DE102011101676A1

DE102011101676A1 - Hybrid-Katalysatorkonvektionsvorerwärmungssystem

Info

Publication number: DE102011101676A1
Application number: DE102011101676A
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: 2010-05-19
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2031-05-17
Also published as: US8756924B2; DE102011101676B4; CN102251837A; CN102251837B; US20110283675A1

Abstract

Ein Katalysatorerwärmungssystem umfasst ein Überwachungsmodul, ein Modusauswahlmodul und ein Steuermodul für elektrisch beheizten Katalysator (EHC). Das Überwachungsmodul überwacht (i) eine erste Temperatur eines Nicht-EHC einer Katalysatoranordnung in einem Abgassystem einer Maschine und/oder (ii) ein aktives Katalysatorvolumen der Katalysatoranordnung. Das Modusauswahlmodul ist derart konfiguriert, dass es auf Grundlage der ersten Temperatur und/oder des aktiven Katalysatorvolumens einen EHC-Erwärmungsmodus wählt und ein Modussignal erzeugt. Das EHC-Steuermodul steuert Strom zu einem EHC der Katalysatoranordnung auf Grundlage des Modussignals.

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 ein Überwachungsmodul, ein Modusauswahlmodul und ein Steuermodul für elektrisch beheizten Katalysator (EHC) aufweist. Das Überwachungsmodul überwacht (i) eine erste Temperatur eines Nicht-EHC einer Katalysatoranordnung in einem Abgassystem einer Maschine und/oder (ii) ein aktives Katalysatorvolumen der Katalysatoranordnung. Das Modusauswahlmodul ist derart konfiguriert, dass es auf Grundlage der ersten Temperatur und/oder des aktiven Katalysatorvolumens einen EHC-Erwärmungsmodus wählt und ein Modussignal erzeugt. Das EHC-Steuermodul steuert einen Strom zu einem EHC der Katalysatoranordnung auf Grundlage des Modussignals.
Gemäß anderen Merkmalen ist ein Katalysatorerwärmungssystem vorgesehen, das ein erstes Überwachungsmodul aufweist, das eine erste Temperatur eines Nicht-EHC einer Katalysatoranordnung in einem Abgassystem einer Maschine überwacht. Ein zweites Überwachungsmodul, das eine zweite Temperatur eines EHC der Katalysatoranordnung überwacht. Ein Modusauswahlmodul ist so konfiguriert, dass es auf Grundlage der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur einen Maschinendrehzahlbeibehaltungsmodus und einen Luftpumpmodus wählt und ein Modussignal erzeugt. Ein Luftpumpmodul löst zumindest eine Pumpwirkung aus, um Luft in einen Einlass der Katalysatoranordnung während des Luftpumpmodus zu pumpen. Die zumindest eine Pumpwirkung umfasst (i) Rotieren einer Kurbelwelle der Maschine, wenn die Maschine deaktiviert ist, und (ii) Aktivieren einer Luftpumpe.
Gemäß anderen Merkmalen ist ein Verfahren zum Betrieb eines Katalysatorerwärmungssystems vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein Überwachen (i) einer ersten Temperatur eines Nicht-EHC einer Katalysatoranordnung in einem Abgassystem einer Maschine und/oder (ii) eines aktiven Katalysatorvolumens der Katalysatoranordnung. Ein EHC-Erwärmungsmodus wird gewählt und ein Modussignal wird auf Grundlage der ersten Temperatur und/oder des ersten aktiven Katalysatorvolumens erzeugt. Der Strom an einen EHC der Katalysatoranordnung wird basierend auf dem Modussignal gesteuert.
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 kann in einen Turbolader 22 gezogen werden. 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, eine Katalysatorerwärmungsschaltung 44 und eine Luftpumpe 46 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. Der Betrag an 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 Konvektion 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 EHC 51 kann aufgrund einer benachbarten Wärmeübertragung von dem EHC 48 steigen. Der EHC 48 empfangt 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. Nur beispielhaft die Spannung, die an die Anschlüsse 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 der Maschine 14 aktiviert sind. Verschiedene Spannungspegel, die an die Anschlüsse 52, 54 angelegt werden, können z. B. 12 V–42 V sein. Es können Spannungspegel von größer als 42 V verwendet werden.
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 Katalysatorerwärmungsmodus, einem Motordrehzahlbeibehaltungsmodus und einen Luftpumpmodus (kann als ein Sekundärluftinjektionsmodus bezeichnet werden) arbeiten. Das Katalysatorerwärmungssystem 12 kann in diesen Moden arbeiten, wenn die Maschine 14 deaktiviert ist. Die Maschine 14 ist deaktiviert, wenn Zündfunken und Kraftstoff an die Maschine 14 abgeschaltet sind. Der Katalysatorerwärmungsmodus umfasst 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.
