DE102013201011A1 - Partikel-Rückhaltesystem - Google Patents

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Abstract

Es werden Verfahren und Systeme zur passiven Regeneration eines an einen Benzinmotor gekoppelten Partikelfilters bereitgestellt. Während Fahrzeug-Verzögerungsbedingungen wird ein Motor über zwei aufeinanderfolgende magere Phasen, die eine anfängliche längere und magerere Phase, gefolgt von einer kürzeren und weniger mageren, Phase, magerer als die Stöchiometrie betrieben. Durch das passive Regenerieren des Filters unter Verwendung eines zeitweisen mageren Motorbetriebs kann die Motorleistung verbessert werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor und im Einzelnen einen Partikelfilter für Benzinmotoren.
  • Motoren können mit Kraftstoff-Direkteinspritzvorrichtungen, die den Kraftstoff direkt in einen Verbrennungszylinder einspritzen (Direkteinspritzung), und/oder mit Kraftstoff-Saugrohreinspritzvorrichtungen, die den Kraftstoff in eine Zylinderöffnung einspritzen (Kraftstoff-Saugrohreinspritzung), konfiguriert sein. Die Direkteinspritzung erlaubt, zusätzlich dazu, dass sie die Ladungskühlwirkung des eingespritzten Kraftstoffs besser ermöglicht, dass ein höherer Kraftstoffwirkungsgrad und eine höhere Leistung erreicht werden.
  • Direkteinspritzungsmotoren erzeugen jedoch auf Grund einer diffusen Flammenausbreitung, wobei sich der Kraftstoff vor der Verbrennung nicht angemessen mit Luft mischen mag, mehr Partikelemissionen (oder Ruß). Da die Direkteinspritzung von Natur aus eine verhältnismäßig späte Kraftstoffeinspritzung ist, mag es keine ausreichende Zeit zum Mischen des eingespritzten Kraftstoffs mit Luft in dem Zylinder geben. Ähnlich mag der eingespritzte Kraftstoff weniger Turbulenz antreffen, wenn er durch die Ventile strömt. Demzufolge kann es Taschen mit einer fetten Verbrennung geben, die örtlich Ruß erzeugen können, was die Abgasemissionen verschlechtert. Außerdem können die in Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung erzeugten Partikel feiner sein als ihre Gegenstücke bei Dieselmotoren.
  • Bei einigen Motorsystemen kann ein Wandstromfilter (oder geschlossener Filter) verwendet werden, um die Partikel aus dem Abgas zu filtern. Jedoch können solche Wandstromfilter eine periodische aktive Regeneration erfordern, die den Motorbetrieb nachteilig beeinflussen kann. Außerdem können solche Wandstromfilter unter sehr hohen Gegendrücken leiden, insbesondere, wenn sie mit einem Katalysator beschichtet sind. Der hohe Filtergegendruck kann durch das Verringern eines Druckabfalls über den Turbolader die Leistung eines Turboladers herabsetzen. Daher kann dies verkleinerte Motoren mit Direkteinspritzung, die turboaufgeladen sind, um eine Leistung zu liefern, die mit herkömmlichen Motoren mit größerem Hubraum vergleichbar ist, nachteilig beeinflussen.
  • Ein anderes Beispiel eines Partikel-(particulate matter – PM-)Filters, der dazu verwendet wird, Ruß aufzufangen, der durch einen Benzinmotor erzeugt wird, wird von Wei et al. in US 2009/0193796 gezeigt. Darin wird ein offener PM-Filter in dem Emissionsbehandlungssystem eingeschlossen, entweder unbeschichtet oder beschichtet mit einem geeigneten Katalysator (z.B. einem Dreiwegekatalysator), der eine passive Regeneration des Filters erleichtert.
