DE102011013401B4

DE102011013401B4 - System für gezielte Partikelmaterialfilterregeneration

Info

Publication number: DE102011013401B4
Application number: DE102011013401A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Gonze; Halim G. Santoso; Michael J. Paratore Jr.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: CN102191981A; DE102011013401A1; CN102191981B; US8464523B2; US20110219752A1

Abstract

Regenerationssystem, umfassend: einen Partikelmaterial-(PM-)Filter, der ein stromaufwärtiges Ende umfasst, um ein Abgas von einem Motor aufzunehmen; eine Luftzuleitung, die Umgebungsluft an eine erste Abgasleitung stromaufwärts von dem PM-Filter lenkt; und ein Steuermodul, das: ein gegenwärtiges Rußbeladungsniveau des PM-Filters bestimmt; und den Motor in einem fetten Modus betreibt und/oder eine Luftpumpe der Luftzuleitung aktiviert, wenn das gegenwärtige Rußbeladungsniveau größer als ein vorbestimmtes Rußbeladungsniveau ist, wobei die Luftzuleitung umfasst: ein Luftventil; eine erste Luftleitung, die zwischen einem Abgaskrümmer und dem Luftventil verbunden ist; eine zweite Luftleitung, die zwischen der Luftpumpe und dem Luftventil verbunden ist; und eine dritte Luftleitung, die zwischen dem Luftventil und der ersten Abgasleitung verbunden ist.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Regeneration von Partikelmaterialfiltern eines Abgassystems.
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.
Motoren erzeugen Partikelmaterial (PM), das von Abgas durch einen PM-Filter gefiltert wird. Der PM-Filter ist in einem Abgassystem des Motors angeordnet. Der PM-Filter reduziert eine Emission von PM, das während der Verbrennung erzeugt wird. Mit der Zeit wird der PM-Filter voll. Während der Regeneration kann das PM in dem PM-Filter verbrannt werden. Die Regeneration kann eine Erwärmung des PM-Filters auf eine Verbrennungstemperatur des PM betreffen. Es existieren verschiedene Wege zur Ausführung einer Regeneration, einschließlich einer Modifikation des Motormanagements, der Verwendung eines Kraftstoffbrenners, der Verwendung einer katalytischen Oxidationseinrichtung zur Erhöhung der Abgastemperatur mit Nachinjektion von Kraftstoff, die Verwendung von Widerstandsheizspulen und/oder die Verwendung von Mikrowellenenergie.
Als ein Beispiel kann ein Abgassystem einen Drei-Wege-Katalysatorwandler (TWC von engl.: ”three-way catalyst converter”), einen Oxidationskatalysator (OC von engl.: ”oxidation catalyst”) und einem Partikelmaterial-(PM-)Filter aufweisen, der stromabwärts von einem Motor angeordnet ist. Abgas von dem Motor gelangt durch den TWC, gefolgt durch den OC und wird dann durch den PM-Filter gefiltert. Der TWC reduziert Stickoxide NOx, oxidiert Kohlenmonoxid (CO) und oxidiert nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und flüchtige organische Verbindungen. Der OC oxidiert CO, das in dem von dem TWC empfangenen Abgas verbleibt.
Ausgehend von dem obigen Beispiel kann der Zündfunken des Motors nach spät verstellt werden, um den Motor und somit das Abgassystem aufzuwärmen, um eine Regeneration des PM-Filters auszulösen. Infolgedessen wird eine große Masse erwärmt, die den Motor, den TWC, den OC und den PM-Filter aufweist. Die Masse kann auf eine PM-Verbrennungstemperatur von beispielsweise 600 bis 750°C erwärmt werden. Die erhöhten Temperaturen der Abgassystemkomponenten können die Betriebslebensdauer des TWC und/oder des OC verringern. Auch ist eine erhöhte Menge an Kraftstoff erforderlich, um diese Erwärmung bereitzustellen.
Herkömmliche Systeme für die Regeneration von Partikelmaterialfiltern sind in den Druckschriften DE 10 2005 062 398 A1 und US 2007/0 175 208 A1 beschrieben. Die Druckschrift US 4 178 755 A beschreibt eine Luftzuleitung für das Abgassystem eines Verbrennungsmotors.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein Regenerationssystem vorgesehen, das einen Partikelmaterial-(PM-)Filter aufweist. Der PM-Filter besitzt ein stromaufwärtiges Ende, das ein Abgas von einem Motor aufnimmt. Eine Luftzuleitung lenkt Umgebungsluft an eine erste Abgasleitung stromaufwärts von dem PM-Filter. Ein Steuermodul bestimmt ein gegenwärtiges Rußbeladungsniveau des PM-Filters. Das Steuermodul betreibt auch den Motor in einem fetten Modus und/oder aktiviert eine Luftpumpe der Luftzuleitung, wenn das gegenwärtige Rußbeladungsniveau größer als ein vorbestimmtes Rußbeladungsniveau ist. Die Luftzuleitung umfasst erfindungsgemäß ein Luftventil, eine erste Luftleitung, die zwischen einem Abgaskrümmer und dem Luftventil verbunden ist, eine zweite Luftleitung, die zwischen der Luftpumpe und dem Luftventil verbunden ist, und eine dritte Luftleitung, die zwischen dem Luftventil und der ersten Abgasleitung verbunden ist.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorgesehenen Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die Beschreibung und spezifische Beispiele nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung auf irgendeine Weise einzuschränken.
