DE102011109068B4

DE102011109068B4 - Regenerationsverfahren für einen partikelmaterialfilter

Info

Publication number: DE102011109068B4
Application number: DE102011109068A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Gonze; Halim G. Santoso; Michael J. Paratore jun.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2031-08-02
Also published as: CN102373989A; CN102373989B; US8429899B2; US20120031072A1; DE102011109068A1

Abstract

Regenerationsverfahren, umfassend: Empfangen eines Abgases über ein stromaufwärtiges Ende eines Partikelmaterial-(PM)-Filters (14, 180) eines Abgassystems (16) einer Maschine (18); Lenken von Umgebungsluft zu einer ersten Abgasleitung (72) stromaufwärts von dem PM-Filter (14, 180) über eine Luftpumpe (65); Bestimmen eines gegenwärtigen Rußbeladungsniveaus des PM-Filters (14, 180); Bestimmen einer Temperatur des PM-Filters (14, 180); und Bestimmen eines ersten Abgasdurchflusses des PM-Filters (14, 180); gekennzeichnet durch: Deaktivieren der Luftpumpe (65) und Betrieb der Maschine (18) innerhalb eines vorbestimmten Stöchiometriebereiches auf Grundlage der gegenwärtigen Rußbeladung, der Temperatur und des ersten Abgasdurchflusses.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Regenerationsverfahren für einen Partikelmaterialfilter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der DE 10 2004 046 638 A1 bekannt geworden ist.
Auch die DE 10 2005 062 398 A1 und die DE 103 45 986 A1 befassen sich mit der Regeneration von Partikelfiltern mittels Zuführung von Umgebungsluft stromaufwärts des Partikelfilters.
Ferner beschreibt die DE 101 08 720 A1 Maßnahmen zur Reduzierung der Reaktionsgeschwindigkeit der Filterregeneration durch gezielte Reduzierung des Sauerstoffgehaltes im Abgas.
HINTERGRUND
Maschinen erzeugen Partikelmaterial (PM), das von dem Abgas durch einen PM-Filter gefiltert wird. Der PM-Filter ist in einem Abgassystem der Maschine 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. Eine Regeneration kann eine Erwärmung des PM-Filters auf eine Verbrennungstemperatur des PM betreffen. Es existieren verschiedene Wege zur Ausführung der Regeneration, einschließlich einer Modifizierung einer Maschinenregulierung, die Verwendung eines Kraftstoffbrenners, die 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), einen Oxidationskatalysator (OC) und einen Partikelmaterial-(PM)-Filter aufweisen, die stromabwärts von einer Maschine angeordnet sind. Das Abgas von der Maschine 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 Abgas, das von dem TWC empfangen wird, verbleibt.
Ausgehend von dem obigen Beispiel kann ein Zündfunken der Maschine nach spät verstellt werden, um die Maschine und somit das Abgassystem zu erwärmen, um eine Regeneration des PM-Filters auszulösen. Der PM-Filter kann auf eine PM-Verbrennungstemperatur von beispielsweise 600–750°C erwärmt werden. Die erhöhten Temperaturen der Abgassystemkomponenten können die Betriebslebensdauer des TWC und/oder des OC verringern. Auch ist eine erhöhte Kraftstoffmenge erforderlich, um diese Erwärmung bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein Regenerationsverfahren vorgesehen, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst. Es wird Abgas von einem stromaufwärtigen Ende eines Partikelmaterial-(PM)-Filters eines Abgassystems einer Maschine empfangen. Umgebungsluft wird an eine erste Abgasleitung stromaufwärts von dem PM-Filter über eine Luftpumpe geführt. Ein gegenwärtiges Rußbeladungsniveau des PM-Filters wird bestimmt. Es wird eine Temperatur des PM-Filters bestimmt. Es wird ein Abgasdurchfluss des PM-Filters bestimmt. Die Luftpumpe wird deaktiviert. Die Maschine wird innerhalb eines vorbestimmten Stöchiometriebereiches auf Grundlage der gegenwärtigen Rußbeladung, der Temperatur und des Abgasdurchflusses betrieben.
Ein Regenerationssystem weist ein Modul für die Beladung eines Partikelmaterial-(PM)-Filters auf, das ein gegenwärtiges Rußbeladungsniveau eines PM-Filters bestimmt. Ein PM-Filtertemperaturmodul bestimmt eine Temperatur des PM-Filters. Ein Abgasdurchflussmodul bestimmt einen Abgasdurchfluss des PM-Filters. Ein Steuermodul deaktiviert eine Luftpumpe eines Luftpumpenkreislaufs und betreibt eine Maschine innerhalb eines vorbestimmten Stöchiometriebereichs auf Grundlage der gegenwärtigen Rußbeladung, der Temperatur und des Abgasdurchflusses.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorgesehenen Beschreibung offensichtlich.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken.
1 ist ein Funktionsblockschaubild eines Maschinensystems, das ein Regenerationssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
2 ist ein Funktionsblockschaubild eines Maschinensteuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 ist ein exothermes Abgasdiagramm gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 ist ein logisches Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung der Regeneration gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
5A und 5B zeigen Kaltstart- und Regenerationsverfahren mit dem Verfahren zur Überwachung und Steuerung der Regeneration von 4 und gemäß der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. Zu Zwecken der Klarheit werden dieselben Bezugszeichen in den Zeichnungen zur Identifizierung ähnlicher Elemente verwendet. Die hier verwendete Formulierung ”zumindest eines aus A, B und C” ist so auszulegen, 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 ohne Änderung der Grundsätze der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden können.
Der hier verwendete Begriff ”Modul” kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine elektronische Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein Field Programmable Gate Array (FPGA); einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), der Code ausführt; andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination einiger oder alle der obigen; wie in einem System-on-Chip betreffen, Teil davon sein oder umfassen. Der Begriff ”Modul” kann einen Speicher (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) aufweisen, der durch den Prozessor ausgeführten Code speichert.
Der Begriff ”Code”, wie oben verwendet ist, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode aufweisen und kann Programme, Routinen, Funktionen, Klassen und/oder Objekte betreffen. Der Begriff ”gemeinsam genutzt”, wie oben verwendet ist, bedeutet, dass einiger oder der gesamte Code von mehreren Modulen unter Verwendung eines einzelnen (gemeinsam genutzten) Prozessors ausgeführt werden kann. Zusätzlich kann einiger oder der gesamte Code von mehreren Modulen durch einen einzelnen (gemeinsam genutzten) Speicher gespeichert werden. Der Begriff ”Gruppe”, wie oben verwendet ist, bedeutet, dass einiger oder der gesamte Code von einem einzelnen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Prozessoren ausgeführt werden kann. Zusätzlich kann einiger oder der gesamte Code von einem einzelnen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Speichern gespeichert werden.