  • Jedoch haben die Erfinder hiervon ein mögliches Problem bei solchen Systemen erkannt. Als ein Beispiel kann die Katalysatorladung an dem Filter auf Grund von Gegendruckbeschränkungen begrenzt sein. Die begrenzte Katalysatorladung mag keine ausreichende Regeneration des Filters ermöglichen. Daher kann eine unvollständige Filterregeneration die Filterleistung verringern und die Abgasemissionen verschlechtern. Außerdem kann die begrenzte Katalysatorladung zu gesteigerten Sekundäremissionen aus dem Filter, wie beispielsweise CO aus einer unvollständigen Rußverbrennung und einem Entweichen von Kohlenwasserstoffen, führen. Falls sich der Katalysator auf dem Filter befinden sollte, um andere Reaktionen, wie beispielsweise eine NOx-Reduktion, zu fördern, könnte es eine Verringerung der Aktivität geben, falls der Katalysator durch Ruß blockiert wird, oder die Aktivität könnte durch die kleinere Menge an zulässiger Katalysatorladung auf Grund von Gegendruckbedenken begrenzt sein.
  • Folglich kann in einem Beispiel einigen der obigen Probleme durch ein Verfahren begegnet werden, welches das Strömenlassen von Abgas über einen Filter, der eine Katalysatorbeschichtung hat, während eines stöchiometrischen Motorbetriebs umfasst. Danach, unter ausgewählten Bedingungen, das Umschalten des Motorbetriebs auf magerer als die Stöchiometrie, einschließlich einer ersten, kürzeren und magereren, Phase, gefolgt von einer zweiten, längeren und weniger mageren Phase, wobei der magere Betrieb auf der Grundlage eines Katalysator-Sauerstoffgehalts und einer Filter-Partikelbelastung eingestellt wird. Auf diese Weise können die Partikelemissionen aus einem Motor mit Direkteinspritzung verringert werden
  • Bei einem Beispiel kann, während ein Fahrzeugmotor bei Stöchiometrie arbeitet, das Motorabgas über einen offenen Partikelfilter geführt werden, um Abgaspartikel oder Ruß aufzufangen. Der Filter kann ein geschichteter Filter sein, der wenigstens eine erste katalytische Beschichtung eines Sauerstoff-Speicherkatalysators, die auf das Filtersubstrat geschichtet ist, und wahlweise eine zweite katalytische Beschichtung (z.B. eines Dreiwegekatalysators), die oben auf die erste katalytische Beschichtung geschichtet ist, einschließt. Alternativ dazu kann die katalytische Beschichtung eine einzige Schicht eines Dreiwegekatalysators einschließen, die einen sehr hohen Gehalt eines Sauerstoff-Speicherkatalysators hat. Unter ausgewählten Bedingungen, wie beispielsweise, wenn das Fahrzeug verzögert, kann opportunistisch ein magerer Motorbetrieb durchgeführt werden, um den Filter passiv zu regenerieren. Im Einzelnen kann der Motor über eine erste magere Phase, die unmittelbar von einer zweiten mageren Phase gefolgt wird, magerer als die Stöchiometrie betrieben werden, wobei die erste magere Phase kürzer, aber magerer ist, während die zweite magere Phase länger, aber weniger mager ist. Die erste magere Phase kann auf der Grundlage eines Katalysator-Sauerstoffgehalts eingestellt werden, um so den Sauerstoff-Speicherkatalysator der ersten katalytischen Beschichtung unter Verwendung des Abgas-Sauerstoffs zu oxidieren (oder zu reoxidieren). Außerdem können einige der auf dem Filter gespeicherten Partikel unmittelbar oxidiert werden. Danach kann die zweite magere Phase auf der Grundlage der Filterbelastung sowie der ersten mageren Phase eingestellt werden, um zu ermöglichen, dass der oxidierte Sauerstoff-Speicherkatalysator die umfassende Verbrennung der verbleibenden auf dem Filter gespeicherten Partikel vollendet. Es wird eine Regelung der Gesamtemissionen erreicht.