1 ist ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Motorsystems, das ein Regenerationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält;
2 ist ein Funktionsblockschaubild eines anderen Motorsystems und eines entsprechenden Regenerationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine Thermoansicht eines Motors und eines entsprechenden Abgassystems;
4 ist eine Thermoansicht des Motors und des entsprechenden Abgassystems von 3, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeiten;
5 ist ein Abgasdiagramm einer exothermen Reaktion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
6A und 6B sind ein logisches Flussschaubild, die Kaltstart- und Regenerationsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Offenbarung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Zu Zwecken der Klarheit sind in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen zur Identifizierung ähnlicher Elemente verwendet. 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” kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und/oder Speicher (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen, betreffen, Teil davon sein oder umfassen.
In 1 ist ein beispielhaftes Motorsystem 10, das ein Regenerationssystem 12 aufweist, schematisch gezeigt. Das Regenerationssystem 12 zielt auf einen Partikelmaterial-(PM-)Filter 14 eines Abgassystems 16 während einer Regeneration durch direktes Erwärmen des PM-Filters 14 auf eine Regenerationstemperatur ab. Das Erwärmen des PM-Filters 14 wird ohne Erhöhung der Temperaturen eines Motors 18 und/oder Komponenten des Abgassystems 16 stromaufwärts von dem PM-Filter 14 über normale Betriebstemperaturen durchgeführt (beispielsweise 93 bis 121°C für einen Motor und 200 bis 300°C für Abgassystemkomponenten stromaufwärts von einem PM-Filter). Obwohl das Motorsystem 10 als ein funkengezündeter Motor gezeigt ist, ist das Motorsystem 10 als ein Beispiel vorgesehen. Das Regenerationssystem 12 kann an verschiedenen anderen Motorsystemen implementiert sein, wie Dieselmotorsystemen.
Das Motorsystem 10 umfasst den Motor 18, der ein Luft- und Kraftstoffgemisch verbrennt, um Antriebsmoment zu erzeugen. Luft tritt in den Motor 18 durch Strömen durch einen Luftfilter 20 ein. Luft gelangt durch den Luftfilter 20 und kann in einen Turbolader 22 gezogen werden. Der Turbolader 22, wenn enthalten, komprimiert die frische Luft. Je größer die Kompression ist, umso größer ist der Ausgang des Motors 18. Die komprimierte Luft gelangt durch einen Luftkühler 24, wenn enthalten, bevor sie in einen Ansaugkrümmer 26 eintritt.
Luft in dem Ansaugkrümmer 26 wird in Zylinder 28 verteilt. Kraftstoff wird in die Zylinder 28 durch Kraftstoffinjektoren 30 injiziert. Zündkerzen 32 zünden die Luft/Kraftstoff-Gemische in den Zylindern 28. Die Verbrennung der Luft/Kraftstoff-Gemische erzeugt Abgas. Das Abgas verlässt die Zylinder 28 in das Abgassystem 16.
Das Regenerationssystem 12 weist das Abgassystem 16 und ein Steuermodul 40 auf. Das Abgassystem 16 weist das Steuermodul 40, einen Abgaskrümmer 42, einen ersten Drei-Wege-Wandler (TWC) 44, einen 4-Wege-Wandler (FWC) 46 und eine Luftzuleitung 48 auf. Optional dazu rezirkuliert ein AGR-Ventil (nicht gezeigt) einen Anteil des Abgases zurück an den Ansaugkrümmer 26. Der Rest des Abgases wird in den Turbolader 22 geführt, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine unterstützt die Kompression der frischen Luft, die von dem Luftfilter 20 aufgenommen wird. Abgas strömt von dem Turbolader 22 durch den ersten TWC 44 und in den FWC 46.
Der erste TWC 44 reduziert Stickoxide NOx, oxidiert Kohlenmonoxid (CO) und oxidiert nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und flüchtige organische Verbindungen. Der erste TWC 44 oxidiert das Abgas auf Grundlage des Nachverbrennungs-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Das Ausmaß der Oxidation erhöht die Temperatur des Abgases.
