DE102011100587A1

DE102011100587A1 - Hybrid-Katalysatorstrahlungsvorerwärmungssystem

Info

Publication number: DE102011100587A1
Application number: DE102011100587A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Gonze; Halim G. Santoso; Brian L. Spohn; Bryan Nathaniel Roos
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2011-12-08
Also published as: CN106401709A; CN106401709B; US20110277449A1; CN102242659A; US8720193B2

Abstract

Ein Katalysatorerwärmungssystem umfasst ein Überwachungsmodul, ein Modusauswahlmodul und ein Steuermodul für elektrisch beheizten Katalysator (EHC). Das Überwachungsmodul überwacht (i) ein erstes aktives Volumen einer Katalysatoranordnung in einem Abgassystem einer Maschine und/oder (ii) eine erste Temperatur eines Nicht-EHC der Katalysatoranordnung. Das Modusauswahlmodul ist derart konfiguriert, dass es auf Grundlage des ersten aktiven Katalysatorvolumens und/oder der ersten Temperatur einen Nicht-EHC-Strahlungserwärmungsmodus wählt und ein Modussignal erzeugt. Ein EHC-Steuermodul hebt auf Grundlage des Modussignals eine Temperatur des EHC auf eine erhöhte Temperatur an, die größer als einestemperatur ist größer als eine Katalysatoranspringtemperatur.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft katalytische Wandler 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, indem 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.
Katalytische Wandler werden in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine (ICE) verwendet, um Emissionen zu reduzieren. Als ein Beispiel reduziert ein Drei-Wege-Katalysatorwandler (TWC) Stickoxid, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe in einem Abgassystem. Der Drei-Wege-Wandler wandelt Stickoxid zu Stickstoff und Sauerstoff, Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid um und oxidiert nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe, um Kohlendioxid und Wasser zu erzeugen.
Eine durchschnittliche Anspringtemperatur, bei der ein katalytischer Wandler typischerweise zu funktionieren beginnt, beträgt etwa 200–350°C. Infolgedessen funktioniert ein katalytischer Wandler während einer Aufwärmperiode, die bei einem Kaltstart einer Maschine stattfindet, nicht oder sieht nur eine minimale Emissionsreduktion vor. Betriebstemperaturen eines katalytischen Wandlers können etwa 400–900°C nach der Aufwärmperiode betragen. Ein Wirkungsgrad eines katalytischen Wandlers verbessert sich mit einer Zunahme der Betriebstemperatur. Aus den angemerkten Gründen ist, je schneller ein katalytischer Wandler auf die Anspringtemperatur bei einem Kaltstart zunimmt, um so besser die Emissionsreduktionsleistungsfähigkeit eines Abgassystems.
Hybrid-Elektrofahrzeuge können einen ICE und einen oder mehrere Elektromotoren aufweisen. Der ICE kann ein Abgassystem mit einem katalytischen Wandler besitzen. Der ICE kann wiederholt und/oder für längere Zeitdauern deaktiviert werden, um Kraftstoff zu sparen. Eine Temperatur des katalytischen Wandlers nimmt ab, wenn der ICE deaktiviert ist. Ein Start/Stopp-Fahrzeug umfasst einen ICE und deaktiviert einen ICE beispielsweise während ICE-Leerlaufperioden und/oder wenn eine Geschwindigkeit des Start/Stopp-Fahrzeugs 0 m/s beträgt. Infolgedessen kann ein katalytischer Wandler beim Start eines Hybridelektrofahrzeugs und eines Start/Stopp-Fahrzeugs eine beschränkte Emissionsreduktionsleistungsfähigkeit bereitstellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Bei einer Ausführungsform ist ein Katalysatorerwärmungssystem vorgesehen. Das Katalysatorerwärmungssystem umfasst ein Überwachungsmodul, ein Modusauswahlmodul und ein Steuermodul für elektrisch beheizten Katalysator (EHC). Das Überwachungsmodul überwacht (i) ein erstes aktives Volumen einer Katalysatoranordnung in einem Abgassystem einer Maschine und/oder (ii) eine erste Temperatur eines Nicht-EHC der Katalysatoranordnung. Das Modusauswahlmodul ist derart konfiguriert, dass ein Nicht-EHC-Strahlungserwärmungsmodus ausgewählt wird und auf Grundlage des ersten aktiven Katalysatorvolumens und/oder der ersten Temperatur ein Modussignal erzeugt wird. Ein EHC-Steuermodul hebt auf Grundlage des Modussignals die Temperatur des EHC auf eine erhöhte Temperatur an, die größer als eine Stabilisierungstemperatur ist. Die Stabilisierungstemperatur ist größer als eine Katalysatoranspringtemperatur.
Gemäß weiteren Merkmalen ist ein Verfahren zum Betrieb eines Katalysatorerwärmungssystems vorgesehen, das umfasst: Überwachen von (i) eifern ersten aktiven Volumen einer Katalysatoranordnung in einem Abgassystem einer Maschine und/oder (ii) einer ersten Temperatur eines Nicht-EHC der Katalysatoranordnung. Ein Nicht-EHC-Strahlungserwärmungsmodus wird gewählt und ein Modussignal wird auf Grundlage des ersten aktiven Katalysatorvolumens und/oder der ersten Temperatur erzeugt. Die Temperatur des EHC wird auf Grundlage des Modussignals auf eine erhöhte Temperatur angehoben, die größer als eine Stabilisierungstemperatur ist. Die Stabilisierungstemperatur ist größer als eine Katalysatoranspringtemperatur.