  • Daher kann der periodische magere Betrieb durchgeführt werden, um den Filter passiv zu regenerieren, während die Filterbelastung geringer ist als ein Schwellenwert, und die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass die Filterbelastung den Schwellenwert überschreitet. Falls die Filterbelastung jedoch den Schwellenwert überschreitet, kann der Filter aktiv regeneriert werden, wobei die gespeicherten Partikel verbrannt werden, um den durch den auf dem Filter zurückgehaltenen Ruß verursachten Gegendruck zu verringern. Zum Beispiel kann die aktive Filterregeneration über chemische Mittel erfolgen, wenn überschüssiger Kraftstoff über einen stromaufwärts gelegenen Katalysator, der Edelmetalle enthält, geführt wird, was eine exotherme Reaktion verursacht, die den stromabwärts gelegenen Filter aktiv erhitzt. Der Kraftstoff könnte als eine späte Einspritzung innerhalb des Motorzylinders oder über eine sekundäre Einspritzvorrichtung direkt in das Auspuffrohr hinzugegeben werden. Als noch eine andere Möglichkeit kann der Filter über externe Mittel, wie beispielsweise elektrische Wärme, erhitzt werden. Bei einem Beispiel kann, bei der Abwesenheit jeglichen Katalysators, die Regeneration des Filters in Luft eine Temperatur von rund 550°C erfordern, um den gespeicherten Ruß zu verbrennen.
  • Auf diese Weise kann eine periodische Abmagerung des Motorbetriebs für eine ausreichende passive Regeneration eines Partikelfilters verwendet werden. Durch die Verwendung einer ersten mageren Phase zum Oxidieren eines auf den Filter beschichteten Sauerstoff-Speicherbestandteils kann die Katalysatorbeschichtung aktiviert werden, während wenigstens einige Partikel verbrannt werden. Dadurch, dass der ersten mageren Phase eine zweite magere Phase folgt, welche die aktivierte katalytische Beschichtung dazu verwendet, die verbleibenden Partikel zu oxidieren, kann der Filter im Wesentlichen vollständig regeneriert werden. Durch das Verringern der Notwendigkeit einer aktiven Regeneration des Filters, wobei eine zusätzliche Menge an Kraftstoff dazu verwendet wird, die Temperatur des Filters zu steigern und den gespeicherten Ruß abzubrennen, kann ein mit Übertemperatur verbundener Komponentenabbau verringert werden, während ebenfalls die Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs verbessert wird.
  • Es sollte zu verstehen sein, dass die obige Kurzdarstellung dazu bereitgestellt wird, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden. Sie soll nicht Schlüssel- oder Wesensmerkmale des beanspruchten Gegenstandes identifizieren, dessen Rahmen eindeutig durch die Ansprüche definiert wird, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen begrenzt, die beliebige Nachteile lösen, die oben oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung vermerkt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine schematische Abbildung eines Motorsystems und eines zugeordneten Partikelfilters.
  • 2 zeigt eine schematische Abbildung einer Verbrennungskraftmaschine.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm höherer Ebene zum periodischen Betreiben eines Motors magerer als die Stöchiometrie, um so den Partikelfilter von 1 passiv zu regenerieren.
  • 4 zeigt einen beispielhaften mageren Motorbetrieb nach der vorliegenden Offenbarung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zum Betreiben eines an einen geschichteten Partikel-(PM-)Filter angeschlossenen Fahrzeugmotors, wie beispielsweise des Motorsystems von 1 bis 2. Abgas aus dem Motor kann über den stromabwärts gelegenen Filter geführt werden, um Abgaspartikel in demselben zu speichern. Ein Motor-Steuergerät kann dafür konfiguriert sein, unter ausgewählten Bedingungen, wie beispielsweise unter Fahrzeug-Verzögerungsbedingungen, einen mageren Motorbetrieb durchzuführen, um so den Filter passiv zu regenerieren. Insbesondere kann das Steuergerät eine Routine, wie beispielsweise die beispielhafte Routine von 3, durchführen, um den Motor über zwei aufeinanderfolgende magere Phasen, die eine erste, kürzere und magerere, Phase, unmittelbar gefolgt von einer zweiten, längeren und weniger mageren, Phase, einschließen, magerer als die Stöchiometrie zu betreiben. Die kurze periodische Abmagerung kann eine Oxidation eines auf den Filter beschichteten Katalysators ermöglichen, so dass der oxidierte Katalysator danach die gespeicherten Partikel oxidieren kann. Ein beispielhafter magerer Motorbetrieb wird in 4 abgebildet. Die periodische passive Regeneration kann Filtergegendrücke verringern, während sie ebenfalls die Notwendigkeit einer aktiven Regeneration des Filters verringert. Auf diese Weise kann die Filterleistung verbessert werden, während ebenfalls der Kraftstoff-Wirkungsgrad und das Emissionsniveau des Motors verbessert werden.