Die Vorrichtungen und Verfahren, die hier beschrieben sind, können durch ein oder mehrere Computerprogramme implementiert sein, die durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden. Die Computerprogramme umfassen prozessorausführbare Anweisungen, die an einem nicht flüchtigen konkreten computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten aufweisen. Nicht beschränkende Beispiele des nicht flüchtigen konkreten computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtige Speicher, Magnetspeicher und optische Speicher.
Ein Abgassystem kann einen Partikelmaterial-(PM)-Filter aufweisen, der stromabwärts von einer Maschine angeordnet ist. Abgas von der Maschine wird durch den PM-Filter gefiltert. Während der Regeneration kann der PM-Filter auf eine PM-Verbrennungstemperatur durch Bereitstellung einer Erhöhung von Kraftstoff für die Maschine erwärmt werden. In der folgenden Offenbarung sind Implementierungen beschrieben, die ein Erhöhen von Regenerationstemperaturen aufweisen, während Regenerationszeiten reduziert werden. Eine PM-Oxidation korreliert exponentiell mit der Temperatur. Aus diesem Grund verbrennt, je größer die Regenerationstemperatur ist, um so schneller das PM. Reduzierte Regenerationszeiten reduzieren den Kraftstoffverbrauch in Verbindung mit der Regeneration. Die reduzierten Regenerationszeiten werden bereitgestellt, während die Integrität eines PM-Filters beibehalten wird.
In 1 ist ein Maschinensystem 10 gezeigt, das ein Regenerationssystem 12 aufweist. Das Regenerationssystem 12 zielt thermisch auf einem Partikelmaterial-(PM)-Filter 14 eines Abgassystems 16 während der Regeneration durch Steuern der Erwärmung des PM-Filters 14 ab. Das Regenerationssystem 12 minimiert Regenerationszeiten, während ein thermisches Durchgehen des PM-Filters 14 während der Regeneration verhindert wird. Ein thermisches Durchgehen kann während gewisser Betriebsbedingungen auftreten. Ein thermisches Durchgehen kann beispielsweise auftreten, wenn: die PM-Filterbeladung größer als eine vorbestimmte Beladung ist; die Temperatur des PM-Filters 14 größer als eine vorbestimmte Temperatur ist; und/oder der Abgasdurchfluss in dem Abgassystem 16 kleiner als ein vorbestimmter Abgasdurchfluss ist. Ein thermisches Durchgehen betrifft den Zustand, wenn die Temperatur des PM-Filters 14 eine Schädigungstemperatur, die der Schädigung des PM-Filters 14 zugeordnet ist, überschreitet. Die Schädigungstemperatur kann beispielsweise etwa 1200– 1300°C betragen. Dies wird unten weiter beschrieben.
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 18 und das Abgassystem 16 auf. Obwohl die Maschine 18 als eine fremdgezündete (benzin- oder dieselbasierte) Maschine gezeigt ist, ist die Maschine 18 als ein Beispiel vorgesehen. Das Regenerationssystem 12 kann an verschiedenen anderen Maschinen, wie Dieselmaschinen implementiert sein.
Die Maschine 18 verbrennt ein Luft/Kraftstoff-Gemisch, um Antriebsmoment zu erzeugen. Luft tritt in die Maschine 18 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 18. 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 Regenerationssystem 12 weist das Abgassystem 16 und ein Maschinensteuermodul (ECM) 40 auf. Das Abgassystem 16 weist das ECM 40, einen Abgaskrümmer 42, einen ersten Drei-Wege-Wandler (TWC) 44, einen 4-Wege-Wandler (FWC) 46 und einen Luftpumpenkreislauf 48 auf. Optional dazu führt 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 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. Der Betrag an Oxidation erhöht die Temperatur des Abgases.
Der FWC 46 umfasst den PM-Filter 14, ein Gehäuse 49, einen Oxidationskatalysator (OC) (eng gekoppelten Katalysator) und/oder einen zweiten TWC 50. Der PM-Filter 14 und der zweite TWC 50 sind in dem Gehäuse 49 angeordnet und besitzen jeweils ein stromaufwärtiges und stromabwärtiges Ende. Der zweite TWC 50 kann in Kontakt mit dem PM-Filter 14 stehen oder kann von dem PM-Filter 14 um einen Spalt G getrennt sein, um eine 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 empfangen 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 Rußpartikel, die in dem Abgas vorhanden sind.
Der Luftpumpenkreislauf 48 umfasst eine erste Luftleitung 60, ein Luftventil 62, eine zweite Luftleitung 64, eine Luftpumpe 65 und eine dritte Luftleitung 66. Die erste Luftleitung 60 ist zwischen den Abgaskrümmer 42 und das Luftventil 62 geschaltet. Die erste Luftleitung 60 kann direkt mit dem Abgaskrümmer 42 oder mit 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 das Luftventil 62 und die Luftpumpe 65 geschaltet. Die dritte Luftleitung 66 ist zwischen das Luftventil 62 und den FWC 46 geschaltet. Die dritte Luftleitung 66 kann mit einer Abgasleitung 42 zwischen dem ersten TWC 44 und dem FWC 46 verbunden sein.
Das Luftventil 62 besitzt zwei Betriebspositionen und entsprechende Moden. Während des ersten Modus befindet sich das Luftventil 62 in einer ersten Position. Der erste Modus kann als ein Kaltstartmodus bezeichnet werden. In dem ersten Modus wird Umgebungsluft an die erste Luftleitung 60 unter Verwendung der Luftpumpe 65 geführt. Die Umgebungsluft kann an den Abgaskrümmer 42 und/oder Abgasventile der Maschine 18 geführt werden.
Während eines zweiten Modus befindet sich das Luftventil 62 in einer zweiten Position. Der zweite Modus kann als ein Regenerationsmodus oder ein fett arbeitender Modus bezeichnet werden. Während des Regenerationsmodus und des fett arbeitenden Modus wird Umgebungsluft an die dritte Luft- und/oder Abgasleitung 66, 72 unter Verwendung der Luftpumpe 65 geführt.
Das ECM 40 steuert die Maschine 18, die Position des Luftventils 62, die Luftpumpe 65 und die PM-Filterregeneration auf Grundlage verschiedener erfasster Informationen und Rußbeladung. Genauer schätzt das ECM 40 eine Beladung des PM-Filters 14. Wenn die geschätzte Beladung bei einem vorbestimmten Regenerationsniveau S_R liegt und/oder eine Druckdifferenz P_PF über den PM-Filter 14 größer als ein vorbestimmter Druck ist, werden ein Betrieb der Maschine 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 von PM in dem PM-Filter 14 variiert werden.
