, um von der Maschine 102 ausgegebenes Abgas aufzunehmen. Die Katalysatoranordnung 136 nimmt von der Maschine 102 ausgegebenes Abgas an einem Einlass 204 auf.
Eine Mehrzahl elektrisch beheizter Katalysatoren (EHCs) sind in dem Gehäuse 202 der Katalysatoranordnung 136 implementiert. Nur beispielhaft zeigt 2 drei EHCs 206, 208 und 210. Während die drei EHCs 206 bis 210 beschrieben und gezeigt sind, kann die Katalysatoranordnung 136 zwei oder mehr EHCs aufweisen. Nur beispielhaft kann die Anzahl von EHCs, die in einem Fahrzeug implementiert sind, auf einer Batterielast, einer Last an dem Elektromotor 198, einem elektrischen Ausgang der Lichtmaschine/des Generators und/oder anderen elektrischen Komponenten basieren, die einem elektrischen System des Fahrzeugs zugeordnet sind.
Jeder der EHCs 206–210 umfasst ein Substrat, wie Cordierit, Aluminium und/oder ein anderes geeignetes Material. Die Substrate können in einer Wabenanordnung oder in einer anderen geeigneten Anordnung geformt sein. Auf jedes der Substrate der EHCs 206–210 ist ein Katalysator aufgebracht. Der Katalysator kann beispielsweise Platin, Rhodium und/oder einen anderen Drei-Wege-Katalysator aufweisen. Der Katalysator reagiert mit verschiedenen Komponenten des Abgases, um die Menge dieser Komponenten in dem Abgas zu reduzieren.
Eine Mehrzahl nicht elektrisch beheizter Katalysatoren kann auch in dem Gehäuse 202 der Katalysatoranordnung 136 implementiert sein. Nur beispielhaft kann die Katalysatoranordnung 136 vier passive Drei-Wege-Katalysatoren (TWCs) 212, 214, 216 und 218 aufweisen. Während die vier TWCs 212–218 beschrieben und gezeigt sind, kann die Katalysatoranordnung 136 eine beliebige Anzahl nicht elektrisch beheizter Katalysatoren aufweisen. Alternativ dazu braucht die Katalysatoranordnung 136 keine nicht elektrisch beheizten Katalysatoren aufweisen. Jeder der TWCs 212–218 umfasst auch ein Substrat, wie Cordierit, Aluminium und/oder ein anderes geeignetes Substrat. Diese Substrate können auch in einer Wabenanordnung oder in einer anderen geeigneten Anordnung geformt sein.
Es ist auch ein Katalysator auf jedes der Substrate der TWCs 212–218 aufgetragen. Der Katalysator kann beispielsweise Platin, Rhodium und/oder einen anderen geeigneten Drei-Wege-Katalysator aufweisen. Bei einigen Implementierungen ist derselbe Drei-Wege-Katalysator auf sowohl die TWCs 212–218 als auch die EHCs 206–210 aufgetragen. Der Katalysator der TWCs 212–218 reagiert auch mit verschiedenen Komponenten des Abgases, um die Menge dieser Komponenten in dem Abgas zu reduzieren.
Jeder der EHCs 206–210 ist von jedem der TWCs 212–218 getrennt. Mit anderen Worten ist zwischen jedem der EHCs 206–210 und der TWCs 212–218 eine Pufferzone vorgesehen. Wenn keine TWCs vorhanden sind, können die Pufferzonen zwischen jedem der EHCs 206–210 vorgesehen sein. Beispielhafte Pufferzonen zwischen den EHCs 206–210 und den TWCs 212–218 sind durch Pufferzonen 220 dargestellt. Die Pufferzonen 220 können implementiert sein, um beispielsweise eine elektrische Erdung der EHCs 206–210 zu verhindern.
Die Katalysatoren der EHCs 206–210 und der TWCs 212–218 sind bei der Reaktion mit dem Abgas wirksam, wenn die Temperatur des Katalysators größer als die Schwellentemperatur (beispielsweise 300°C) ist. Das Heizungsaktuatormodul 136 legt selektiv Leistung an die EHCs 206–210 auf Grundlage von Signalen von dem ECM 114 an. Das Heizungsaktuatormodul 138 legt Leistung an die EHCs 206–210 über elektrische Verbinder an, die jedem der EHCs 206–210 zugeordnet sind. Nur beispielhaft sind elektrische Verbinder 222 und 224 dem EHC 206 zugeordnet. Elektrische Verbinder 226 und 228 sind dem EHC 208 zugeordnet, und elektrische Verbinder 230 und 232 sind dem EHC 210 zugeordnet.