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 Maschinensystems, das ein Katalysatorerwärmungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
2 ist ein Funktionsblockschaubild eines anderen Maschinensystems und eines entsprechenden Katalysatorerwärmungssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 ist ein Funktionsblockschaubild eines Maschinensteuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 zeigt ein Verfahren zum Betrieb eines Katalysatorerwärmungssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung. und
5 ist ein thermisches Schaubild der Katalysatoranordnung, das drei Moden des Verfahrens von 4 veranschaulicht.
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 betreffen, Teil davon sein oder umfassen: 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 Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
In 1 ist ein beispielhaftes Maschinensystem 10 gezeigt, das ein Katalysatorerwärmungssystem 12 aufweist. Das Maschinensystem 10 kann ein Hybrid-Elektrofahrzeugsystem, ein Steckdosen- bzw. Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeugsystem, ein Start/Stopp-Fahrzeugsystem, ein Fahrzeugsystem mit teilweise null Emissionen (PZEV von engl.: ”partial zero emissions vehicle system”), ein Fahrzeugsystem mit super ultra geringen Emissionen (SULEV von engl.: ”super ultra low emissions vehicle system”) oder ein anderes Fahrzeugsystem mit strikteren Emissionen (z. B. SULEV20), etc. sein. Das Maschinensystem 10 weist eine Maschine 14 mit einem Abgassystem 16 auf. Das Abgassystem 16 weist einen katalytischen Wandler (CC) 18 auf. Das Katalysatorerwärmungssystem 12 heizt einen oder mehrere Katalysatoren in dem CC 18 (Katalysatoranordnung). Das Katalysatorerwärmungssystem 12 kann den/die Katalysator(en) vor dem Start der Maschine 14 erwärmen. Obwohl das Maschinensystem 10 als eine funkengezündete Maschine gezeigt ist, ist das Maschinensystem 10 als ein Beispiel vorgesehen. Das Katalysatorerwärmungssystem 12 kann an verschiedenen anderen Maschinensystemen implementiert sein, wie Dieselmaschinensystemen.
Das Maschinensystem 10 weist die Maschine 14 auf, die ein Luft- und Kraftstoffgemisch verbrennt, um Antriebsmoment zu erzeugen. Luft tritt in die Maschine 14 durch Durchgang durch einen Luftfilter 20 ein. Die Luft gelangt durch den Luftfilter 20 und wird in einen Turbolader 22 gezogen. Der Turbolader 22, wenn enthalten, komprimiert die frische Luft. Je größer die Kompression ist, um so größer ist der Ausgang der Maschine 14. Die komprimierte Luft gelangt durch einen Luftkühler 24, wenn enthalten, vor Eintritt in einen Ansaugkrümmer 26.
Luft in dem Ansaugkrümmer 26 wird in Zylinder 28 verteilt. Kraftstoff wird in die Zylinder 28 durch Kraftstoffinjektoren 30 injiziert. Die Zündkerzen 32 zünden Luft/Kraftstoff-Gemische in den Zylindern 28. Eine Verbrennung der Luft/Kraftstoff-Gemische erzeugt Abgas. Das Abgas verlässt die Zylinder 28 in das Abgassystem 16.
Das Katalysatorerwärmungssystem 12 weist das Abgassystem 16 und ein Maschinensteuermodul (ECM) 40 auf. Das Abgassystem 16 weist den CC 18, das ECM 40, den Abgaskrümmer 42 und eine Katalysatorerwärmungsschaltung 44 auf. Als ein Beispiel kann der CC 18 einen Drei-Wege-Katalysator (TWC) aufweisen. Der CC 18 kann Stickoxide NOx reduzieren, Kohlenmonoxid (CO) oxidieren und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und flüchtige organische Verbindungen oxidieren. Der CC 18 oxidiert das Abgas auf Grundlage eines Nachverbrennungs-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Die Größe der Oxidation erhöht die Temperatur des Abgases.
Der CC 18 weist einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC) 48 und einen Nicht-EHC 50 auf. Der EHC 48 ist aktiv erwärmt. Der Nicht-EHC 50 wird durch benachbarte Wärmeübertragung und/oder Strahlungswärmeübertragung passiv erwärmt. Der EHC 48 und der Nicht-EHC 50 können verschiedene Abschnitte eines einzelnen Katalysators betreffen oder können getrennte benachbarte Katalysatoren sein. Nur beispielhaft kann der EHC 48 etwa 20% der Gesamtkatalysatormasse des CC 18 besitzen. Der Nicht-EHC 50 kann etwa 70–80% der Gesamtkatalysatormasse besitzen. Ein zusätzlicher Nicht-EHC 51 kann benachbart und stromaufwärts von dem EHC 48 angeordnet sein. Die Temperatur des Nicht-EHC 51 kann aufgrund einer benachbarten und/oder Strahlungswärmeübertragung von dem EHC 48 steigen. Der EHC 48 empfängt einen gewählten Strom und/oder eine gewählte Spannung von der Katalysatorerwärmungsschaltung 44. Die elektrische Erwärmung des EHC 48 und nicht des Nicht-EHC 50 erlauben eine schnelle Aktivierung des EHC 48 für eine außerhalb des Zyklus erfolgende Emissionsreduktion.