Das ECM 40 und/oder das HCM 60 können einen Betrieb des/der Elektromotors(en) 62 steuern, um eine gegenwärtige Maschinendrehzahl während des Maschinendrehzahlbeibehaltungsmodus beizubehalten. Der/die Elektromotor(en) 62 können mit der Maschine 14 über ein Riemen/Riemenscheiben-System, über ein Getriebe, eine oder mehrere Kupplungen, und/oder über andere mechanische Verbindungsvorrichtungen verbunden sein. Bei einer Ausführungsform aktiviert (betreibt) das ECM 40 und/oder das HCM 60 den/die Elektromotor(en) 62, um eine Rotation der Kurbelwelle 66 während des Maschinendrehzahlbeibehaltungsmodus (Maschinendrehzahl bei 0 Umdrehungen pro Minute (RPM) beibehalten) zu verhindern. Dies kann auftreten, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit größer als 0 Meter (m)/Sekunde (s) ist. Das ECM 40 und/oder das HCM 60 können einen Betrieb des/der Elektromotors(en) 62 und/oder des Anlasser 64 steuern, um die Kurbelwelle 66 während des Luftpumpmodus zu rotieren. Das ECM 40 und/oder das HCM 60 können den/die Elektromotor(en) 62 deaktivieren, um eine Rotation der Kurbelwelle 66 zu ermöglichen, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit größer als 0 m/s ist.
Während des Luftpumpmodus wird Luft in das Abgassystem 16 gepumpt, um den Nicht-EHC 50 konvektiv zu erwärmen, nachdem der EHC 48 beispielweise auf die Katalysatoranspringtemperatur erwärmt ist. Während des Luftpumpmodus kann die Maschine 14 als eine Luftpumpe 46 verwendet werden, um Luft in das Abgassystem 16 zu pumpen. Während des Luftpumpmodus ist die Maschine 14 deaktiviert, jedoch ist ein Öffnen und Schließen der Ansaug- und Abgasventile der Maschine 14 zugelassen. Dies erlaubt, dass Luft in die Zylinder 28 gezogen und aus diesen heraus gepumpt werden kann. Als eine Alternative oder zusätzlich zur Rotation der Kurbelwelle 66 kann das ECM 40 die Luftpumpe 46 während des Luftpumpmodus aktivieren. Die Luftpumpe 46 ist stromaufwärts von dem CC 18 angeschlossen und wird dazu verwendet, Luft in das Abgassystem 16 stromaufwärts des CC 18 zu pumpen. Die Luftpumpe 46 kann Umgebungsluft in das Abgassystem 16 pumpen. Die Umgebungsluft kann an den Abgaskrümmer 42 und/oder Abgasventile der Maschine 14 gerichtet sein.
Das ECM 40 und/oder das HCM 60 steuern die Maschine 14, das Katalysatorerwärmungssystem 12, die Luftpumpe 46 und den Anlasser 64 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 44 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 Abgassensor 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 Katalysatorerwärmungssystems 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, die Luftpumpe 46, den Anlasser 64 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, der Katalysatorerwärmungsschaltung 44, der Luftpumpe 46, des/der Elektromotors(en) 62 und/oder des Anlassers 64 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 weist ein Nicht-EHC-Überwachungsmodul (erstes Überwachungsmodul) 160, ein EHC-Überwachungsmodul (zweites Überwachungsmodul) 162, ein Modusauswahlmodul 164, ein erstes Vergleichsmodul 166, ein zweites Vergleichsmodul 168, ein drittes Vergleichsmodul 170, ein Luftpumpmodul 172 und ein Katalysatorerwärmungsmodul 174 auf. Das EHC-Steuermodul 122 arbeitet in dem Katalysatorerwärmungsmodus, dem Maschinendrehzahlbeibehaltungsmodus und dem Luftpumpmodus, die durch das Modusauswahlmodul 166 gewählt werden. 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. Nachfolgend beschriebene Aufgaben 202–220 können iterativ ausgeführt werden und können durch eines der ECMs 40, 40', 40'' der 1–3 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 erste Überwachungsmodul 160 eine Temperatur des Nicht-EHC 50 und/oder ein aktives Katalysatorvolumen des Nicht-EHC 50 und/oder des CC 18 und erzeugt ein erstes Temperatursignal T_non-EHC und/oder ein Signal für aktives Volumen V_ACTIVE. Das Signal für aktives Volumen V_ACTIVE kann durch das erste Überwachungsmodul 160 oder durch ein dediziertes Modul zur Überwachung eines aktiven Katalysatorvolumens erzeugt werden.