Der FWC 46 weist den PM-Filter 14, ein Gehäuse 49, einen Oxidationskatalysator (OC) (eng gekoppelten Katalysator) und/oder einen zweiten TWC 50 auf. Der PM-Filter 14 und der zweite TWC 50 sind in dem Gehäuse 49 angeordnet und besitzen jeweilige stromaufwärtige und stromabwärtige Enden. Der zweite TWC 50 kann in Kontakt mit dem PM-Filter 14 stehen oder kann von dem PM-Filter 14 durch einen Spalt G getrennt sein, um die Strömung von Abgas zwischen dem PM-Filter 14 und dem zweiten TWC 50 zu ändern. Der zweite TWC 50 oxidiert auch CO, das in dem Abgas verbleibt, das von dem ersten TWC 44 aufgenommen wird, um CO₂ zu erzeugen. Der zweite TWC 50 kann auch Stickoxide NOx reduzieren und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und flüchtige organische Verbindungen oxidieren. Der PM-Filter 14 empfängt Abgas von dem zweiten TWC 50 und filtert jegliche Rußpartikel, die in dem Abgas vorhanden sind.
Die Luftzuleitung 48 weist eine erste Luftleitung 60, ein Luftventil 62, eine zweite Luftleitung 64, eine Luftpumpe 65 und eine dritte Luftleitung 66 auf. Die erste Luftleitung 60 ist zwischen dem Abgaskrümmer 42 und dem Luftventil 62 verbunden. Die erste Luftleitung 60 kann direkt mit dem Abgaskrümmer 42 oder einer Abgasleitung stromaufwärts von dem ersten TWC 44 verbunden sein, wie mit einer Abgasleitung 68 zwischen dem Abgaskrümmer 42 und dem Turbo 22 oder mit einer Abgasleitung 70 zwischen dem Turbo 22 und dem ersten TWC 44. Die zweite Luftleitung 64 ist zwischen dem Luftventil 62 und der Luftpumpe 65 verbunden. Die dritte Luftleitung 66 ist zwischen dem Luftventil 62 und dem FWC 46 verbunden. Die dritte Luftleitung 66 kann mit einer Abgasleitung 72 zwischen dem ersten TWC 44 und dem FWC 46 verbunden sein.
Das Luftventil 62 besitzt zwei Betriebspositionen und entsprechende Moden. Während dem ersten Modus befindet sich das Luftventil 62 in einer ersten Position. Der erste Modus kann als ein Kaltstartmodus bezeichnet werden. Im ersten Modus wird Umgebungsluft an die erste Luftleitung 60 unter Verwendung der Luftpumpe 65 geführt. Die Umgebungsluft kann an den Abgaskrümmer 42 und/oder die Abgasventile des Motors 18 geführt werden.
Während des zweiten Modus befindet sich das Luftventil 62 in einer zweiten Position. Die zweite Position kann als ein Regenerationsmodus oder ein fett arbeitender Modus bezeichnet werden. Während des Regenerationsmodus und des fett arbeitenden Modus wird Umgebungsluft an die dritten Luft- und/oder Abgasleitungen 66, 72 unter Verwendung der Luftpumpe 65 geführt.
Das Steuermodul 40 steuert den Motor 18, die Position des Luftventils 62, die Luftpumpe 65 und die PM-Filterregeneration auf Grundlage verschiedener erfasster Information und Rußbeladung. Genauer schätzt das Steuermodul 40 die Beladung des PM-Filters 14. Wenn die geschätzte Beladung sich bei einem vorbestimmten Niveau befindet und/oder der Abgasdurchfluss innerhalb eines gewünschten Bereiches liegt, werden der Betrieb des Motors 18, die Position des Luftventils 62 und der Zustand der Luftpumpe 65 gesteuert, um den Regenerationsprozess auszulösen. Die Dauer des Regenerationsprozesses kann auf Grundlage der geschätzten Menge an PM in dem PM-Filter 14 variiert werden.
Während der Regeneration wird der Motor 18 in dem fetten Modus betrieben, und Umgebungsluft wird an die dritten Luft- und Abgasleitungen 66, 72 geführt, um den zweiten TWC 50 bis zu Regenerationstemperaturen zu erwärmen. Der Betrieb des Motors 18 in dem fetten Modus und das Führen von Umgebungsluft an die dritten Luft- und Abgasleitungen 66, 72 basiert auf einem Zeitgeber 73. Der Zeitgeber 73 kann Teil des Steuermoduls 40 sein oder kann ein separater Zeitgeber sein, wie gezeigt ist. Der Rest des Regenerationsprozesses wird unter Verwendung der Wärme erreicht, die durch das erwärmte Abgas erzeugt wird, das durch den PM-Filter 14 gelangt.