Während der Regeneration wird die Maschine 18 in dem fetten Modus betrieben, und Umgebungsluft wird an die dritte Luft- und Abgasleitung 66, 72 geführt, um den zweiten TWC 50 auf die Regenerationstemperaturen zu erwärmen. Auf Grundlage eines Zeitgebers 73 kann die Maschine 18 in dem fetten Modus betrieben werden und Umgebungsluft kann an die dritte Luft- und Abgasleitung 66, 72 geführt werden. Der Zeitgeber 73 kann Teil des ECM 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, das durch den PM-Filter 14 gelangt, erzeugt wird.
Während der Regeneration wird die Erwärmung des PM-Filters 14 ohne zunehmende Temperaturen der Maschine 18 und/oder Komponenten des Abgassystems 16 stromaufwärts von dem PM-Filter 14 oberhalb normaler Betriebstemperaturen durchgeführt (beispielsweise 93–121°C für eine Maschine und 200–300°C für Abgassystemkomponenten stromaufwärts von einem PM-Filter).
Das obige System kann Sensoren 80 zur Bestimmung von Abgasströmungsniveaus, Abgastemperaturniveaus, Abgasdruckniveaus, Sauerstoffniveaus, Ansaugluftdurchflüssen, Ansaugluftdruck, Ansauglufttemperatur, Maschinendrehzahl, AGR, etc. aufweisen. Es sind Abgasströmungssensoren 82, Abgastemperatursensoren 83, Abgasdrucksensoren 85, ein Sauerstoffsensor 88, ein AGR-Sensor 90, ein Ansaugluftströmungssensor 92, ein Ansaugluftdrucksensor 94, ein Ansauglufttemperatursensor 96 und ein Maschinendrehzahlsensor 98 gezeigt.
Ein erster Abgas-Strömungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 100 kann mit der ersten Luftleitung 60 und stromaufwärts von dem ersten TWC 44 verbunden sein. Ein zweiter Abgas-Strömungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 102 kann mit der Abgasleitung 72 und zwischen dem ersten TWC 44 und dem FWC 46 verbunden sein. Ein dritter Abgas-Strömungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 104 kann mit dem FWC 46 verbunden sein. Der dritte Abgassensor 104 kann eine Temperatur von Abgas beispielsweise in dem Spalt G detektieren. Ein vierter Abgas-Strömungs-, Druck- und/oder Temperatursensor 106 kann stromabwärts des FWC 46 verbunden sein. Das Steuermodul 40 kann die Maschine 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, 106 betreiben. Der zweite und vierte Sensor 102, 106 können dazu verwendet werden, Einlass- und Auslassdurchflüsse des PM-Filters 14 zu detektieren.
Nun Bezug nehmend auch auf 2 ist das ECM 40 gezeigt. Das ECM 40 umfasst ein PM-Filtertemperaturmodul 150, ein Katalysatortemperaturmodul 152, ein Abgasdurchflussmodul 154, ein PM-Filterdruckmodul 156, ein PM-Filterbeladungsmodul 158, ein Regenerationsmodul 160 und ein Durchgehverhinderungsmodul 162. das PM-Filtertemperaturmodul 150 überwacht Temperaturen des PM-Filters 14. Das PM-Filtertemperaturmodul 150 kann beispielsweise Einlass- und Auslasstemperatursignale T_PFIN (151), T_PFOUT (153) von PM-Filtertemperatursensoren, wie den Sensoren 104, 106 empfangen. Das PM-Filtertemperaturmodul 150 kann ein PM-Filtertemperatursignal T_PF (155) auf Grundlage der Einlass- und Auslasstemperatursignale T_PFIN, T_PFOUT erzeugen.
Das Katalysatortemperaturmodul 152 kann Temperaturen von einem oder mehreren des TWC 44 und des TWC 50 überwachen. Das Katalysatortemperaturmodul 152 kann ein erstes und zweites Katalysatortemperatursignal T_CAT1 (157), T_CAT2 (159) empfangen, die Temperaturen des TWC 44 und des TWC 50 angeben. Das Katalysatortemperaturmodul 152 kann ein Katalysatortemperatursignal T_CAT (161) auf Grundlage des ersten und zweiten Katalysatortemperatursignals T_CAT1, T_CAT2 erzeugen.
Das Abgasdurchflussmodul 154 überwacht einen Durchfluss von Abgas in dem Abgassystem 16. Das Abgasdurchflussmodul 154 kann Abgasdurchflusssignale F_1-N (163) von Abgasdurchflusssensoren empfangen, wie den Sensoren 100, 102, 104, 106, wobei N eine ganze Zahl ist. Das Abgasdurchflussmodul 154 kann ein Abgasdurchflusssignal F_EXH (165) auf Grundlage der Abgasdurchflusssignale F_1-N erzeugen.
Das PM-Filterdruckmodul 156 kann eine Druckdifferenz P_PF (167) über dem PM-Filter 14 bestimmen. Die Druckdifferenz P_PF kann auf Grundlage eines Einlassdurchflusssignals F_IN (169), eines Auslassdurchflusssignals F_OUT (171) und eines Maschinendrehzahlsignals ENG (173) bestimmt werden. Das Einlassdurchflusssignal F_IN und das Auslassdurchflusssignal F_OUT können beispielsweise durch die Sensoren 104, 106 erzeugt werden. Die Abgasdurchflusssignale F_1-N können die Durchflusssignale F_IN, F_OUT aufweisen. Die Druckdifferenz P_PF kann auf Grundlage einer Differenz zwischen Einlass- und Auslassdrücken des PM-Filters 14 bestimmt werden, die beispielsweise durch die Sensoren 104, 106 bereitgestellt werden können.
Das PM-Filterbeladungsmodul 158 schätzt eine Rußbeladung S₁ (175) des PM-Filters 14. Das PM-Filterbeladungsmodul 158 kann eine Rußbeladung S₁ auf Grundlage von Parametern, wie Fahrzeugfahrleistung, Abgasdruck, Abgasabfalldruck über dem PM-Filter (beispielsweise Druckdifferenz P_PF) durch ein Vorhersageverfahren, etc. schätzen. Die Fahrleistung betrifft eine Fahrzeugfahrleistung, die etwa der Fahrzeugmaschinenbetriebszeit und/oder der erzeugten Menge an Abgas entspricht oder dazu verwendet werden kann, die Fahrzeugmaschinenbetriebszeit und/oder die erzeugte Menge an Abgas zu schätzen. Als ein Beispiel kann eine Regeneration ausgeführt werden, wenn ein Fahrzeug etwa 200–300 Meilen gefahren ist. Die erzeugte Rußmenge hängt von dem Fahrzeugbetrieb über die Zeit ab. Bei Leerlaufdrehzahlen wird weniger Ruß erzeugt, als bei Betrieb bei Reisegeschwindigkeiten. Die erzeugte Menge an Abgas steht mit dem Zustand der Rußbeladung in dem PM-Filter in Verbindung.