Die Katalysatorerwärmungsschaltung 44 umfasst einen oder mehrere Anschlüsse. Bei dem gezeigten Beispiel sind zwei Anschlüsse vorgesehen: ein Lieferanschluss 52 und ein Masse- oder Rückführanschluss 54. Bei dem gezeigten Beispiel kann der EHC 48 als ein Widerstandselement zwischen den Anschlüssen 52, 54 funktionieren und Strom von dem Lieferanschluss 52 aufnehmen. Eine Temperatur des EHC 48 steigt, während Strom an den Lieferanschluss 52 geliefert wird. Dies erlaubt, dass der EHC 48 auf eine funktionierende oder aktive Temperatur zunimmt (beispielsweise ≥ eine Katalysatoranspringtemperatur), wenn die Maschine 14 nicht aktiviert ist. Die Maschine 14 ist aktiviert, wenn Zündfunken und Kraftstoff an die Maschine 14 aktiviert sind. Es können verschiedene Spannungspegel an die Anschlüsse 52, 54 angelegt werden, wie 12 V–42 V. Es können Spannungspegel von größer als 42 V verwendet werden.
Leistung, die an die Anschlüsse 52, 54 geliefert wird, kann von einer Leistungsquelle stammen, die Hybrid-Fahrzeugbatterien, Batterien vom Plug-In-Typ und/oder Lithium-Batterien aufweist.
Optional dazu rezirkuliert ein AGR-Ventil (nicht gezeigt) einen Anteil des Abgases zurück in den Ansaugkrümmer 26. Der Rest des Abgases wird in den Turbolader 22 geführt, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine unterstützt die Kompression der von dem Luftfilter 20 empfangenen frischen Luft. Abgas strömt von dem Turbolader 22 zu dem CC 18.
Das Maschinensystem 10 kann auch ein Hybridsteuermodul (HCM) 60 und einen oder mehrere Elektromotor(en) 62 aufweisen. Das HCM 60 kann Teil des ECM 40 sein oder kann ein allein stehendes Steuermodul sein, wie gezeigt ist. Das HCM 60 steuert einen Betrieb des/der Elektromotor(s/en) 62. Der/die Elektromotor(en) 62 können einen Leistungsausgang der Maschine 14 ergänzen und/oder ersetzen. Der/die Elektromotor(en) 62 kann/können dazu verwendet werden, eine Drehzahl der Maschine 14 einzustellen (d. h. Drehzahl einer Kurbelwelle 66 der Maschine 14).
Das Katalysatorerwärmungssystem 12 kann in einem oder mehreren Katalysatorerwärmungsmoden betrieben werden, wie einem EHC-Strahlungserwärmungsmodus und einem Nicht-EHC-Stabilisierungsmodus. Das Katalysatorerwärmungssystem 12 kann in den Katalysatorerwärmungsmoden arbeiten, wenn die Maschine 14 deaktiviert ist. Die Maschine 14 ist deaktiviert, wenn Zündfunken und Kraftstoff an die Maschine 14 abgeschaltet sind. Die Katalysatorerwärmungsmoden umfassen das Aktivieren der Katalysatorerwärmungsschaltung 44, um den EHC 48 zu erwärmen. Das ECM 40 steuert Strom und Spannung, die an die Anschlüsse 52, 54 geliefert werden, und Erwärmungszeit des EHC 48 während des Katalysatorerwärmungsmodus. Der EHC-Strahlungserwärmungsmodus umfasst ein Erwärmen des EHC 48 auf eine erhöhte Temperatur, die der Bereitstellung eines vorbestimmten Niveaus an Strahlungswärmeübertragung an den Nicht-EHC 50 zugeordnet ist. Der Nicht-EHC-Stabilisierungsmodus umfasst eine Abnahme der Temperatur des EHC 48 von der erhöhten Temperatur auf eine Stabilisierungstemperatur. Der Nicht-EHC Stabilisierungsmodus wird aktiviert, um: Leistung zu minimieren, die zum Erwärmen des EHC 48 und des Nicht-EHC 50 verwendet wird; eine gegenwärtige Temperatur des Nicht-EHC 50 beizubehalten; und/oder eine Temperaturabnahmerate des Nicht-EHC 50 zu minimieren, wenn der EHC-Strahlungserwärmungsmodus abgeschaltet ist. Das Katalysatorerwärmungssystem 12 kann auch veranlasst werden, die Temperatur des EHC 48 und des Nicht-EHC 50 während eines Kaltstarts der Maschine 14 zu erhöhen. In diesem Beispiel erwärmt die Katalysatorerwärmungsschaltung 44 den EHC 48, wenn die Maschine 14 aktiviert wird und mit einer Geschwindigkeit von größer als 0 Meter pro Sekunde (m/s) betrieben wird.
Das ECM 40 steuert die Maschine 14 und das Katalysatorerwärmungssystem 12 auf Grundlage von Sensorinformation. Die Sensorinformation kann direkt über Sensoren und/oder indirekt über Algorithmen und Tabellen, die in dem Speicher 70 gespeichert sind, erhalten werden. Einige beispielhafte Sensoren 80 zur Bestimmung von Abgasströmungsniveaus, Abgastemperaturniveaus, Abgasdruckniveaus, Katalysatortemperaturen, Sauerstoffniveaus, Ansaugluftdurchflüssen, Ansaugluftdruck, Ansauglufttemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, Maschinendrehzahl, AGR, etc. sind gezeigt. Die Abgasströmungssensoren 82, die Abgastemperatursensoren 83, die Abgasdrucksensoren 85, die Katalysatortemperatursensoren 86, ein Sauerstoffsensor 88, ein AGR-Sensor 90, ein Ansaugluftströmungssensor 92, ein Ansaugluftdrucksensor 94, ein Ansauglufttemperatursensor 96, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 98 und ein Maschinendrehzahlsensor 99 sind gezeigt.