Das obige System kann Sensoren 80 zur Bestimmung von Abgasströmungsniveaus, Abgastemperaturniveaus, Abgasdruckniveaus, Sauerstoffniveaus, Ansaugluftdurchflüssen, Ansaugluftdruck, Ansauglufttemperatur, Motordrehzahl, AGR, etc. aufweisen. Die Abgasströmungssensoren 82, die Abgastemperatursensoren 83, die Abgasdrucksensoren 85, der Sauerstoffsensor 88, ein AGR-Sensor 90, ein Ansaugluftströmungssensor 92, ein Ansaugluftdrucksensor 94, ein Ansauglufttemperatursensor 96 und ein Motordrehzahlsensor 98 sind gezeigt.
Ein erster Abgasströmungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 100 kann mit der ersten Luftleitung 60 und stromaufwärts von dem ersten TWC 44 verbunden sein. Ein zweiter Abgasströmungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 102 kann mit der Abgasleitung 72 und zwischen dem ersten TWC 44 und dem FWC 46 verbunden sein. Ein dritter Abgasströmungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 104 kann mit dem FWC 46 verbunden sein. Der dritte Abgassensor 104 kann beispielsweise eine Temperatur von Abgas in dem Spalt G detektieren. Das Steuermodul 40 kann den Motor 18 und das Abgassystem 16 in dem Kaltstartmodus, dem fetten Modus und dem Regenerationsmodus auf Grundlage der Information von den Sensoren 80 und dem ersten, zweiten und dritten Sensor 100, 102, 104 betreiben.
In 2 ist ein Funktionsblockschaubild eines anderen Motorsystems 10' und eines entsprechenden Regenerationssystems 12' gezeigt. Das Motorsystem 10' kann Teil des Motorsystems 10 sein. Das Regenerationssystem 12' umfasst den Motor 18, ein Abgassystem 16' und eine Luftzuleitung 48'. Der Motor 18 kann beispielsweise ein Otto- oder Dieselmotor sein.
Das Abgassystem 16' weist einen Abgaskrümmer 42', einen ersten TWC 44', eine Abgasleitung 72' und den FWC 46 auf. Die Luftzuleitung 48' weist ein Luftventil 62', eine Luftpumpe 65' und eine erste, zweite und dritte Luftleitung 60', 64', 66' auf.
Das Regenerationssystem 12' weist auch ein Steuermodul 40' auf, das einen Betrieb des Motors 18, des Luftventils 62' und der Luftpumpe 65' auf Grundlage von Information von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Strömungs-, Druck- und/oder Temperaturabgassensor 100, 102, 104, 106 steuert. Der erste Abgassensor 100 ist stromaufwärts des ersten TWC 44' an dem Abgaskrümmer 42' und/oder an einer Abgasleitung 110 zwischen dem Abgaskrümmer 42' und dem ersten TWC 44' verbunden. Der zweite Abgassensor 102 ist mit der Abgasleitung 72' verbunden. Der dritte Abgassensor 104 ist mit dem FWC 46 verbunden. Der vierte Abgassensor 106 ist mit einer Abgasleitung 112 stromabwärts des FWC 46 verbunden.
In 3 ist eine Thermoansicht eines Motors 150 und eines entsprechenden Abgassystems 152 gezeigt. Die Thermoansicht zeigt eine Erwärmung des Motors 150 und des Abgassystems 152 bei einer Ausführung einer Regeneration beispielsweise unter Verwendung einer Zündungsspätverstellung, um einen PM-Filter eines FWC 154 zu erwärmen. Das Abgassystem 152 weist eine linke Seite 156 und eine rechte Seite 158 auf, die jeweilige linke und rechte Abgasleitungen 160, 162 und TWCs 164, 166 aufweisen. Ein Y-förmiges Element 170 ist zwischen den TWCs 164, 166 und dem FWC 154 verbunden.
Um die Temperatur des OC des FWC 154 auf eine Regenerationstemperatur zu erhöhen, wird ein Zündfunken nach spät verstellt und die Kraftstofflieferung an den Motor 150 erhöht. Die gelieferte Kraftstoffmenge wird erhöht, um eine Stöchiometrie aufrecht zu erhalten und eine große Masse zu erwärmen. Die große Masse betrifft den Motor 150, die linke und rechte Seite 156, 158, das Y-förmige Element 170 und den FWC 154. Es wird auch eine Temperatur eines Kühlers 172 erhöht. Das Verfahren von 3, das dazu verwendet wird, die Temperatur des OC des FWC 154 zu erhöhen, ist ineffizient, erhöht Temperaturen von Komponenten stromaufwärts des FWC 154 und reduziert die Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
Techniken zur gezielten PM-Filtererwärmung, die hier beschrieben sind, sehen eine kraftstoffeffiziente Regeneration eines PM-Filters ohne Erhöhung von Temperaturen eines Motors und Abgaskomponenten stromaufwärts eines PM-Filtergehäuses und/oder eines FWC vor. Ein Beispiel von dieser reduzierten Erwärmung ist in 4 gezeigt.