Leistung wird an jeden der EHCs 206, 208 und 210 über die zugeordneten elektrischen Verbinder 222, 226 bzw. 230 angelegt. Die Leistung kann beispielsweise durch eine Energiespeichervorrichtung (beispielsweise eine Batterie) und/oder eine andere geeignete Leistungsquelle geliefert werden. Leistung fließt durch Substrate der EHCs 206, 208 und 210 zu den elektrischen Verbindern 224, 228 bzw. 232. Die elektrischen Verbinder 224, 228 und 232 sind mit einer Massequelle 234 elektrisch verbunden, wie einer Massequelle, die üblich für die Energiequelle ist. Die Substrate sehen einen elektrischen Widerstand vor und funktionieren als einen elektrischen Widerstand aufweisende Heizungen, die Wärme erzeugen, wenn Leistung angelegt wird.
Das Anlegen von Leistung an die Substrate der EHCs 206–210 bewirkt die Erzeugung von (Widerstands-)Wärme der EHCs 206–210. Das ECM 114 legt selektiv Leistung an die EHCs 206–210 an, wenn die Maschine 102 deaktiviert (d. h. abgeschaltet) ist und der Elektromotor 198 aktiviert ist (d. h. Drehmoment ausgibt). Mit anderen Worten legt das ECM 114 selektiv Leistung an die EHCs 206–210 während des Betriebs in dem elektrischen Modus an.
Das Heizungsaktuatormodul 138 legt sequentiell die Leistung an jeden der EHCs 206–210 nacheinander an. Nur beispielhaft kann das Heizungsaktuatormodul 138 Leistung an einen ersten EHC, wie den EHC 206 anlegen. Wenn die Temperatur des ersten EHC größer als oder gleich der Schwellentemperatur (beispielsweise 300°C) ist, kann das Heizungsaktuatormodul 138 das Anlegen von Leistung an den ersten EHC stoppen und das Anlegen von Leistung an einen zweiten EHC, wie den EHC 208, beginnen. Jeder EHC 206–210 steigt mit einer schnelleren Rate auf die Schwellentemperatur, als wenn gleichzeitig mehr als einer der EHC 206–210 erwärmt wird. Das Heizungsaktuatormodul 138 kann eine vorbestimmte Leistungsmenge an jeden der EHCs 206–210 anlegen. Die vorbestimmte Leistungsmenge kann auf Grundlage von Charakteristiken der EHCs 206–210 eingestellt sein.
Die Widerstandsaufheizung der EHCs 206–210 auf oder über die Schwellentemperatur ermöglicht eine Reaktion des Katalysators der erwärmten EHCs 206–210 mit Abgas, wenn die Maschine 102 gestartet (d. h. eingeschaltet) ist. Eine Implementierung von mehr als einem kleineren EHC anstatt eines einzelnen größeren EHC verringert die Periode, die notwendig ist, um die Temperatur eines Abschnitts des Katalysators auf die Schwellentemperatur zu erhöhen. Die Implementierung von mehr als einem kleineren EHC anstatt des einzelnen größeren EHC sieht auch eine gleichförmigere Erwärmung vor und ermöglicht einen Abzug einer geringeren Leistungsmenge, um die EHCs auf die Schwellentemperatur zu erwärmen. Kleinere EHCs können auch leichter hergestellt werden, als größere EHCs.
Nun Bezug nehmend auf 3 ist eine beispielhafte Implementierung des ECM 114 gezeigt. Das ECM 114 kann ein Fahrmodusbestimmungsmodul 302 aufweisen, das die Maschine 102 und/oder den Elektromotor 198 auf Grundlage einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Fahrereingabe und/oder eines Soll-Drehmoments aktiviert. Ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (nicht gezeigt), wie ein Raddrehzahlsensor, kann die Geschwindigkeit des Fahrzeugs messen. Ein Soll-Drehmomentmodul 304 kann das Soll-Drehmoment auf Grundlage der Fahrereingabe und anderer Maschinensystemsignale bestimmen.
Wenn die Maschine 102 aktiviert ist, kann das ECM 114 Aktuatorventile steuern, um Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Nur beispielhaft kann das ECM 114 das Drosselaktuatormodul 116, das Zündfunkenaktuatormodul 126 und/oder das Kraftstoffaktuatormodul 124 steuern, wenn die Maschine 102 aktiviert ist. Wenn der Elektromotor 198 aktiviert ist, kann das Hybridsteuermodul 196 den Elektromotor 198 steuern, um Antriebsdrehmoment zu erzeugen.