  • 1 zeigt eine schematische Abbildung eines Fahrzeugsystems 6. Das Fahrzeugsystem 6 schließt ein Motorsystem 8 ein, das an einen Partikel-(PM-)Filter 22 angeschlossen ist. Das Motorsystem 8 kann einen Motor 10 einschließen, der mehrere Zylinder 30 hat. Bei einer Ausführungsform ist der Motor 10 ein Funkenzündungsmotor. Der Motor 10 schließt einen Motoreinlass 23 und einen Motorauspuff 25 ein. Der Motoreinlass 23 schließt eine Drossel 62 ein, die über einen Ansaugdurchgang 42 fluidmäßig an den Motor-Ansaugkrümmer 44 gekoppelt ist. Der Motorauspuff 25 schließt einen Abgaskrümmer 48 ein, der schließlich zu einem Abgasdurchgang 35 führt, der das Abgas zur Atmosphäre leitet. Bei einigen Ausführungsformen kann der Ansaugdurchgang 42 eine Aufladungseinrichtung, wie beispielsweise einen Turbolader oder einen Lader (nicht gezeigt), einschließen, die einen Verdichter einschließt, der stromabwärts von der Drossel 62 angeschlossen ist, wobei der Verdichter durch eine Turbine in dem Abgasdurchgang angetrieben wird, die stromaufwärts von dem Partikelfilter 22 (siehe 2) angeschlossen ist.
  • Der Motorauspuff 25 kann den Partikelfilter 22 und eine oder mehrere Emissionsregeleinrichtung(en) 70 einschließen, die in einer eng gekoppelten Position in dem Auspuff angebracht sein können. Die eine oder die mehreren Emissionsregeleinrichtung(en) 70 kann/können einen Dreiwegekatalysator, einen Mager-NOx-Filter, einen SCR-Katalysator usw. einschließen. Der Partikelfilter 22 kann zeitweilig Partikel aus Abgasen, die über ihn hinwegströmen, herausfiltern. Im Einzelnen kann der Partikelfilter als ein Offenstromfilter, der Partikel aus Abgasen, die über ihn hinwegströmen, speichert, anstatt eines Wandstromfilters, der Partikel aus Abgasen, die durch ihn hindurchströmen, speichert, konfiguriert sein. Daher halten Offenstromfilter auf Grund von Oberflächenvorsprüngen, wie beispielsweise erhöhten Stufen, und speziell gestalteten Schalenprofilen mit Sieb-Rückhalteflächen Partikel und Rußteilchen zurück. Da der Filter keinen Durchfluss erfordert, können die in dem Filter erzeugten Gegendrücke wesentlich geringer sein. Im Einzelnen haben die Offenstromfilter, da die Abgase über und um die Oberflächenvorsprünge strömen, keine wesenhaft hohen Gegendrücke, wie sie in keramischen oder porös metallischen Wandstromfiltern (oder geschlossenen Filtern) zu finden sind. Das Abgas, das gefiltert worden ist, kann nach dem Durchgang durch den Partikelfilter 22 durch stromabwärts gelegene Katalysatoren und die Emissionsregeleinrichtung 70 zum Ausstoßen zur Atmosphäre weiter bearbeitet werden. Während die abgebildete Ausführungsform die Emissionsregeleinrichtung 70 stromabwärts von dem Partikelfilter 22 zeigt, kann bei einer alternativen Ausführungsform die Emissionsregeleinrichtung 70 stromaufwärts von dem Partikelfilter 22 angeordnet sein.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Partikelfilter 22 ein geschichteter Filter sein, der ein Filtersubstrat 100 einschließt, auf das eine oder mehrere katalytische Beschichtung(en) geschichtet ist/sind. Bei der abgebildeten Ausführungsform ist eine erste katalytische Beschichtung 101 auf das Filtersubstrat 100 geschichtet, während eine zweite katalytische Beschichtung 102 oben auf die erste katalytische Beschichtung geschichtet ist. Das Filtersubstrat 100 kann zum Beispiel eines oder mehrere von Metallfolien, Metallschaumstoffen und Metallstegen einschließen. Bei noch anderen Ausführungsformen kann das Filtersubstrat Keramik oder andere Werkstoffe und Strukturen (oder Mikrostrukturen) einschließen, die den Weg von Partikeln hemmen, aber das Abgas nicht vollständig einschließen und es durch einen porösen Weg zwingen. Es können verschiedene Mikrostrukturen verwendet werden, die von geordneter oder zufälliger Beschaffenheit sind. Noch fernerhin können die Strukturen in Schichten oder Lagen angeordnet sein.