In 4 ist eine Thermoansicht des Motors 150 und des entsprechenden Abgassystems 152 gezeigt, die auf Grundlage eines gezielten PM-Filterverfahrens arbeiten, das hier beschrieben ist. Vor und während der Regeneration wird der FWC 154 auf Regenerationstemperaturen erwärmt. Der FWC 154 kann die einzige Abgaskomponente sein, deren Temperatur auf eine Regenerationstemperatur erhöht wird. Der Motor 150, die linke und rechte Seite 156, 158, die Abgasleitungen 160, 162, die TWCs 164, 166, das Y-förmige Element 170 und der Kühler 172 bleiben bei normalen Betriebstemperaturen. Infolgedessen zielen der FWC 154 und/oder der OC und PM-Filter des FWC 154 auf eine Erhöhung auf Regenerationstemperaturen ab. Auf den FWC 154 kann unter Verwendung der Verfahren der 6A und 6B abgezielt werden, wie nachfolgend beschrieben ist.
In 5 ist ein Abgasdiagramm einer exothermen Reaktion gezeigt. Um eine Regeneration von Partikeln in einem PM-Filter 200 auszulösen, kann ein Motor in dem fetten Modus betrieben werden. Der fette Modus betrifft den Betrieb des Motors bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das fetter als ein stöchiometrisches Verhältnis ist. Sauerstoff in einem Abgassystem wird reduziert, wenn ein Motor in dem fetten Modus betrieben wird. Da das Sauerstoffniveau in dem Abgassystem reduziert ist, wird Umgebungsluft in das Abgassystem gepumpt, um zu ermöglichen, dass der OC 202 in beispielsweise einem FWC CO zu Kohlendioxid (CO₂) umwandelt. Diese Umwandlung bewirkt eine Zunahme der Temperatur des OC 202.
Der OC 202 nimmt von dem Motor thermische Energie und Abgase auf, die Verbrennungsprodukte enthalten, wie Wasserstoff (H₂), Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO). Der OC 202 nimmt auch Sauerstoff (O₂) von einer Luftpumpe auf. Der OC 202 oxidiert das CO und HC und nimmt in der Temperatur zu, was eine beträchtliche exotherme Reaktion auslöst, die zu dem PM-Filter 200 gelangt und entlang des PM-Filters 200 wandert, während PM in dem PM-Filter 200 verbrannt wird. Die Temperatur des OC 202 wird auf eine Regenerationstemperatur erhöht. Ein schnelles Anspringen des Wandlers sieht reduzierte Kaltstartemissionen vor. Dies wird durch die Ziel-PM-Filterausführungsformen vorgesehen, wie hier beschrieben ist.
In den 6A und 6B ist ein logisches Flussdiagramm gezeigt, das Kaltstart- und Regenerationsverfahren zeigt. Obwohl das Verfahren hauptsächlich in Bezug auf die Ausführungsformen der 1, 2, 4 und 5 beschrieben ist, kann das Verfahren auf andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angewendet werden. Das Verfahren kann bei 300 beginnen. Die unten beschriebene Steuerung kann durch eines der Steuermodule 40, 40' der 1 und 2 ausgeführt werden.
Bei 301 werden Sensorsignale erzeugt. Die Sensorsignale können Abgasströmungssignale, Abgastemperatursignale, Abgasdrucksignale, ein Sauerstoffsignal, ein Ansaugluftströmungssignal, ein Ansaugluftdrucksignal, ein Ansauglufttemperatursignal, ein Motordrehzahlsignal, ein AGR-Signal, etc. aufweisen, die durch die oben beschriebenen Sensoren 80 und 100 bis 106 der 1 und 2 erzeugt werden können.
Bei 302 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Temperatur des OC und/oder FWC (beispielsweise der OC des zweiten TWC 50 und FWC 46) T_OC kleiner als eine CO-Exothermtemperatur bzw. Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx (erste vorbestimmte Temperatur) ist. Bei einer Ausführungsform beträgt die Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx 250°C. Bei einer anderen Ausführungsform beträgt die Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx 300°C. Die Temperatur T_OC kann beispielsweise auf Grundlage von Information von dem Abgassensor 104 und/oder unter Verwendung der Gleichungen 1 und 2 bestimmt werden. T_Start ist die Starttemperatur des OC und/oder des FWC. E_AddedMass ist die Masse von beispielsweise CO, H₂ und HC, die dem OC zugeliefert werden. HL ist der Wärmeverlust des OC. K ist eine Konstante. F_E ist die Abgasströmung, die eine Funktion des Luftmassenstroms und der Kraftstoffmenge sein kann, die an Zylinder eines Motors (beispielsweise Zylinder 28) geliefert wird. Der Luftmassenstrom kann durch einen Luftmassensensor bestimmt werden, wie den Ansaugluftströmungssensor 92. T_OC = T_Start + {E_AddedMass – HL} (1) HL = K₂ × F_E × T_Inlet (2)
Die Steuerung fährt mit 304 fort, wenn die gegenwärtige Temperatur T_OC kleiner als die Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx ist, ansonsten fährt die Steuerung mit 310 fort.