Das ECM 114 kann ein Katalysatorauswahlmodul 306 aufweisen, das bestimmt, welcher der EHCs 206–210 erwärmt werden soll, wenn der Elektromotor 198 aktiviert ist und die Maschine 102 deaktiviert ist. Das Katalysatorauswahlmodul 306 kann bestimmen, jeden EHC nacheinander zu erwärmen. Alternativ dazu kann die Anzahl von EHCs 206–210, die gleichzeitig erwärmt werden, auf einer elektrischen Last des Hybridfahrzeugsystems 100 basieren.
Ein Modul 308 zur Bestimmung der elektrischen Last kann die elektrische Last an dem Hybridfahrzeugsystem 100 auf Grundlage der elektrischen Last des Elektromotors 198 und anderer elektrischer Lasten bestimmen. Das Hybridsteuermodul 196 kann die elektrische Last des Elektromotors 198 auf Grundlage der Leistungsabgabe des Elektromotors 198 bestimmen.
Das ECM 114 kann ein Heizungssteuermodul 310 aufweisen, das die Energiemenge bestimmt, die durch das Heizungsaktuatormodul 138 angelegt werden soll, um jeden EHC auf die Schwellentemperatur zu erwärmen. Die Energiemenge kann auf der Temperatur jedes EHC basieren. Ein Temperaturbestimmungsmodul 312 kann jede EHC-Temperatur auf Grundlage einer gemessenen Abgastemperatur bestimmen. Nur beispielhaft können Temperatursensoren 144 und 146 zur Bestimmung der EHC-Temperatur verwendet werden. Die EHC-Temperatur kann auf Grundlage eines Abgastemperaturmodells bestimmt werden, das durch ein Abgastemperaturmodellmodul 314 erzeugt wird. Das Abgastemperaturmodell kann auf der IAT, dem MAF, der Kraftstoffbelieferung und/oder den gemessenen Abgastemperaturen basieren.
Wenn der Elektromotor 198 aktiviert ist und die Maschine 102 deaktiviert ist, kann das Katalysatorauswahlmodul 306 bestimmen, welcher der EHCs durch das Heizungsaktuatormodul 138 erwärmt werden soll. Das Heizungssteuermodul 310 kann die Menge an Energie, die an jeden EHC angelegt werden soll, bestimmen. Das Heizungsaktuatormodul 138 heizt die gewählten EHCs so lange, bis jede der EHC-Temperaturen größer als oder gleich der Schwellentemperatur ist.
Nun Bezug nehmend auf 4 zeigt ein Flussdiagramm 400 ein Beispielhaftes Verfahren, das durch das ECM 114 ausgeführt wird. Die Steuerung beginnt bei Schritt 402, wenn die Steuerung bestimmt, ob der elektrische Modus aktiviert ist. Der elektrische Modus kann aktiviert sein, wenn der Elektromotor 198 aktiviert ist. Bei Schritt 404 bestimmt die Steuerung, ob die Maschine 102 deaktiviert (d. h. abgeschaltet) ist. Wenn der elektrische Modus aktiviert ist und die Maschine 102 deaktiviert ist, fährt die Steuerung mit Schritt 406 fort. Bei Schritt 406 wählt die Steuerung einen zu erwärmenden EHC. Nur beispielhaft kann der EHC der EHC 206 sein. Bei Schritt 408 bestimmt die Steuerung die EHC-Temperatur.
Bei Schritt 410 bestimmt die Steuerung die Leistung, die angelegt werden soll, um die EHC-Temperatur auf die Schwellentemperatur zu erhöhen, auf Grundlage der EHC-Temperatur. Bei Schritt 412 legt die Steuerung die Leistung an, um den EHC auf die Schwellentemperatur zu erwärmen. Bei Schritt 414 vergleicht die Steuerung die EHC-Temperatur mit der Schwellentemperatur. Wenn die EHC-Temperatur kleiner als die Schwellentemperatur ist, setzt die Steuerung eine Erwärmung des EHC fort. Wenn die EHC-Temperatur größer als oder gleich der Schwellentemperatur ist, kann die Steuerung ein Anlegen von Leistung an den EHC stoppen und mit Schritt 416 fortfahren.
Bei Schritt 416 bestimmt die Steuerung, ob alle der EHCs erwärmt worden sind. Nur beispielhaft kann die Steuerung einen Zähler aufweisen, der inkrementiert, wenn jeder EHC auf die Schwellentemperatur erwärmt worden ist. Wenn der Zählerwert größer als oder gleich der Anzahl von EHCs ist, kann die Steuerung enden. Alternativ dazu kann die Steuerung mit der Beibehaltung der EHC-Temperaturen bei der Schwellentemperatur fortfahren. Wenn einer oder mehrere EHCs nicht erwärmt worden sind, kehrt die Steuerung zu Schritt 402 zurück.