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 1 geschätzt werden. Das Signal des aktiven Volumens V_ACTIVE kann unter Verwendung beispielsweise von Gleichung 2 geschätzt werden.
F_Rate ist der Abgasdurchfluss durch den CC 18, der eine Funktion des Luftmassenstroms und der Kraftstoffmenge sein kann, die an die Zylinder 28 geliefert werden. Der Luftmassenstrom kann durch einen Luftmassenstromsensor bestimmt werden, wie den Ansaugluftströmungssensor 92. 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. C_IMP ist der Widerstand oder die Impedanz des EHC 48. 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. T_amb ist die Umgebungstemperatur. CAM ist die Nockenphaseneinstellung der Maschine 14. SPK ist der Zündzeitpunkt. Die Temperatursignale und das Signal für aktives Katalysatorvolumen V_ACTIVE können auf einem oder mehreren der Maschinensystemparameter, die in den Gleichungen 1 und 2 bereitgestellt werden, und/oder anderen Maschinensystemparametern basieren, wie der Masse des EHC 48 EHC_Mass.
Bei 206 vergleicht das erste Vergleichsmodul 164 das erste Temperatursignal T_non-EHC mit einer Katalysatoranspringtemperatur T_CLO und/oder vergleicht das aktive Katalysatorvolumen V_ACTIVE mit einem vorgegebenen aktiven Volumen PV_ACTIVE und erzeugt ein erstes Vergleichssignal COMP₁. Die Katalysatoranspringtemperatur T_CLO kann beispielsweise zwischen 200 bis 350°C liegen. Bei einer Ausführungsform beträgt die CLO-Temperatur T_CLO etwa 250°C. 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 als oder gleich einer Temperatur des aktiven Katalysators (Temperatur, bei der der Katalysator funktioniert und Emissionen reduziert, oder die Katalysatoranspringtemperatur) ist. 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.
Die Steuerung kann bei 208 enden, wenn das erste Temperatursignal T_non-EHC nicht kleiner als die Katalysatoranspringtemperatur T_CLO ist und/oder wenn das aktive Katalysatorvolumen V_ACTIVE nicht kleiner als das vorgegebene aktive Volumen PV_ACTIVE 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 Katalysatorerwärmungsmodus und erzeugt ein Modusauswahlsignal MODE auf Grundlage des ersten Vergleichssignals COMP₁. Die Katalysatorerwärmungsschaltung 44 wird aktiviert, um den EHC 48 während des Katalysatorerwärmungsmodus zu erwärmen. 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. 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.
Bei 212 überwacht das zweite Überwachungsmodul 162 eine Temperatur des EHC 48 und erzeugt ein zweites Temperatursignal T_EHC. Das zweite Temperatursignal T_EHC kann direkt von einem EHC-Temperatursensor bestimmt und/oder indirekt beispielsweise unter Verwendung der Gleichung 3 geschätzt werden, wobei EHC_Mass die Masse des EHC 48 ist. T_EHC = f{F_Rate, S_ENG, DC, EHC_Mass, EHC_ActTime, EHC_Current, EHC_Volt} (3)
Bei 214 vergleicht das zweite Vergleichsmodul 168 das zweite Temperatursignal T_EHC mit einer maximalen Konvektionstemperatur T_ConvMax und erzeugt ein zweites Vergleichssignal COMP₂. Die maximale Konvektionstemperatur T_ConvMax bezieht sich auf eine vorbestimmte maximale Temperatur für den EHC 48 während des Katalysatorerwärmungsmodus. Die maximale Konvektionstemperatur T_ConvMax kann auf einer vorbestimmten maximalen Temperatur für den Nicht-EHC 50 während des Katalysatorerwärmungsmodus basieren. Die maximale Konvektionstemperatur T_ConvMax kann auf eine Temperatur zwischen z. B. 450–500°C gesetzt werden, wenn eine vorbestimmte maximale Temperatur für den Nicht-EHC 400°C beträgt. Die maximale Konvektionstemperatur T_ConvMax ist eine vorbestimmte Größe kleiner als die vorbestimmte maximale Temperatur für den Nicht-EHC 50. Während der konvektiven Erwärmung des Nicht-EHC 50, wie bei 216 durchgeführt, ist die Temperatur des Nicht-ERG 50 etwa 50–100°C kleiner als die des ERG 48. Die Steuerung fährt mit 216 fort, wenn das zweite Temperatursignal T_EHC größer als die maximale Konvektionstemperatur T_ConvMax ist.