Ein erster Abgasströmungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 100 kann mit einer ersten Abgasleitung 101 und stromaufwärts von dem CC 18 verbunden sein. Ein zweiter Abgasströmungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 102 kann mit einer zweiten Abgasleitung 103 stromabwärts von dem CC 18 verbunden sein. Ein Katalysatortemperatursensor 104 kann mit dem CC 48 verbunden sein. Das ECM 40 kann einen Betrieb der Maschine 14 und des Katalysatorerwärmungssystems 12 auf Grundlage der Information von den Sensoren 80, dem ersten und zweiten Sensor 100, 102 und dem Katalysatortemperatursensor 104 steuern.
In 2 ist ein Funktionsblockschaubild eines anderen Maschinensystems 10' gezeigt. Das Maschinensystem 10' kann Teil des Maschinensystems 10 sein. Das Maschinensystem 10' umfasst die Maschine 14, ein Katalysatorerwärmungssystem 12', ein Abgassystem 16', ein ECM 40' und kann ein Regenerationssystem 120 aufweisen. Das Regenerationssystem 120 ist nur zu beispielhaften Zwecken vorgesehen. Abschnitte und/oder das gesamte Regenerationssystem 120 brauchen nicht in dem Maschinensystem 10 enthalten sein.
Die Maschine 14' kann beispielsweise eine Funkenzündungs- oder Dieselmaschine sein. Das ECM 40' kann ein EHC-Steuermodul 122 und ein Regenerationsmodul 124 aufweisen. Das EHC-Steuermodul 122 steuert einen Betrieb des Katalysatorerwärznungssystems 12'. Das Regenerationsmodul 124 steuert den Betrieb des Regenerationssystems 120. Bei dem gezeigten Beispiel umfasst das Abgassystem 16' in der folgenden Reihenfolge: einen Abgaskrümmer 42', eine erste Abgasleitung 126, den CC 18, eine zweite Abgasleitung 128, eine Katalysator- und Filteranordnung 130, eine dritte Abgasleitung 132 und einen Schalldämpfer 134.
Das Katalysatorerwärmungssystem 12 umfasst die Maschine 14, den CC 18, die Katalysatorerwärmungsschaltung 44 und/oder das EHC-Steuermodul 122. Der CC 18 umfasst den EHC 48 und den Nicht-EHC 50. Die Katalysatorerwärmungsschaltung 44 kann die Anschlüsse 52, 54 aufweisen. Das Katalysatorerwärmungssystem 12' kann auch die Sensoren 100, 102, 104 aufweisen.
Das Regenerationssystem 120 umfasst die Maschine 14, das Regenerationsmodul 124 und die Katalysator- und Filteranordnung 130. Die Katalysator- und Filteranordnung 130 kann einen Katalysator 140, wie einen Drei-Wege-Katalysator, und einen Partikelfilter (PF) 142 umfassen. Der Katalysator 140 oxidiert CO, das in dem Abgas verbleibt, das von dem CC aufgenommen wird, um CO2 zu erzeugen. Der Katalysator 140 kann auch Stickoxide NOx reduzieren und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und flüchtige organische Verbindungen oxidieren. Der PF 142 empfängt Abgas von dem Katalysator 140 und filtert jegliche in dem Abgas vorhandene Rußpartikel. Die Katalysator- und Filteranordnung 130 kann Heizelemente (nicht dargestellt) aufweisen, um die Regeneration des PF 142 zu erleichtern.
Das Regenerationsmodul 120 kann einen Betrieb der Maschine 14 auf Grundlage von Information beispielsweise von dem zweiten Strömungs-, Druck- und/oder Temperaturabgassensor 102 und/oder von einem dritten Strömungs-, Druck- und/oder Temperaturabgassensor 144 und einem vierten Strömungs-, Druck- und/oder Temperaturabgassensor 146 steuern. Der zweite Abgassensor 102 ist stromaufwärts von der Katalysator- und Filteranordnung 130, an der zweiten Abgasleitung 128 und zwischen dem CC 18 und der Katalysator- und Filteranordnung 130 verbunden. Der dritte Abgassensor 144 ist mit der Katalysator- und Filteranordnung 130 verbunden. Der vierte Abgassensor 146 ist mit der dritten Abgasleitung 132 und stromabwärts der Katalysator- und Filteranordnung 130 verbunden. Ein Abschnitt des PF 142 kann auf eine Regenerationstemperatur erwärmt werden, um eine exotherme Reaktion auszulösen, die sich entlang des PF 142 ausbreitet. Diese Erwärmung kann basierend auf Information von den Abgassensoren 102, 144, 146 und einer gegenwärtigen Rußbeladung des PF 132 durchgeführt werden.
Das ECM 40' kann die Rußbeladung des PF 132 schätzen. Wenn die geschätzte Beladung auf einem vorbestimmten Niveau ist und/oder der Abgasdurchfluss innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt, werden der Betrieb der Maschine 14 und des Regenerationssystems 120 gesteuert, um den Regenerationsprozess auszulösen. Die Dauer des Regenerationsprozesses kann auf Grundlage einer geschätzten Menge von Partikelmaterial in dem PF 132 variiert werden.