Der Abgasdruck kann dazu verwendet werden, die Menge an Abgas, die über eine Zeitperiode erzeugt wird, zu schätzen. Wenn ein Abgasdruck eine vorbestimmte Druckschwelle überschreitet oder wenn ein Abgasdruck unter eine vorbestimmte Druckschwelle sinkt, kann eine Regeneration ausgeführt werden. Wenn beispielsweise ein in einen PM-Filter eintretender Abgasdruck eine vorbestimmte Druckschwelle überschreitet, kann eine Regeneration ausgeführt werden. Als ein anderes Beispiel kann, wenn der einen PM-Filter verlassende Abgasdruck unterhalb einer vorbestimmten Druckschwelle liegt, eine Regeneration ausgeführt werden. Ein Abgasabfalldruck kann dazu verwendet werden, die Menge an Ruß in einem PM-Filter zu schätzen. Beispielsweise nimmt, wenn der Abfalldruck steigt, die Rußmengenbeladung zu. Der Abgasabfalldruck kann durch Bestimmung des Drucks von in einen PM-Filter eintretendem Abgas minus den Druck von den PM-Filter verlassendem Abgas bestimmt werden. Abgassystemdrucksensoren können dazu verwendet werden, diese Drücke bereitzustellen.
Das Vorhersageverfahren kann die Bestimmung eines oder mehrerer Maschinenbetriebsbedingungen umfassen, wie Maschinenlast, Kraftstofflieferschemata (Muster, Volumen, etc.), Kraftstoffinjektionszeitpunkt, ein Abgasrückführungs-(AGR)-Niveau. Ein kumulativer Gewichtungsfaktor kann auf Grundlage der Maschinenbedingungen verwendet werden. Der kumulative Gewichtungsfaktor steht mit der Rußbeladung in Verbindung. Wenn der kumulative Gewichtungsfaktor eine Schwelle überschreitet, kann eine Regeneration ausgeführt werden.
Das Regenerationsmodul 160 steuert eine Regeneration einschließlich Auslösen, Aussetzen und Stoppen oder Beenden der Regeneration auf Grundlage verschiedener Parameter. Beispielsweise kann das Regenerationsmodul 160 eine Regeneration auf Grundlage des PM-Filtertemperatursignals T_PF, des Katalysatortemperatursignals T_CAT, des Abgasdurchflusssignals F_EXH, des Maschinendrehzahlsignals ENG, der Rußbeladung S₁ etc. steuern. Das Regenerationsmodul 160 kann ein Luftpumpensignal LUFTPUMPE (177), ein Kraftstoffsteuersignal KRAFTSTOFF (179), und/oder ein Zündfunkensteuersignal ZÜNDFUNKEN (181) auf Grundlage der Parameter erzeugen. Das Luftpumpensignal LUFTPUMPE aktiviert und deaktiviert die Luftpumpe 65.
Das Durchgehverhinderungsmodul 162 überwacht verschiedene Parameter und bestimmt, warm ein Zustand eines thermischen Durchgehens existiert. Ein Zustand eines thermischen Durchgehens betrifft den Zustand, wenn Werte gewisser Parameter so sind, dass ein thermisches Durchgehen stattfinden kann. Ein Zustand mit thermischem Durchgehen kann beispielsweise auf Grundlage der Rußbeladung S₁, des PM-Filtertemperatursignals T_PF und des Abgasdurchflusssignals F_EXH bestimmt werden. Je größer die Rußbeladung ist, um so höher ist die Temperatur des PM-Filters 14 und/oder um so geringer ist der Durchfluss des PM-Filters 14, um so wahrscheinlicher ist es, dass der PM-Filter 14 während der Regeneration ein Ereignis mit thermischem Durchgehen aufweist. Das Durchgehverhinderungsmodul 162 kann die Rußbeladung S₁, die PM-Filtertemperatur T_PF und das Abgasdurchflusssignal F_EXH überwachen und auf Grundlage dieser Parameter verhindern, dass der PM-Filter 14 ein Ereignis eines thermischen Durchgehens aufweist.
Das Durchgehverhinderungsmodul 162 erzeugt ein Regenerationsaussetzsignal AUSSETZEN (183), um eine Regeneration auszusetzen, wenn ein Zustand eines thermischen Durchgehens existiert. Das Regenerationsmodul 160 setzt eine Regeneration auf Grundlage des Aussetzsignals AUSSETZEN aus. Das Regenerationsaussetzsignal AUSSETZEN kann auch angeben, wann eine Regeneration fortzusetzen ist. Dies kann stattfinden, wenn der Zustand eines thermischen Durchgehens nicht mehr existiert. Ein Aussetzen der Regeneration kann ein Deaktivieren der Luftpumpe 65 und einen Betrieb der Maschine 18 bei Stöchiometrie aufweisen. Ein Betrieb bei Stöchiometrie verringert Sauerstoffniveaus und stoppt eine CO- und HC-Regenerationsbelieferung.
Bei einer Implementierung kann das Durchgehverhinderungsmodul 162 die Rußbeladung S₁, das PM-Filtertemperatursignal T_PF und das Abgasdurchflusssignal F_EXH mit vorbestimmten Rußbeladungs-, Temperatur- und Abgasströmungsschwellen S_Th, T_Th und F_Th (gemeinsam 185) vergleichen. Das Durchgehverhinderungsmodul 162 kann dem Regenerationsmodul 160 signalisieren, die Regeneration zu aussetzen, wenn: die Rußbeladung S₁ größer als die Rußbeladungsschwelle S_Th ist; das PM-Filtertemperatursignal T_PF größer als die Temperaturschwelle T_Th ist; und das Abgasdurchflusssignal F_EXH kleiner als die Abgasdurchflussschwelle F_Th ist.
Die Schwellen S_Th, T_Th und F_Th brauchen keine fixierten Werte sein und können auf Grundlage der Rußbeladung S₁, des PM-Filtertemperatursignals T_PF und des Abgasdurchflusssignals F_EXH eingestellt werden. Beispielsweise kann die Temperaturschwelle T_Th verringert und/oder die Abgasdurchflussschwelle F_Th erhöht werden, wenn die Rußbeladung S₁ über die Rußbeladungsschwelle S_Th zunimmt. Als ein anderes Beispiel können die Rußbeladungsschwelle S₁ und die Temperaturschwelle T_Th verringert werden, wenn das Abgasdurchflusssignal F_EXH über die Abgasdurchflussschwelle F_Th abnimmt. Als ein noch weiteres Beispiel kann die Rußbeladungsschwelle S₁ verringert und die Abgasdurchflussschwelle F_Th erhöht werden, wenn das PM-Filtertemperatursignal T_PF über die Temperaturschwelle T_Th zunimmt.