Bei 304 ist das Luftventil (beispielsweise das Luftventil 62 oder 62') in der ersten Position für einen Motorkaltstart positioniert. In der ersten Position kann Luft von dem Luftventil an den Abgaskrümmer (beispielsweise den Abgaskrümmer 42 oder 42') gelangen, jedoch nicht von dem Luftventil zu einem Punkt stromabwärts des ersten TWC (beispielsweise dem ersten TWC 44, 44'). Bei 306 wird die Luftpumpe (beispielsweise die Luftpumpe 45 oder 45') aktiviert, um Luft in den Abgaskrümmer zu pumpen.
Bei 308 bestimmt die Steuerung wiederum, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC kleiner als die Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx ist. Die Steuerung fährt mit 310 fort, wenn die gegenwärtige Temperatur T_OC größer oder gleich der Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx ist. Die bei 302 bis 308 ausgeführten Aufgaben ermöglichen eine Zunahme der Temperatur des Abgassystems auf normale Betriebstemperaturen. Dies erhöht schnell Temperaturen der OCs des Abgassystems auf Temperaturen zur Oxidation. Die Luftpumpe kann deaktiviert werden, wenn die gegenwärtige Temperatur T_OC größer oder gleich der Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx ist.
Bei 310 schätzt die Steuerung durch ein vorhersagendes Verfahren, etc. eine Rußbeladung des PM-Filters (beispielsweise des PM-Filters 14) aus Parametern, wie Fahrzeugfahrleistung, Abgasdruck, Abgasdruckabfall über dem PM-Filter, etc. Die Fahrleistung betrifft eine Fahrzeugfahrleistung, die etwa der Betriebszeit des Fahrzeugmotors und/oder der Menge an erzeugtem Abgas entspricht oder dazu verwendet werden kann, die Betriebszeit des Fahrzeugmotors und/oder die Menge an erzeugtem Abgas zu schätzen. Als ein Beispiel kann eine Regeneration ausgeführt werden, wenn ein Fahrzeug etwa 200 bis 300 Meilen gefahren ist. Die Menge an erzeugtem Ruß hängt von dem Fahrzeugbetrieb über die Zeit ab. Bei Leerlaufdrehzahlen wird weniger Ruß erzeugt, als bei Betrieb mit Reisegeschwindigkeiten. Die Menge an erzeugtem Abgas ist dem Zustand der Rußbeladung in dem PM-Filter zugeordnet.
Der Abgasdruck kann dazu verwendet werden, die Menge an Abgas zu schätzen, die über eine Zeitperiode erzeugt wird. Wenn ein Abgasdruck ein vorbestimmtes Niveau überschreitet oder wenn ein Abgasdruck unter ein vorbestimmtes Niveau abfällt, kann eine Regeneration ausgeführt werden. Wenn beispielsweise ein Abgasdruck, der in einen PM-Filter eintritt, ein vorbestimmtes Niveau überschreitet, kann eine Regeneration ausgeführt werden. Als ein anderes Beispiel kann, wenn ein einen PM-Filter verlassender Abgasdruck unterhalb eines vorbestimmten Niveaus liegt, eine Regeneration ausgeführt werden.
Ein Abgasdruckabfall kann dazu verwendet werden, die Menge an Ruß in einem PM-Filter zu schätzen. Beispielsweise steigt, wenn der Druckabfall zunimmt, die Menge an Rußbeladung. Der Abgasdruckabfall kann dadurch bestimmt werden, dass ein Druck von Abgas, der in einen PM-Filter eintritt, minus einem Druck von Abgas, der den PM-Filter verlässt, bestimmt wird. Abgassystemdrucksensoren können dazu verwendet werden, diese Drücke bereitzustellen.
Das vorhersagende Verfahren kann die Bestimmung von einem oder mehreren Motorbetriebszuständen umfassen, wie Motorlast, Kraftstofflieferschemata (Muster, Volumen, etc.), Kraftstoffinjektionszeitsteuerung und AGR sowie ein Abgasrückführungs-(AGR-)Niveau. Ein kumulativer Gewichtungsfaktor kann auf Grundlage der Motorbedingungen verwendet werden. Der kumulative Gewichtungsfaktor steht mit der Rußbeladung in Verbindung. Wenn der kumulative Gewichtungsfaktor eine Schwelle überschreitet, kann eine Regeneration ausgeführt werden.