Nun Bezug nehmend auch auf 3 ist ein Funktionsblockschaubild eines ECM 40'' gezeigt. Das ECM 40'' kann in den Katalysatorerwärmungssystemen 12, 12' der 1 und 2 verwendet werden. Das ECM 40'' umfasst das EHC-Steuermodul 122 und kann ferner ein Fahrzeuggeschwindigkeitsmodul 150 und ein Maschinendrehzahlmodul 152 aufweisen. Das EHC-Steuermodul 122 kann einen Betrieb der Maschine 14 und der Katalysatorerwärmungsschaltung 44 steuern. Das Fahrzeuggeschwindigkeitsmodul 150 bestimmt die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs auf Grundlage von Information beispielsweise des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 98. Das Maschinendrehzahlmodul 152 bestimmt eine Drehzahl der Maschine 14 beispielsweise auf Grundlage von Information des Maschinendrehzahlsensors 99.
Das EHC-Steuermodul 122 umfasst ein Modul 160 zur Überwachung eines aktiven Katalysatorvolumens, ein Katalysatortemperaturüberwachungsmodul 162, ein Modusauswahlmodul 164, ein erstes Vergleichsmodul 166, ein zweites Vergleichsmodul 168, ein Katalysatorerwärmungsmodul 174 und einen Zeitgeber 178. Das EHC-Steuermodul 122 arbeitet in den Katalysatorerwärmungsmoden, die durch das Modusauswahlmodul 166 gewählt sind. Das EHC-Steuermodul 122 kann während derselben Periode in mehr als einer der Moden arbeiten.
Nun Bezug nehmend auf 4 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Katalysatorerwärmungssystems gezeigt. Obwohl das Verfahren in Bezug auf die Ausführungsformen der 1 bis 3 beschrieben ist, kann das Verfahren auf andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angewendet werden. Das Verfahren kann bei 200 beginnen und kann während einer der nachfolgend beschriebenen Aufgaben 202 bis 218 enden, wenn beispielsweise die Maschine 14 aktiviert wird. Die unten beschriebenen Aufgaben 202 bis 218 können iterativ ausgeführt werden und können durch eines der ECMs 40, 40', 40'' der 1 bis 3 ausgeführt werden.
Bei 202 werden Sensorsignale erzeugt. Die Sensorsignale können Abgasströmungssignale, Abgastemperatursignale, Abgasdrucksignale, Katalysatortemperatursignale, ein Sauerstoffsignal, ein Ansaugluftströmungssignal, ein Ansaugluftdrucksignal, ein Ansauglufttemperatursignal, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, ein Maschinendrehzahlsignal, ein AGR-Signal, etc. aufweisen, die durch die oben beschriebenen Sensoren 80 und 100 bis 104, 144, 146 der 1 und 2 erzeugt werden können.
Bei 204 überwacht das Modul 160 zur Überwachung des aktiven Volumens ein aktives Katalysatorvolumen des CC 18 und erzeugt ein erstes Signal des aktiven Katalysatorvolumens V_ACTNE1. Zusätzlich oder als eine Alternative zur Überwachung des aktiven Katalysatorvolumens kann das Katalysatortemperaturüberwachungsmodul 162 eine erste Temperatur (oder ein erstes Temperatursignal) T_non-ECH1 des nicht-ECH 50 überwachen. Das erste Signal des aktiven Katalysatorvolumens V_ACTIVE1 kann unter Verwendung beispielsweise von Gleichung geschätzt werden. V_ACTIVE1 = f{T_non-ECH1,RE,CondRate,S_ENG,DC,C_Mass,EHC_ActTime,EHC_Current, EHC_Volt} (1)
Das erste Temperatursignal T_non-EHC kann beispielsweise direkt über den Abgassensor 102 bestimmt werden. Als eine Alternative kann das erste Temperatursignal T_non-EHC1 beispielsweise indirekt unter Verwendung von Gleichung 2 geschätzt werden. T_non-EHC1 = f{RE,CondRate,S_ENG,DC,C_Mass,EHC_ActTime,EHC_Current,EHC_Volt} (2)
RE ist Strahlungsenergie, die von dem EHC 48 auf den Nicht-EHC 50 übertragen wird. RE kann auf Grundlage von EHCActTime, EHCCurrent, EHCVolt und/oder Widerstand des EHC 48 geschätzt werden. CondRate ist die Leitungsrate des Nicht-EHC 50. Eine beispielhafte Messeinheit für Strahlungsenergie ist Joules (J). RE kann auch beispielsweise unter Verwendung der Gleichungen 3 und 4 bestimmt werden, wobei α die Bolztman'sche Konstante ist. RE = α(ΔT)⁴ (3) ΔT = T_EHC – T_non-EHC (4)
S_ENG ist die Drehzahl der Maschine 14 (d. h. Drehzahl der Kurbelwelle 66). DC ist das Einschaltverhältnis der Maschine. C_Mass ist die Masse des EHC 48 und/oder des Nicht-EHC 50 oder die Gesamtmasse der Katalysatoren des CC 18. EHC_ActTime ist die Zeit, die das Katalysatorerwärmungssystem 12 aktiviert ist. EHC_Current ist der an den EHC 48 angelegte Strompegel. EHC_Volt ist die an den EHC 48 angelegte Spannung. Das erste aktive Volumen V_ACTIVE1 und die erste Temperatur T_non-EHC1 können auf Grundlage eines oder mehrerer der Maschinensystemparameter der Gleichungen 1 und 2 und/oder anderer Maschinensystemparameter bestimmt werden, wie EHC-Widerstand und/oder -Impedanz, Umgebungslufttemperatur, Masse des EHC 48, etc.