Bei einer anderen Implementierung sieht das Durchgehverhinderungsmodul 162 in einer Durchgehverhinderungstabelle 164 auf Grundlage der Rußbeladung S₁, den PM-Filtertemperatursignal T_PF und dem Abgasdurchflusssignal F_EXH einen Verhinderungswert PREV (187) nach. Die Durchgehverhinderungstabelle 164 ist in dem Speicher 166 gespeichert. Das Durchgehverhinderungsmodul 162 bestimmt auf Grundlage des Verhinderungswerts PREV, ob eine Regeneration ausgesetzt werden soll, und erzeugt das Regenerationsaussetzsignal AUSSETZEN. Bei einer noch weiteren Implementierung kann das Durchgehverhinderungsmodul 162 das Aussetzsignal AUSSETZEN auf Grundlage einer Funktion von Parametern erzeugen, einschließlich der Rußbeladung S₁, dem PM-Filtertemperatursignal T_PF und dem Abgasdurchflusssignal F_EXH.
In 3 ist ein exothermes Abgasdiagramm gezeigt. Um eine Regeneration von. Partikeln in einem PM-Filter 180 auszulösen, kann eine Maschine in dem fetten Modus betrieben werden. Der fette Modus betrifft den Betrieb der Maschine bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das fetter als ein stöchiometrisches Verhältnis ist. Sauerstoff in einem Abgassystem wird reduziert, wenn eine Maschine in dem fetten Modus arbeitet. Da das Sauerstoffniveau in dem Abgassystem reduziert ist, wird Umgebungsluft in das Abgassystem gepumpt, um zu ermöglichen, dass der OC 182 in beispielsweise einem FWC CO zu Kohlendioxid (CO₂) umwandelt. Diese Umwandlung bewirkt eine Zunahme der Temperatur des OC 182.
Der OC 182 empfängt thermische Energie und Abgase, die Verbrennungsprodukte aufweisen, wie Wasserstoff (H₂), Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO), von der Maschine. Der OC 182 empfängt auch Sauerstoff (O₂) von einer Luftpumpe. Der OC 182 oxidiert das CO und HC und steigt in der Temperatur, was eine große exotherme Reaktion auslöst, die an den PM-Filter 180 gelangt und entlang des PM-Filters 180 verläuft, während PM in dem PM-Filter 180 verbrannt wird. Die Temperatur des OC 182 wird auf eine Regenerationstemperatur erhöht. Ein schnelles Anspringen des Wandlers sieht reduzierte Kaltstartemissionen vor.
Die hier offenbarten Implementierungen sehen eine schnelle rampenartige Erhöhung der Temperatur eines PM-Filters auf eine HIGH-Regenerationstemperatur vor, die größer als eine minimale Regenerationstemperatur ist. Dies verringert die Regenerationszeit und reduziert einen Kraftstoffverbrauch in Verbindung mit der Regeneration. Eine minimale Regenerationstemperatur betrifft eine minimale Temperatur, bei der PM eines PM-Filters 14 verbrennt oder zündet. Eine beispielhafte minimale Regenerationstemperatur beträgt 350–600°C abhängig davon, ob der PM-Filter 14 katalysiert ist. Bei einer Implementierung beträgt die minimale Regenerationstemperatur etwa 600–600°C. Eine HIGH-Regenerationstemperatur kann beispielsweise 650–700°C betragen. Bei einer anderen Implementierung ist die HIGH-Regenerationstemperatur um einen vorbestimmten Sicherheitsbereich (beispielsweise 200–400°C) größer als eine minimale Regenerationstemperatur und kleiner als eine Schädigungstemperatur (beispielsweise 1200–1300°C) des PM-Filters 14. Je größer die Regenerationstemperatur ist, um so schneller wird ein Regenerationsprozess ausgeführt.
In 4 ist ein logisches Flussdiagramm gezeigt, das Kaltstart- und Regenerationsverfahren zeigt. Obwohl das Verfahren hauptsächlich mit Bezug auf das Maschinensystem 10 und das ECM 40 der 1–2 beschrieben ist, kann das Verfahren auf andere Implementierungen der vorliegenden Offenbarung angewendet werden. Das Verfahren kann bei 200 beginnen. Die unten beschriebene Steuerung kann durch das ECM 40 und/oder durch ein oder mehrere der Module des ECM 40 ausgeführt werden.
Bei 201 werden Sensorsignale erzeugt. Die Sensorsignale können Abgasströmungssignale, Abgastemperatursignale, Abgasdrucksignale, ein Sauerstoffsignal, ein Ansaugluftströmungssignal, ein Ansaugluftdrucksignal, ein Ansauglufttemperatursignal, ein Maschinendrehzahlsignal, ein AGR-Signal, etc. aufweisen, die durch die oben beschriebenen Sensoren 80 und 100–106 der 1 und 2 erzeugt werden können.
Bei 202 bestimmt das ECM 40, ob der Regenerationsmodus des PM-Filters 14 aktiv ist. Die Regeneration kann beispielsweise unter Verwendung des in den 5A und 5B vorgesehenen Verfahrens ausgelöst werden. Während der Regeneration kann die Maschine 18 in dem fetten Modus betrieben und die Luftpumpe 65 aktiviert werden. Die Aufgabe 204 wird ausgeführt, wenn der Regenerationsmodus aktiv ist.
Bei 204 schätzt das PM-Filterbeladungsmodul 158 die Rußbeladung S₁ des PM-Filters 14, wie oben beschrieben ist. Bei 206 bestimmt das Durchgehverhinderungsmodul 162, ob die Rußbeladung S₁ größer als eine vorbestimmte Rußbeladungsschwelle S_Th ist. Das Durchgehverhinderungsmodul 162 fährt mit 208 fort, wenn die Rußbeladung S₁ größer als eine vorbestimmte Schwelle S_Th ist, ansonsten kehrt es zu 201 zurück. Die vorbestimmte Rußbeladungsschwelle S_Th (zweites vorbestimmtes Rußbeladungsniveau) kann kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle S_R (erstes vorbestimmtes Rußbeladungsniveau), das zur Auslösung einer Regeneration verwendet wird, sein. Siehe Aufgabe 312 der 5A und 5B.