Bei 312 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Rußbeladung S_l größer als eine Rußbeladungsschwelle S_t ist. Die Steuerung fährt mit 316 fort, wenn die gegenwärtige Rußbeladung S_l größer als die geringere Schwelle S_t ist, ansonsten fährt die Steuerung mit 314 fort. Bei 314 kann die Steuerung die Luftpumpe deaktivieren, wenn sie nach 308 nicht deaktiviert wurde. Bei 316 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC größer als oder gleich der Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx ist. Die Steuerung fährt mit 318 fort, wenn die gegenwärtige Temperatur T_OC größer als oder gleich der Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx ist. Die Steuerung ermöglicht ein Erwärmen des OC und/oder FWC auf die Temperatur der exothermen CO-Reaktion T_COEx durch normalen Betrieb des Motors (beispielsweise Betrieb in dem stöchiometrischen Modus) und Abgassystems (beispielsweise ist die Luftpumpe deaktiviert).
Bei 318 betreibt die Steuerung den Motor in dem fetten Modus, um CO und HC zu erzeugen. Der fette Modus wird dazu verwendet, den OC und/oder den FWC bis auf Regenerationstemperaturen zu erwärmen. Der OC und/oder der FWC oxidiert das CO und HC. Die Temperatur des OC und/oder FWC werden beispielsweise von einer normalen Betriebstemperatur auf eine Regenerationstemperatur erhöht.
Bei 320 signalisiert die Steuerung dem Luftventil, in die zweite oder Regenerationsposition zu schalten. Bei 322 bestimmt die Steuerung, ob die Luftpumpe aktiviert ist. Die Steuerung fährt mit 324 fort, wenn die Luftpumpe nicht aktiviert ist. Die Steuerung fährt mit 326 fort, wenn die Luftpumpe aktiviert ist. Bei 324 wird die Luftpumpe aktiviert.
Durch Betrieb des Motors in dem fetten Modus, dem Luftventil in der zweiten Position und der Luftpumpe in dem aktivierten Zustand entfernt das Regenerationssystem NOx über den ersten TWC und wandelt HC und CO über den zweiten TWC um. Dies wird während der Regeneration des PM-Filters ausgeführt. Dies reduziert NOx und HC- und CO-Emissionen während der Regeneration. Obwohl der erste TWC aufgrund des in dem fetten Modus arbeitenden Motors sauerstoffverarmt ist, wird der Sauerstoff stromabwärts von dem ersten TWC vorgesehen, um zu ermöglichen, dass der OC des FWC empfangene HC und CO oxidiert.
Bei 326 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC größer oder gleich einer PM-Exothermtemperatur bzw. Temperatur der exothermen PM-Reaktion T_PMEx (zweite vorbestimmte Temperatur) ist. Die Steuerung erlaubt eine allmähliche Zunahme oder ein Ansteigen der gegenwärtigen Temperatur T_OC auf die Temperatur der exothermen PM-Reaktion T_PMEx. Die Regeneration des PM-Filters kann beginnen, wenn die Temperatur des OC, des PM-Filters und/oder des FWC größer oder gleich der Temperatur der exothermen PM-Reaktion T_PMEx für eine vorbestimmte Periode ist. Die Temperatur der exothermen PM-Reaktion (minimale Temperatur) des OC, des PM-Filters und/oder des FWC wird erhalten, um ein Verbrennen von Ruß zu starten. Nur beispielhaft kann die minimale Temperatur abhängig davon, ob der PM-Filter katalysiert ist, etwa 350 bis 650°C betragen. Bei einer Ausführungsform ist die minimale Temperatur etwa 600 bis 650°C. Dies sieht eine gleichförmige Erwärmung des PM-Filters vor. Die Steuerung fährt mit 328 fort, wenn die gegenwärtige Temperatur T_OC größer als oder gleich einer Temperatur der exothermen PM-Reaktion T_PMEx ist.
Bei 328 wird ein Zeitgeber aktiviert. Der Zeitgeber wird dazu verwendet, um zu bestimmen, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC größer als oder gleich einer Temperatur der exothermen PM-Reaktion T_PMEx für die vorbestimmte Periode ist.
Bei 330 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC größer als oder gleich einer Temperatur der exothermen PM-Reaktion T_PMEx für die vorbestimmte Periode ist. Die Steuerung fährt mit 336 fort, wenn der Zeitgeber größer als oder gleich der vorbestimmten Periode ist, ansonsten fährt er zu 332 fort. Bei 332 wird der Zeitgeber inkrementiert.
Bei 338 und 340 kann die Luftpumpe deaktiviert und der Motor in einem stöchiometrischen Modus betrieben werden. Der Betrieb im fetten Modus kann deaktiviert werden, wenn eine ausreichende PM-Temperatur erreicht ist. Der Motor kann nur ausreichend lang zur Verbrennung des Rußes in dem fetten Modus arbeiten und kann dann zu einem stöchiometrischen Betriebsmodus zurückgeführt werden. Nach 340 kann die Steuerung zu 310 zurückkehren.
Die oben beschriebenen Aufgaben, die bei 301 bis 340 ausgeführt werden, sind als illustrative Beispiele beabsichtigt; die Aufgaben können sequentiell, synchron, simultan, kontinuierlich, während überlappender Zeitperioden oder in einer verschiedenen Reihenfolge abhängig von der Anwendung ausgeführt werden.