Bei 206 vergleicht das erste Vergleichsmodul 164 das erste aktive Volumen V_ACTIVE1 mit einem vorbestimmten aktiven Volumen PV_ACTIVE und erzeugt ein erstes Vergleichssignal COMP₁. Das vorbestimmte aktive Volumen PV_ACTIVE betrifft ein Zielkatalysatorvolumen des Nicht-EHC 50 und/oder des CC 18, das sich bei einer Temperatur befindet, die größer oder gleich einer Temperatur eines aktiven Katalysators ist (einer Temperatur, bei der der Katalysator funktioniert und Emissionen reduziert oder der Katalysatoranspringtemperatur). Als ein Beispiel kann das Zielkatalysatorvolumen etwa 30 bis 40% des Nicht-EHC 50 und/oder die 30 bis 40% des Gesamtkatalysatorvolumens des CC 18 betragen. Das vorbestimmte aktive Volumen PV_ACTIVE kann mit einem minimalen aktiven Volumen in Verbindung stehen, das vor einer Inbetriebnahme der Maschine 14 gewünscht ist.
Bei 206 kann zusätzlich oder als eine Alternative zur Erzeugung des ersten Vergleichssignals auf Grundlage des ersten Signals für aktives Katalysatorvolumen V_ACTIVE1 das erste Vergleichsmodul 164 die erste Temperatur T_non-EHC1 mit einer Katalysatoranspringtemperatur T_CLO vergleichen. Das erste Vergleichsmodul 164 erzeugt ein erstes Vergleichssignal COMP₁ auf Grundlage des Vergleichs. Die Katalysatoranspringtemperatur T_CLO kann beispielsweise zwischen 200 bis 350°C liegen. Bei einer Ausführungsform. beträgt die CLO-Temperatur T_CLO etwa 250°C.
Die Steuerung kann bei 208 enden, wenn das erste Signal für aktives Katalysatorvolumen V_ACTIVE1 nicht kleiner als das vorbestimmte aktive Volumen PV_ACTIVE ist und/oder das erste Temperatursignal T_non-EHC1 nicht kleiner als die Katalysatoranspringtemperatur TCLO ist, ansonsten kann die Steuerung mit 210 fortfahren. Als eine Alternative zur Beendigung bei 208 kann die Steuerung zu 202 zurückkehren.
Bei 210 wählt das Modusauswahlmodul 166 den EHC-Strahlungserwärmungsmodus und erzeugt ein Modusauswahlsignal MODE auf Grundlage des ersten Vergleichssignals COMP₁. Die Katalysatorerwärmungsschaltung 44 wird aktiviert, um den EHC 48 auf eine erhöhte Temperatur T_E zu erwärmen. Das Modusauswahlmodul 166 kann ein EHC-Aktivierungssignal EHCACT erzeugen, um den Zeitgeber 178 zu starten, wenn der EHC 48 aktiviert ist.
Als ein Beispiel kann die erhöhte Temperatur T_E größer als oder gleich etwa 700°C sein. Die erhöhte Temperatur T_E kann auf Grundlage einer Ziel-Nicht-EHC-Temperatur (beispielsweise 400°C), Größe und Masse des EHC 48 und des Nicht-EHC 50, Strom und/oder Spannung, der/die an den EHC 48 angelegt ist, Leitungsraten des EHC 48 und des Nicht-EHC 50, etc. gewählt sein. Die erhöhte Temperatur T_E kann eine Überhitzungstemperatur sein, bei der der EHC 48 zu zerfallen beginnen kann, wenn er für länger als eine vorbestimmte Zeit PredTime bei der erhöhten Temperatur T_E beibehalten wird. Nur beispielhaft kann der Nicht-EHC 50 abhängig von der Größe, der Masse und deren Leitungsraten des EHC 48 und des Nicht-EHC 50 durch den EHC 48 auf eine Temperatur von größer als oder gleich etwa 400°C über Strahlung erwärmt werden, wenn sich der EHC 48 bei einer Temperatur befindet, die größer als oder gleich 700°C ist.
Der Katalysatorerwärmungsmodus 174 erzeugt ein Katalysatorerwärmungssignal CH auf Grundlage des Modusauswahlsignals MODE. Das Katalysatorerwärmungssignal CH kann einen gewählten Strom und/oder eine gewählte Spannung zum Anlegen an Anschlüsse des Katalysatorerwärmungssystems 12 angeben. Das Katalysatorerwärmungssignal CH gibt jeweilige Ströme und/oder Spannungen für den EHC-Strahlungserwärmungsmodus und den EHC-Stabilisierungsmodus an. Der Katalysatorerwärmungsmodus kann auf Grundlage der Maschinendrehzahl S_ENG und/oder einer Fahrzeuggeschwindigkeit S_VEH gewählt werden. Als ein Beispiel kann der Katalysatorerwärmungsmodus gewählt werden, wenn die Maschinendrehzahl kleiner als eine vorbestimmte Maschinendrehzahl ist. Als ein anderes Beispiel kann der Katalysatorerwärmungsmodus gewählt werden, wenn die Maschinendrehzahl etwa 0 Umdrehungen pro Minute (RPM) ist.