Bei 208 schätzt das PM-Filtertemperaturmodul 150 eine Temperatur des PM-Filters 14 und erzeugt das PM-Filtertemperatursignal T_PF. Bei 210 bestimmt das Durchgehverhinderungsmodul 162, ob das PM-Filtertemperatursignal T_PF größer als die Temperaturschwelle T_Th ist. Das Durchgehverhinderungsmodul 162 fährt mit 212 fort, wenn das PM-Filtertemperatursignal T_PF größer als die Temperaturschwelle T_Th ist, ansonsten kehrt es zu 201 zurück.
Bei 212 kann das Abgasdurchflussmodul 154 den Durchfluss des PM-Filters 14 schätzen. Das Abgasdurchflussmodul 154 kann das Abgasdurchflusssignal F_EXH erzeugen, das den Durchfluss des PM-Filters 14 angibt. Bei 214 bestimmt das Durchgehverhinderungsmodul 162, ob das Abgasdurchflusssignal F_EXH kleiner als die Abgasdurchflussschwelle F_Th ist. Die Abgasdurchflussschwelle F_Th kann eine vorbestimmte Schwelle in Kubikmetern pro Sekunde (m³/s) sein, die beispielsweise einer Leerlaufmaschinendrehzahl (beispielsweise 500–700 Umdrehungen pro Minute (U/mm)) zugeordnet ist. Eine Leerlaufmaschinendrehzahl kann beispielsweise auftreten, wenn ein Gaspedal der Maschine 18 nicht ”gedrückt” ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Abgasdurchflussschwelle F_Th einer vorbestimmten Maschinendrehzahl zugeordnet werden, die um einen vorbestimmten Sicherheitsdrehzahlbereich (beispielsweise 50–200 U/min) größer als eine Leerlaufmaschinendrehzahl ist. Das ECM 40 und/oder das Regenerationsmodul 160 können mit 216 fortfahren, wenn das Abgasdurchflusssignal F_EXH kleiner als die Abgasdurchflussschwelle F_Th ist, ansonsten kehrt es zu 201 zurück.
Während der Aufgaben 206, 210 und 214 kann das Durchgehverhinderungsmodul 162 bestimmen, ob die Regeneration des PM-Filters 14 zu aussetzen ist. Die Aufgaben 206, 210 und 214 können während derselben Periode ausgeführt werden. Die Aufgaben 206, 210 und 214 können gegen eine Nachschlageaufgabe und/oder eine Funktionsaufgabe ersetzt oder mit einer Nachschlageaufgabe und/oder einer Funktionsaufgabe ausgeführt werden. Das Durchgehverhinderungsmodul 162 kann einen Verhinderungswert PREV auf Grundlage der Rußbeladung S₁, des PM-Filtertemperaturssignals T_PF und dem Abgasdurchflusssignal F_EXH in der Durchgehverhinderungstabelle 164 nachsehen und das Aussetzsignal auf Grundlage des Verhinderungswertes PREV erzeugen. Das Nachlaufverhinderungsmodul 162 kann das Aussetzsignal AUSSETZEN auf Grundlage einer Funktion der Rußbeladung S₁, dem PM-Filtertemperatursignal T_PF und dem Abgasdurchflusssignal F_EXH erzeugen. Die Aufgabe 216 wird ausgeführt, wenn die Regeneration ausgesetzt ist.
Bei 216 setzt das Regenerationsmodul 160 die Regeneration aus (PM-Filterschutzmodus). Das Regenerationsmodul 160 und/oder das ECM 40 können die Luftpumpe 65 deaktivieren und die Maschine 18 bei Stöchiometrie (beispielsweise einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14,7:1) und/oder innerhalb eines vorbestimmten Stöchiometriebereiches betreiben. Dies kann den Prozentsatz von Sauerstoff O₂ in dem Abgassystem 16 auf etwa 0,5% verringern, was die Fortsetzung der Regeneration verhindert. Der Betrieb bei Stöchiometrie reduziert die Sauerstoffkonzentration in dem Abgassystem 16 und in dem PM-Filter 14, was ein Fortsetzen der Regeneration verhindert. Reduzierte Sauerstoffkonzentrationsniveaus reduzieren die Temperatur des PM-Filters 14. Dies beschränkt Temperaturspitzen in dem PM-Filter 14. Eine Emissionsleistungsfähigkeit, wie eine PZEV-Emissionsleistungsfähigkeit, wird aufgrund des Betriebs bei Stöchiometrie beibehalten.
Bei 218 bestimmt das Regenerationsmodul 160, ob die Regeneration vollständig ist. Die Aufgabe 220 wird ausgeführt, wenn die Regeneration nicht vollständig ist. Wenn die Regeneration vollstänidig ist, kann die Steuerung zu 201 zurückkehren, zu 310 zurückkehren (wenn das Verfahren von 5 ausgeführt wird) oder bei 226 enden, wie gezeigt ist.
Bei 220 bestimmt das Durchgehverhinderungsmodul 162, ob das Abgasdurchflusssignal F_EXH größer oder gleich der Abgasdurchflußschwelle F_Th ist. Das ECM 40 und/oder das Regenerationsmodul 160 können mit 222 fortfahren, wenn das Abgasdurchflusssignal F_EXH größer oder gleich der Abgasdurchflussschwelle F_Th ist. Obwohl die Aufgabe 220 eine Prüfung umfasst, ob das Abgasdurchflusssignal F_EXH größer oder gleich der Abgasdurchflussschwelle F_Th ist, können andere Parameterprüfungen vor einem Fortfahren mit Aufgabe 222 ausgeführt werden. Die Parameterprüfungen können beispielsweise eine Prüfung umfassen, ob (i) die Rußbeladung des PM-Filters 14 größer als die Rußbeladungsschwelle S_Th ist, und (ii) die Temperatur des PM-Filters 14 T_PF größer als die Temperaturschwelle T_Th ist.
Bei 222 reaktiviert das Regenerationsmodul 160 und/oder das ECM 40 die Luftpumpe. Bei 224 kehrt das Regenerationsmodul 160 und/oder das ECM 40 zum Betrieb der Maschine 18 in dem fetten Modus zurück. Das ECM 40 kann nach Aufgabe 224 zu Aufgabe 201 zurückkehren.
In den 5a und 5b ist ein logisches Flussdiagramm gezeigt, das Kaltstart- und Regenerationsverfahren zeigt. Obwohl das Verfahren hauptsächlich mit Bezug auf das Maschinensystem 10 und das ECM 40 der 1–2 beschrieben ist, kann das Verfahren auf andere Implementierungen der vorliegenden Offenbarung angewendet werden. Das Verfahren kann bei 300 beginnen. Eine nachfolgend beschriebene Steuerung kann durch das ECM 40 und/oder durch eines oder mehrere der Module des ECM 40 ausgeführt werden.