Im Gebrauch bestimmt das Steuermodul, wann der PM-Filter eine Regeneration erfordert. Die Bestimmung basiert auf Rußniveaus innerhalb des PM-Filters. Alternativ dazu kann eine Regeneration periodisch oder auf einer Ereignisbasis ausgeführt werden. Das Steuermodul kann abschätzen, wann der gesamte PM-Filter eine Regeneration erfordert oder wann Zonen in dem PM-Filter eine Regeneration erfordern.
Die gezielten PM-Filterverfahren der vorliegenden Offenbarung minimieren verwendeten Kraftstoff wie auch die Anzahl von Komponenten, deren Temperatur während der Regeneration erhöht wird. Dies erhöht die Lebensdauer von Abgaskomponenten, wie einem TWC, der stromaufwärts eines Gehäuses eines PM-Filters verbunden ist. Die gezielten PM-Filterverfahren der vorliegenden Offenbarung sehen ein vollständig fähiges Abgassystem einschließlich der Entfernung von NOx und der Umwandlung von HC und CO während der Regeneration eines PM-Filters vor.
Der Fachmann kann nun aus der vorhergehenden Beschreibung erkennen, dass die breiten Lehren der Offenbarung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Daher sei, während die Offenbarung bestimmte Beispiele aufweist, der wahre Schutzumfang der Offenbarung nicht so beschränkt, da andere Abwandlungen dem Fachmann nach einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich werden.

Claims

Regenerationssystem, umfassend: einen Partikelmaterial-(PM-)Filter, der ein stromaufwärtiges Ende umfasst, um ein Abgas von einem Motor aufzunehmen; eine Luftzuleitung, die Umgebungsluft an eine erste Abgasleitung stromaufwärts von dem PM-Filter lenkt; und ein Steuermodul, das: ein gegenwärtiges Rußbeladungsniveau des PM-Filters bestimmt; und den Motor in einem fetten Modus betreibt und/oder eine Luftpumpe der Luftzuleitung aktiviert, wenn das gegenwärtige Rußbeladungsniveau größer als ein vorbestimmtes Rußbeladungsniveau ist, wobei die Luftzuleitung umfasst: ein Luftventil; eine erste Luftleitung, die zwischen einem Abgaskrümmer und dem Luftventil verbunden ist; eine zweite Luftleitung, die zwischen der Luftpumpe und dem Luftventil verbunden ist; und eine dritte Luftleitung, die zwischen dem Luftventil und der ersten Abgasleitung verbunden ist.
Regenerationssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodell eine Temperatur eines Oxidationskatalysators stromaufwärts von dem PM-Filter auf eine Regenerationstemperatur durch Betrieb des Motors in dem fetten Modus und durch Aktivieren der Luftpumpe, um Umgebungsluft an den Oxidationskatalysator zu lenken, erhöht.
Regenerationssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul den Motor in dem fetten Modus betreibt und die Luftpumpe aktiviert, wenn das gegenwärtige Rußbeladungsniveau größer als ein vorbestimmtes Rußbeladungsniveau ist.
Regenerationssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul: eine erste gegenwärtige Temperatur eines Oxidationskatalysators stromaufwärts von dem PM-Filter bestimmt; und den Motor in dem fetten Modus betreibt und/oder die Luftpumpe aktiviert, wenn die erste gegenwärtige Temperatur größer als eine erste vorbestimmte Temperatur ist.
Regenerationssystem nach Anspruch 4, wobei die erste vorbestimmte Temperatur eine Temperatur einer exothermen Kohlenmonoxidreaktion ist.
Regenerationssystem nach Anspruch 4, wobei das Steuermodul: eine zweite gegenwärtige Temperatur des Oxidationskatalysators bestimmt; und den Motor in dem fetten Modus beibehält und/oder eine Aktivierung der Luftpumpe beibehält, bis die zweite gegenwärtige Temperatur größer als oder gleich einer zweiten vorbestimmten Temperatur ist.
Regenerationssystem nach Anspruch 6, wobei die zweite vorbestimmte Temperatur eine Temperatur der exothermen PM-Reaktion ist.
Regenerationssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul: eine gegenwärtige Temperatur eines Oxidationskatalysators bestimmt; und den Motor in dem fetten Modus beibehält und/oder die Aktivierung der Luftpumpe beibehält, bis die gegenwärtige Temperatur größer als oder gleich einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Periode ist.
Regenerationssystem nach Anspruch 8, wobei das Steuermodul die Luftpumpe deaktiviert und den Motor in einem stöchiometrischen Modus betreibt, wenn die gegenwärtige Temperatur größer als oder gleich der vorbestimmten Temperatur für die vorbestimmte Periode ist.