Sei 212 überwacht das Modul 162 zur Überwachung des aktiven Volumens das aktive Katalysatorvolumen des Nicht-EHC 50 und/oder des CC 18 und erzeugt ein zweites Signal für aktives Katalysatorvolumen V_ACTIVE2. Zusätzlich oder als eine Alternative zur Überwachung des aktiven Katalysatorvolumens kann das Katalysatortemperaturüberwachungsmodul 162 eine zweite Temperatur T_non-EHC2 des Nicht-EHC 50 überwachen. Das zweite Signal für aktives Katalysatorvolumen V_ACTIVE2 und die zweite Temperatur T_non-EHC2 können ähnlich dem ersten Signal für aktives Katalysatorvolumen V_ACTIVE1 und der ersten Temperatur T_non-EHC1 bestimmt werden.
Bei 214 überwacht vergleicht das zweite Vergleichsmodul 168 das zweite Signal für aktives Katalysatorvolumen V_ACTIVE2 mit einem Startvolumen V_START und erzeugt ein zweites Vergleichssignal COMP₂. Zusätzlich oder als eine Alternative zur Erzeugung des ersten Vergleichssignals auf Grundlage des zweiten Signals für aktives Katalysatorvolumen V_ACTIVE2 kann das zweite Vergleichsmodul 164 die zweite Temperatur T_non-EHC2 mit einer Starttemperatur T_START vergleichen. Das zweite Vergleichssignal COMP₂ kann auf Grundlage des Vergleichs zwischen der zweiten Temperatur T_non-EHC2 mit einer Starttemperatur T_START erzeugt werden. Die Starttemperatur T_START kann eine Zielstarttemperatur des Nicht-EHC 50 betreffen, wenn die Maschine 14 gestartet ist. Die Starttemperatur T_START kann größer als oder gleich der Katalysatoranspringtemperatur sein. Die Steuerung fährt mit 216 fort, wenn das zweite Signal für aktives Katalysatorvolumen V_ACTIVE2 nicht größer als das Startvolumen V_START ist und/oder wenn die zweite Temperatur T_non-EHC2 nicht größer oder gleich der Starttemperatur T_START ist, ansonsten kann die Steuerung mit 218 fortfahren.
Bei 216 kann das Modusauswahlmodul 166 bestimmen, ob der EHC 48 für länger als die vorbestimmte Zeit PredTime aktiviert ist. Das Modusauswahlmodul 166 kann den Stabilisierungsmodus auf Grundlage eines Zeitsignals TIME für den Zeitgeber 178 wählen. Das Modusauswahlmodul 166 kann in den Stabilisierungsmodus schalten, wenn die Temperatur des EHC 48 T_EHC größer als eine Überhitzungs- oder Zerfallstemperatur ist und die aktivierte Zeit des EHC 48 EHC_ActTime größer als oder gleich der vorbestimmten Zeit PredTime ist. Dies verhindert ein Zerfallen des EHC 48. Die Temperatur des EHC 48 T_EHC kann durch das Katalysatortemperaturüberwachungsmodul 162 bestimmt werden. Die Temperatur des EHC 48 T_EHC kann direkt über einen EHC-Temperatursensor bestimmt werden und/oder indirekt unter Verwendung von Gleichung 5 bestimmt werden, wobei EHC_Mass die Masse des EHC 48 ist. T_EHC = f{S_ENG,DC,EHC_Mass,EHC_ActTime,EHC_Current,EHC_Volt} (5)
Bei 218 verringert das Katalysatorerwärmungsmodul 174 die Temperatur des EHC 48 über die Katalysatorerwärmungsschaltung 44 auf eine Stabilisierungstemperatur T_S. Die Stabilisierungstemperatur T_S ist kleiner als die erhöhte Temperatur T_E und ist größer als die Katalysatoranspringtemperatur T_CLO. Die Stabilisierungstemperatur T_S kann größer als oder gleich der Starttemperatur T_START sein. Nur beispielhaft kann die Stabilisierungstemperatur größer als oder gleich etwa 400°C sein. Die Temperatur des EHC 48 wird reduziert, um Leistung zu sparen und die Zeit zu minimieren, die sich der EHC 48 bei der erhöhten Temperatur befindet. Die Steuerung kann nach 216 enden oder kann zu 202 zurückkehren, wie gezeigt ist.
Die oben beschriebenen Aufgaben, die bei 202 bis 218 ausgeführt werden, sind als illustrative Beispiele gemeint; die Aufgaben können sequentiell, synchron, simultan, kontinuierlich, während überlappender Zeitperioden oder in einer anderen Reihenfolge abhängig von der Anwendung ausgeführt werden. Die oben beschriebenen Aufgaben werden ausgeführt, um die Temperatur der Katalysatoren einer Katalysatoranordnung auf oder größer als einer Katalysatoranspringtemperatur zu erwärmen und beizubehalten.
In 5 ist ein thermisches Diagramm einer Katalysatoranordnung gezeigt, das drei Moden MODUS 1–3 des Verfahrens von 4 veranschaulicht. Das thermische Katalysatordiagramm weist den CC 18 mit dem EHC 48 und dem Nicht-EHC 50 auf.