Bei 301 werden Sensorsignale erzeugt. Die Sensorsignale können Abgasströmungssignale, Abgastemperatursignale, Abgasdrucksignale, ein Sauerstoffsignal, ein Ansaugluftströmungssignal, ein Ansaugluftdrucksignal, ein Ansauglufttemperatursignal, ein Maschinendrehzahlsignal, ein AGR-Signal, etc. aufweisen, die durch die oben beschriebenen Sensoren 80 und 100–106 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 des FWC 46) T_OC kleiner als eine exotherme CO-Temperatur T_COEx (erste vorbestimmte Temperatur) ist. Bei einer Implementierung beträgt die exotherme CO-Temperatur T_COEx 250°C. Bei einer anderen Implementierung beträgt die exotherme CO-Temperatur T_COEx 300°C. Die Temperatur T_OC kann beispielsweise basierend auf 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 FWC. E_{HinzugefügteMasse} ist die Masse beispielsweise des CO, H₂ und HC, die an den OC geliefert werden. HL ist der Wärmeverlust des OC. K ist eine Konstante. F_E ist die Abgasströmung, die eine Funktion des Luftmassenstroms und der Kraftstoff menge, die an Zylinder einer Maschine (beispielsweise Zylinder 28) geliefert werden, sein kann. Der Luftmassenstrom kann durch einen Luftmassenstromsensor, wie einen Ansaugluftstromsensor 92 bestimmt werden. T_OC = T_Start + {E_{HinzugefügteMasse} – HL} (1) HL = K₂ × F_E × T_Einlass (2)
Die Steuerung fährt mit 304 fort, wenn die gegenwärtige Temperatur T_OC kleiner als die exotherme CO-Temperatur T_COEx ist, ansonsten fährt die Steuerung mit 310 fort.
Bei 304 ist das Luftventil (beispielsweise das Luftventil 62) in der ersten Position für einen Maschinenkaltstart positioniert. In der ersten Position kann Luft von dem Luftventil zu dem Abgaskrümmer (beispielsweise dem Abgaskrümmer 42), jedoch nicht von dem Luftventil zu einem Punkt stromabwärts des ersten TWC (beispielsweise dem ersten TWC 44) gelangen. Bei 306 wird die Luftpumpe (beispielsweise die Luftpumpe 65) aktiviert, um Luft in den Abgaskrümmer zu pumpen.
Bei 308 bestimmt die Steuerung wiederum, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC kleiner als die exotherme CO-Temperatur T_COEx ist. Die Steuerung fährt mit 310 fort, wenn die gegenwärtige Temperatur T_OC größer oder gleich der exothermen CO-Temperatur T_COEx ist. Die bei 302–308 ausgeführten Aufgaben erlauben eine Zunahme der Temperatur des Abgassystems auf normale Betriebstemperaturen. Dies steigert 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 exothermen CO-Temperatur T_COEx ist.
Bei 310 schätzt die Steuerung die Rußbeladung des PM-Filters, wie oben beschrieben ist. Bei 312 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Rußbeladung S₁ größer als eine Rußbeladungsschwelle S_R ist. Die Steuerung fährt mit 316 fort, wenn die gegenwärtige Rußbeladung S₁ größer als die untere Schwelle S_R ist, ansonsten fährt die Steuerung mit 314 fort. Bei 314 kann die Steuerung die Luftpumpe deaktivieren, wenn sie nicht nach 308 deaktiviert ist. Bei 316 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC größer oder gleich der exothermen CO-Temperatur T_COEx ist. Die Steuerung fährt mit 318 fort, wenn die gegenwärtige Temperatur T_OC größer oder gleich der exothermen CO-Temperatur T_COEx ist. Die Steuerung erlaubt ein Aufwärmen des OC und/oder FWC auf die exotherme CO-Temperatur T_COEx durch Normalbetrieb der Maschine (beispielsweise Betrieb in dem stöchiometrischen Modus) und des Abgassystems (beispielsweise die Luftpumpe ist deaktiviert).
Bei 318 betreibt die Steuerung die Maschine in dem fetten Modus, um CO und HC zu erzeugen. Der fette Modus wird dazu verwendet, den OC und/oder den FWC bis zu Regenerationstemperaturen zu erwärmen. Der OC und/oder der FWC oxidieren das CO und HC. Die Temperatur des OC und/oder FWC wird 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 der Maschine 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 Betriebs der Maschine in dem fetten Modus sauerstoffabgereichert ist, wird der Sauerstoff stromabwärts von dem ersten TWC bereitgestellt, um zu ermöglichen, dass der OC des FWC empfangenes HC und CO oxidieren kann.
Bei 326 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC größer als oder gleich der exothermen PM-Temperatur T_PMEx (zweite vorbestimmte Temperatur) ist. Die Steuerung erlaubt eine schnelle Zunahme oder ein schnelles rampenartiges Hochfahren (innerhalb einer vorbestimmten Periode) der gegenwärtigen Temperatur T_OC auf die exotherme PM-Temperatur T_PMEx. Die Regeneration des PM-Filters kann beginnen, wenn die Temperatur des OC, des PM-Filters und/oder des FWC für eine vorbestimmte Periode größer als oder gleich der exothermen PM-Temperatur T_PMEx ist. Die exotherme PM-Temperatur (minimale Temperatur) des OC, des PM-Filters und/oder des FWC wird erhalten, um eine Rußverbrennung zu starten. Nur beispielhaft kann die minimale Temperatur etwa 350–650°C abhängig davon sein, ob der PM-Filter katalysiert ist. Die Steuerung fährt mit 328 fort, wenn die gegenwärtige Temperatur T_OC größer oder gleich einer exothermen PM-Temperatur T_PMEx ist.
Bei 328 wird ein Zeitgeber aktiviert. Der Zeitgeber wird dazu verwendet, um zu bestimmen, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC für die vorbestimmte Periode größer oder gleich einer exothermen PM-Temperatur T_PMEx ist.
Bei 330 bestimmt die Steuerung, ob die gegenwärtige Temperatur T_OC für die vorbestimmte Periode größer als oder gleich einer exothermen PM-Temperatur T_PMEx ist. Die Steuerung fährt mit 335 fort, wenn der Zeitgeber größer als oder gleich der vorbestimmten Periode ist, ansonsten mit 332. Bei 332 wird der Zeitgeber inkrementiert.
Bei 335 kann das Regenerationsüberwachungs- und Steuerverfahren von 4 ausgelöst werden. Das Regenerationsüberwachungs- und Steuerverfahren von 4 kann ausgeführt werden, während der Regenerationsmodus aktiv ist (d. h. während der Regeneration des PM-Filters 14). Bei 336 bestimmt die Steuerung, ob die Regeneration vollständig ist. Die Aufgaben 335 und 336 können während derselben Periode ausgeführt werden. Die Steuerung fährt mit der Aufgabe 338 fort, wenn die Regeneration vollständig ist.