Der Fachmann kann nun aus der vorhergehenden Beschreibung erkennen, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen implementiert sein können. Daher sei, während diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen derselben beschrieben worden ist, der wahre Schutzumfang der Erfindung nicht so beschränkt, da andere Abwandlungen dem Fachmann nach einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich werden.
Bezugszeichenliste
Fig. 1

104: Fahrereingabemodul
196: Hybridsteuermodul
198: Elektromotor
114: Maschinensteuermodul
116: Drosselaktuatormodul
124: Kraftstoffaktuatormodul
126: Zündfunkenaktuatormodul
138: Heizungsaktuatormodul

198: Elektromotor
196: Hybridsteuermodul
114: Maschinensteuermodul
138: Heizungsaktuatormodul

104: Fahrereingabemodul
302: Fahrmodusbestimmungsmodul
304: Soll-Drehmomentmodul
308: Modul zur Bestimmung der elektrischen Last
306: Katalysatorauswahlmodul
314: Abgastemperaturmodellmodul
312: Temperaturbestimmungsmodul
310: Heizungssteuermodul
196: Hybridsteuermodul
138: Heizungsaktuatormodul

402: Elektromotor aktiviert?
404: Maschine deaktiviert?
406: Wähle zu erwärmenden EHC
408: Bestimme EHC-Temperatur
410: Bestimme Leistung zur Erwärmung des EHC auf Grundlage der EHC-Temperatur
412: Wende Leistung zur Erwärmung des EHC auf Schwellentemperatur an
414: EHC-Temperatur ≥ Schwellentemperatur?
416: Alle EHCs erwärmt?

Claims

Abgasbehandlungssystem, umfassend: M elektrisch beheizte Substrate, die mit einem Katalysatormaterial beschichtet sind und die in Reihe angeordnet sind, um Abgas einer Maschine aufzunehmen, wobei M eine ganze Zahl größer als Eins ist; und ein Heizungssteuermodul, das Leistung an N der M Substrate anlegt, um die N Substrate während einer vorbestimmten Periode zu erwärmen, wobei N eine ganze Zahl kleiner als M ist, wobei während der vorbestimmten Periode die Maschine abgeschaltet ist und die M elektrisch beheizten Substrate kein Abgas aufnehmen.
System nach Anspruch 1, wobei die Maschine während der vorbestimmten Periode deaktiviert ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Heizungssteuermodul das Anlegen von Leistung an die N Substrate stoppt und das Anlegen von Leistung an P andere der M Substrate startet, um die P Substrate zu erwärmen, nachdem die N Substrate eine vorbestimmte Temperatur erreichen, wobei P eine ganze Zahl kleiner als M ist.
System nach Anspruch 1, wobei N Eins ist und das Heizungssteuermodul Leistung an ein erstes der M Substrate anlegt, und wobei das Heizungssteuermodul das Anlegen von Leistung an das erste stoppt und das Anlegen von Leistung an ein zweites der M Substrate startet, wenn eine Temperatur des ersten eine Schwellentemperatur erreicht.
System nach Anspruch 1, wobei N Eins ist und das Heizungssteuermodul Leistung an jedes der M Substrate nacheinander anlegt, und wobei das Heizungssteuermodul das Anlegen von Leistung an jedes Substrat stoppt, wenn eine Temperatur des Substrats während der vorbestimmten Periode eine Schwellentemperatur erreicht.
System nach Anspruch 1, wobei das Heizungssteuermodul Leistung an die N Substrate für eine vorbestimmte Periode anlegt.
System nach Anspruch 1, wobei jedes der M elektrisch beheizten Substrate ein einen elektrischen Widerstand aufweisendes Substrat aufweist, das Wärme erzeugt, wenn das Heizungssteuermodul Leistung anlegt.
System nach Anspruch 1, wobei das Katalysatormaterial ein Drei-Wege-Katalysatormaterial umfasst.
System nach Anspruch 1, ferner mit P nicht elektrisch beheizten Substraten, die mit dem Katalysatormaterial beschichtet und in Reihe mit den M elektrisch beheizten Substraten angeordnet sind und die das Abgas der Maschine aufnehmen, wobei P eine ganze Zahl größer als oder gleich Eins ist.
System nach Anspruch 1, wobei M Drei oder größer und N Eins ist.