Bei 216 wählt das Modusauswahlmodul 166 den Luftpumpmodus und erzeugt das Modusauswahlsignal MODE auf Grundlage des zweiten Vergleichssignals COMP₂. Während des Luftpumpmodus wird der Motor 14 angetrieben (Kurbelwelle rotiert) und/oder die Luftpumpe ist aktiviert. Die Drehzahl der Maschine 14, des/der Elektromotors(en) 62, und/oder des Anlassers 64 wird auf Grundlage des vorbestimmten Durchflusses für konvektive Erwärmung des Nicht-EHC 50 eingestellt.
Das Luftpumpmodul 172 erzeugt ein Luftpumpensignal AIRPUMP und/oder ein Maschinenantriebssignal ENGPUMP auf Grundlage des Modusauswahlsignals MODE. Das Luftpumpensignal aktiviert die Luftpumpe 46. Das Maschinenantriebssignal ENGPUMP löst einen Betrieb der Maschine 14 als eine Luftpumpe aus und kann verwendet werden, um den Betrieb des/der Elektromotors(en) 62 und/oder des Anlassers 64 zu steuern.
Bei 218 vergleicht das dritte Vergleichsmodul 168 das zweite Temperatursignal T_EHC mit einer minimalen Konvektionstemperatur T_ConvMin und erzeugt ein drittes Vergleichssignal COMP₃. Die minimale Konvektionstemperatur T_ConvMin betrifft eine minimale Temperatur des EHC, die den Nicht-EHC auf einer Temperatur beibehält, die gleich oder größer als die Katalysatoranspringtemperatur ist. Als ein Beispiel kann die minimale Konvektionstemperatur T_ConvMin auf etwa 50–100°C kleiner als die maximale Konvektionstemperatur T_ConvMax eingestellt werden. Die Steuerung fährt mit 220 fort, wenn das zweite Temperatursignal T_EHC kleiner als die minimale Konvektionstemperatur T_ConvMin ist, ansonsten kann die Steuerung zu 216 zurückkehren.
Bei 220 kann der Luftpumpmodus und/oder die EHC-Erwärmung ausgeschaltet werden. Dies kann auch umfassen, dass ein Einschalten von Zündfunken und Kraftstoff zugelassen wird, wobei die Maschine 14 nicht mehr als eine Luftpumpe verwendet wird, und/oder ein Deaktivieren der Luftpumpe 46 umfassen. Das Einschalten und Ausschaltender EHC-Erwärmung, wie oben beschrieben ist, ermöglicht eine energieeffiziente Katalysatorerwärmung. Die Steuerung kann nach 220 enden oder kann zu 202 zurückkehren, wie gezeigt ist.
Das oben beschriebene Verfahren kann während einer der Aufgaben 202–220 enden, wenn beispielsweise die Maschine 14 aktiviert wird. Eine Aktivierung der Maschine 14 kann eine Aktivierung von Zündfunken und Kraftstoff der Maschine 14 und eine Deaktivierung der Luftpumpe 46 aufweisen. Die Luftpumpe 46 kann für exotherme Unterstützung verwendet werden, wenn die Maschine 14 aktiviert ist, um die Temperatur eines Katalysators mit minimalem zugeordnetem Kraftstoffverbrauch einzustellen. Die oben beschriebenen Aufgaben, die bei 202–220 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 zu erwärmen, und die Steuerung arbeitet in dem Maschinendrehzahlbeibehaltungsmodus. 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 nicht in dem Luftpumpmodus. MODUS 3 wild nach dem MODUS 2 durchgeführt und umfasst die Beibehaltung der Aktivierung der Katalysatorerwärmungsschaltung. Bei MODUS 3 braucht die Steuerung nicht in dem Maschinendrehzahlbeibehaltungsmodus arbeiten und arbeitet in dem Luftpumpmodus, um den Nicht-EHC 50 konvektiv zu erwärmen. Für MODUS 3 ist der CC 18 bei einer ersten Zeit und bei einer zweiten Zeit gezeigt, die nach der ersten Zeit stattfindet. Je länger die Katalysatorerwärmungsschaltung aktiviert ist und der Luftpumpmodus eingeschaltet ist, um so stärker steigt die Temperatur des Nicht-EHC 50.
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 einen Emissionsausgang der Maschine durch Erwärmen von Katalysatoren vor einer Aktivierung einer Maschine.