Bei 338 und 340 kann die Luftpumpe deaktiviert werden und die Maschine in einem stächiometrischen Modus betrieben werden. Der Betrieb im fetten Modus kann deaktiviert werden, wenn eine ausreichende PM-Temperatur erreicht ist. Die Maschine braucht in dem fetten Modus nur lang genug für die Verbrennung des Rußes arbeiten und kann dann zu einem stöchiometrischen Betriebsmodus zurückgeführt werden. Nach 340 kann die Steuerung zu 310 zurückkehren.
Im Gebrauch bestimmt das Steuermodul, wann der PM-Filter eine Regeneration benötigt. Die Bestimmung basiert auf Rußniveaus in dem PM-Filter. Alternativ dazu kann die Regeneration periodisch oder auf einer Ereignisbasis ausgeführt werden. Das Steuermodul kann schätzen, wann der gesamte PM-Filter eine Regeneration benötigt oder wann Zonen innerhalb des PM-Filters eine Regeneration benötigen.
Die oben beschriebenen Aufgaben der 4, 5A und 5B 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 PM-Filterüberwachungs- und Regenerationssteuerverfahren, die oben beschrieben sind, verhindern Ereignisse eines thermischen Ausbrechens eines PM-Filters durch Entfernung exothermer Kraftstoffkonzentrationsniveaus und Reduzierung von Sauerstoffkonzentrationsniveaus, während Kraftstoff, der in Verbindung mit der PM-Filterregeneration verwendet wird, minimiert ist. Die Verfahren behalten auch eine Emissionssteuerung bei, wenn die Regeneration ausgesetzt ist. Da die Maschine und somit die TWCs des Abgassystems bei Stöchiometrie betrieben werden, wird die Emissionssteuerung aufrechterhalten. Die Verfahren unterstützen die Beibehaltung der Integrität und Haltbarkeit des PM-Filters über die Lebensdauer eines Fahrzeugs.
Die gezielten PM-Filterverfahren der vorliegenden Offenbarung minimieren den verwendeten Kraftstoff und die Anzahl von Komponenten, deren Temperatur während der Regeneration erhöht wird. Dies steigert die Lebensdauer der Abgaskomponenten, wie eines TWC, der stromaufwärts eines Gehäuses eines PM-Filters verbunden ist. Die gezielten PM-Filterverfahren der vorliegenden Offenbarung umfassen eine Entfernung von NOx und eine Umwandlung von HC und CO während der Regeneration eines PM-Filters.

Claims

Regenerationsverfahren, umfassend: Empfangen eines Abgases über ein stromaufwärtiges Ende eines Partikelmaterial-(PM)-Filters (14, 180) eines Abgassystems (16) einer Maschine (18); Lenken von Umgebungsluft zu einer ersten Abgasleitung (72) stromaufwärts von dem PM-Filter (14, 180) über eine Luftpumpe (65); Bestimmen eines gegenwärtigen Rußbeladungsniveaus des PM-Filters (14, 180); Bestimmen einer Temperatur des PM-Filters (14, 180); und Bestimmen eines ersten Abgasdurchflusses des PM-Filters (14, 180); gekennzeichnet durch: Deaktivieren der Luftpumpe (65) und Betrieb der Maschine (18) innerhalb eines vorbestimmten Stöchiometriebereiches auf Grundlage der gegenwärtigen Rußbeladung, der Temperatur und des ersten Abgasdurchflusses.
Regenerationsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Deaktivieren der Luftpumpe (65) und der Betrieb der Maschine (18) bei Stöchiometrie ausgeführt werden, wenn: das gegenwärtige Rußbeladungsniveau größer als ein vorbestimmtes Rußbeladungsniveau ist; die Temperatur größer als eine vorbestimmte Temperatur ist; und der erste Abgasdurchfluss kleiner als ein vorbestimmter Durchfluss ist.
Regenerationsverfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend: Erzeugen eines Verhinderungswertes auf Grundlage des gegenwärtigen Rußbeladungsniveaus, der Temperatur und des ersten Abgasdurchflusses; Erzeugung eines Regenerationsaussetzsignals auf Grundlage des Verhinderungswertes; und Deaktivieren der Luftpumpe (65) und Betrieb der Maschine (18) bei Stöchiometrie auf Grundlage des Aussetzsignals.
Regenerationsverfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: Bestimmen eines zweiten Abgasdurchflusses des PM-Filters (14, 180) anschließend an die Deaktivierung der Luftpumpe (65) und den Betrieb der Maschine (18) bei Stöchiometrie; und Aktivieren der Luftpumpe (65) und Betrieb der Maschine (18) in einem fetten Modus, wenn der zweite Abgasdurchfluss größer oder gleich dem vorbestimmten Durchfluss ist.
Regenerationsverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bestimmen einer Temperatur eines Oxidationskatalysators (182) stromaufwärts von dem PM-Filter (14, 180); Betrieb der Maschine (18) in einem fetten Modus und Aktivieren der Luftpumpe (65), wenn die Temperatur des Oxidationskatalysators (182) größer als eine erste vorbestimmte Temperatur ist; und Deaktivieren der Luftpumpe (65), wenn die Temperatur des PM-Filters (14, 180) größer als eine zweite vorbestimmte Temperatur ist.
Regenerationsverfahren nach Anspruch 1, ferner mit einer Aktivierung der Luftpumpe (65) und einem Betrieb der Maschine (18) in einem fetten Modus, wenn das gegenwärtige Rußbeladungsniveau größer als ein erstes vorbestimmtes Rußbeladungsniveau ist, wobei das Deaktivieren der Luftpumpe (65) und der Betrieb der Maschine (18) bei Stöchiometrie ausgeführt werden, wenn das gegenwärtige Rußbeladungsniveau größer als ein zweites vorbestimmtes Rußbeladungsniveau ist, und wobei das zweite vorbestimmte Rußbeladungsniveau kleiner als oder gleich dem ersten vorbestimmten Rußbeladungsniveau ist.
Regenerationsverfahren nach Anspruch 1, ferner mit einem Aktivieren der Luftpumpe (65) und einem Betrieb der Maschine (18) in einem fetten Modus, wenn eine Druckdifferenz des PM-Filters (14, 180) eine vorbestimmte Druckschwelle überschreitet, wobei das Deaktivieren der Luftpumpe (65) und der Betrieb der Maschine (18) bei Stöchiometrie ausgeführt werden, wenn der erste Abgasdurchfluss des PM-Filters (14, 180) größer als ein vorbestimmter Durchfluss ist; und wobei die Druckdifferenz gleich einer Differenz zwischen einem Einlassdruck und einem Auslassdruck des PM-Filters (14, 180) ist.