Bei Modus 1 ist der EHC 48 deaktiviert. Bei MODUS 2 ist eine Katalysatorerwärmungsschaltung (beispielsweise die Katalysatorerwärmungsschaltung 44 von 1) aktiviert, um den EHC 48 auf die erhöhte Temperatur T_E zu erwärmen. Die Erwärmung kann durch eine Wandquelle, wie eine Batterie bereitgestellt werden. Die Erwärmung braucht nicht über Kraftstoffbelieferung einer Maschine bereitgestellt werden, was Kraftstoff spart. Bei MODUS 2 arbeitet die Steuerung in dem EHC-Strahlungserwärmungsmodus. Für MODUS 2 ist der CC 18 bei einer ersten Zeit und bei einer zweiten Zeit gezeigt, die nach der ersten Zeit stattfindet. Nach der zweiten Zeit liefert der EHC 48 mehr Strahlungserwärmung als bei der ersten Zeit. MODUS 3 wird nach MODUS 2 ausgeführt und umfasst die Beibehaltung einer Aktivierung der Katalysatorerwärmungsschaltung, jedoch den Betrieb in dem EHC-Stabilisierungsmodus und nicht in dem EHC-Strahlungserwärmungsmodus.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen erlauben eine schnelle Erwärmung eines Katalysators ohne Einschalten von Kraftstoff einer Maschine und Erwärmung der Maschine. Infolge dessen sind vor dem Start der Maschine die Katalysatoren eines Abgassystems erwärmt und/oder sind aktiv (das erwärmte Gesamtkatalysatorvolumen ist erhöht). Da die Katalysatoren erwärmt sind, bevor die Maschine gestartet wird, wird kein Kraftstoff zur Erwärmung der Katalysatoren verwendet. Die Ausführungsformen begrenzen auch eine übermäßige Maschinenbetriebszeit, die zur Diagnose eines Katalysatoranspringens erforderlich ist. Die oben beschriebenen Ausführungsformen reduzieren eine Emissionsausgabe der Maschine durch Ziel-Katalysatorerwärmung vor Aktivierung einer Maschine und ohne Verwendung von Kraftstoff.
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 diese 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

Katalysatorerwärmungssystem, umfassend: ein erstes Überwachungsmodul, das (i) ein erstes aktives Volumen einer Katalysatoranordnung in einem Abgassystem einer Maschine und/oder (ii) eine erste Temperatur eines nicht elektrisch beheizten Katalysators (EHC) der Katalysatoranordnung überwacht; ein Modusauswahlmodul, das derart konfiguriert ist, dass es auf Grundlage des ersten aktiven Katalysatorvolumens und/oder der ersten Temperatur einen Nicht-EHC-Strahlungserwärmungsmodus wählt und ein Modussignal erzeugt; und ein EHC-Steuermodul, das auf Grundlage des Modussignals eine Temperatur des EHC auf eine erhöhte Temperatur anhebt, die größer als eine Stabilisierungstemperatur ist, wobei die Stabilisierungstemperatur größer als eine Katalysatoranspringtemperatur ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 1, wobei: das EHC-Steuerrwärmungsmodul Strom an den EHC über eine EHC-Erwärmungsschaltung liefert, um die Temperatur des EHC anzuheben, wenn die Maschine deaktiviert ist; und die Maschine deaktiviert ist, wenn Zündfunken und Kraftstoff der Maschine abgeschaltet sind.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem ersten Vergleichsmodul, das das erste aktive Katalysatorvolumen mit einem vorbestimmten aktiven Volumen vergleicht und ein erstes Vergleichssignal erzeugt, wobei das Modusauswahlmodul den EHC-Strahlungserwärmungsmodus wählt, wenn das erste Vergleichsmodul angibt, dass das erste aktive Katalysatorvolumen kleiner als das vorbestimmte aktive Volumen ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 3, ferner mit einem zweiten Vergleichsmodul, das ein zweites aktives Katalysatorvolumen der Katalysatoranordnung mit einem aktiven Startvolumen vergleicht und ein zweites Vergleichssignal erzeugt, wobei das Modusauswahlmodul einen EHC-Stabilisierungsmodus wählt, wenn das zweite Vergleichsmodul angibt, dass das zweite aktive Katalysatorvolumen größer als das aktive Startvolumen ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 4, wobei das aktive Startvolumen ein minimales aktives Volumen der Katalysatoranordnung ist, das vor dem Start der Maschine angefordert ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 4, wobei das EHC-Steuermodul: die Temperatur des EHC auf die erhöhte Temperatur während des EHC-Strahlungserwärmungsmodus anhebt; und die Temperatur des EHC auf die Stabilisierungstemperatur während des EHC-Stabilisierungsmodus senkt.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 4, ferner mit dem EHC, wobei der EHC den Nicht-EHC während des Strahlungserwärmungsmodus über Strahlung erwärmt, und wobei der EHC weniger Strahlungserwärmung des Nicht-EHC während des EHC-Stabilisierungsmodus bereitstellt, als während des Strahlungserwärmungsmodus.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem ersten Vergleichsmodul, das die erste Temperatur mit einer Katalysatoranspringtemperatur vergleicht und ein erstes Vergleichssignal erzeugt, wobei das Modusauswahlmodul den EHC-Strahlungserwärmungsmodus wählt, wenn das erste Vergleichssignal angibt, dass die erste Temperatur kleiner als die Katalysatoranspringtemperatur ist
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 8, ferner mit einem zweiten Vergleichsmodul, das eine zweite Temperatur des Nicht-EHC mit einer Starttemperatur vergleicht und ein zweites Vergleichssignal erzeugt, wobei das Modusauswahlmodul den EHC-Stabilisierungsmodus wählt, wenn das zweite Vergleichssignal angibt, dass die zweite Temperatur größer als die Starttemperatur ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 10, wobei die Starttemperatur eine minimale Katalysatortemperatur ist, die vor Start der Maschine angefordert ist.