Der Fachmann kann nun aus der vorhergehenden Beschreibung erkennen, dass die breiten Lehren der Offenbarung in einer Vielzahl von Formen implementiert sein 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) eine erste Temperatur eines nicht elektrisch beheizten Katalysators (EHC) einer Katalysatoranordnung in einem Abgassystem einer Maschine und/oder (ii) ein aktives Katalysatorvolumen der Katalysatoranordnung überwacht; ein Modusauswahlmodul, das derart konfiguriert ist, dass es auf Grundlage der ersten Temperatur und/oder des aktiven Katalysatorvolumens einen EHC-Erwärmungsmodus wählt und ein Modussignal erzeugt; und ein EHC-Steuermodul, das einen Strom zu einem EHC der Katalysatoranordnung auf Grundlage des Modussignals steuert.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein zweites Überwachungsmodul, das eine zweite Temperatur des EHC überwacht, wobei das Modusauswahlmodul derart konfiguriert ist, dass ein Maschinendrehzahlbeibehaltungsmodus und ein Luftpumpmodus gewählt werden, und das Modussignal auf Grundlage der zweiten Temperatur erzeugt; und ein Luftpumpmodul, das zumindest eine Pumpwirkung auslöst, um Luft in einen Einlass der Katalysatoranordnung während des Luftpumpmodus zu pumpen, wobei die zumindest eine Pumpwirkung (i) ein Drehen einer Kurbelwelle der Maschine, wenn die Maschine deaktiviert ist, und (ii) ein Aktivieren einer Luftpumpe umfasst.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 2, wobei Zündfunken und Kraftstoff der Maschine abgeschaltet sind, wenn die Maschine deaktiviert ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 2, ferner mit einem ersten Vergleichsmodul, das das aktive Katalysatorvolumen mit einem vorbestimmten Volumen vergleicht und ein erstes Vergleichssignal erzeugt, wobei das Modusauswahlmodul den Luftpumpmodus wählt, wenn das Vergleichsmodul angibt, dass das aktive Katalysatorvolumen kleiner als das vorbestimmte Volumen ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 2, ferner mit einem ersten Vergleichsmodul, das die erste Temperatur mit einer Katalysatoranspringtemperatur vergleicht und ein erstes Vergleichssignal erzeugt, wobei das Modusauswahlmodul den Luftpumpmodus wählt, wenn das erste Vergleichssignal angibt, dass die erste Temperatur kleiner als die Anspringtemperatur ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 5, ferner mit einem zweiten Vergleichsmodul, das die zweite Temperatur mit einer maximalen EHC-Konvektionstemperatur vergleicht und ein zweites Vergleichssignal erzeugt, wobei das Modusauswahlmodul den Luftpumpmodus wählt, wenn das zweite Vergleichssignal angibt, dass die zweite Temperatur größer als die maximale EHC-Konvektionstemperatur ist, und wobei das Modusauswahlmodul den Maschinendrehzahlbeibehaltungsmodus wählt, wenn das zweite Vergleichssignal angibt, dass die zweite Temperatur kleiner als oder gleich der maximalen EHC-Konvektionstemperatur ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 6, ferner mit einem dritten Vergleichsmodul, das die zweite Temperatur mit einer minimalen EHC-Konvektionstemperatur vergleicht und ein zweites Vergleichssignal erzeugt, wobei das Modusauswahlmodul den Maschinendrehzahlbeibehaltungsmodus wählt, wenn das zweite Vergleichssignal angibt, dass die zweite Temperatur kleiner als die minimale EHC-Konvektionstemperatur ist, und wobei das Modusauswahlmodul den Luftpumpmodus wählt, wenn das zweite Vergleichssignal angibt, dass die zweite Temperatur größer als oder gleich der minimalen EHC-Konvektionstemperatur ist.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 2, ferner mit einer Katalysatorannordnung, wobei die Katalysatoranordnung umfasst: den Nicht-EHC; und einen EHC stromaufwärts von dem Nicht-EHC, und wobei das EHC-Steuermodul während des Luftpumpmodus Wärme von dem EHC zu dem Nicht-EHC überträgt.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 2, wobei das EHC-Steuermodul die Luftpumpe aktiviert, um Umgebungsluft in das Abgassystem stromaufwärts von der Katalysatoranordnung während des Luftpumpmodus zu pumpen.
Katalysatorerwärmungssystem nach Anspruch 2, wobei das Modusauswahlmodul so konfiguriert ist, dass der Luftpumpmodus gewählt wird, wenn eine Maschinendrehzahl kleiner als eine vorbestimmte Drehzahl ist.