  • Die auf das Filtersubstrat geschichtete erste katalytische Beschichtung 101 kann zum Beispiel einen Sauerstoff-Speicherkatalysator (oxygen storage catalyst – OSC) einschließen. Der Sauerstoff-Speicherkatalysator kann auf Cerium beruhen. Alternativ dazu kann der Katalysator auf Mangan, Eisen oder einem beliebigen anderen geeigneten Werkstoff, der zur Partikelverbrennung optimiert worden ist, beruhen. Die zweite katalytische Beschichtung 102, die auf die erste katalytische Beschichtung geschichtet ist, kann zum Beispiel einen Dreiwegekatalysator (three-way catalyst – TWC) einschließen. Bei noch anderen Ausführungsformen kann die zweite katalytische Beschichtung eine Kombination des Dreiwegekatalysators und des Sauerstoff-Speicherkatalysators einschließen, um die Rußverbrennung weiter zu unterstützen. Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann das Filtersubstrat eine einzige katalytische Beschichtung einschließen, die eine einzige Schicht eines Dreiwegekatalysators, der einen sehr hohen Gehalt eines Sauerstoff-Speicherkatalysators hat, umfasst. Zum Beispiel kann die katalytische Beschichtung einen homogenen einschichtigen Dreiwegekatalysator, der einen Gehalt eines Sauerstoff-Speicherkatalysators von zwischen 800 und 2000 Mikromol an Sauerstoff (O) pro Kubikfuß des Katalysators oder zwischen 13 und 32 mg O/in3 hat, einschließen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann ein Drucksensor (nicht gezeigt) an den Partikelfilter 22 gekoppelt sein, um eine Abschätzung des in demselben erzeugten Gegendrucks sowie eine Abschätzung der Filterbelastung bereitzustellen. Bei noch anderen Ausführungsformen können Drucksensoren stromaufwärts und stromabwärts von dem Filter angeschlossen sein, und die Filterbelastung kann auf dem abgeschätzten Druckunterschied über den Filter beruhen.
  • Der Motor 10 kann entlang einer Kraftstoffleitung 60 Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 20 erhalten. Der Kraftstofftank kann eine Vielzahl von Kraftstoffen oder Kraftstoffgemischen, wie beispielsweise Benzin, Kraftstoff mit einer Palette von Alkoholkonzentrationen, verschiedene Benzin-Ethanol-Kraftstoffgemische (z.B. E10, E85) und Kombinationen derselben enthalten. Noch andere Kraftstoffe können gasförmige Kraftstoffe, wie beispielsweise komprimiertes Erdgas (compressed natural gas – CNG), Flüssiggas (liquefied petroleum gas – LPG), Butan, Propan und gasförmige oder flüssige Oxygenat-Kraftstoffe, wie beispielsweise Dimethylether (DME), Methanol und Ethanol, einschließen. Noch fernerhin können die verwendeten flüssigen Kraftstoffe Oxygenate einschließen und können ebenfalls gasförmige Kraftstoffe, wie beispielsweise Butan, Propan (LPG), CNG, DME, und Gemische derselben einschließen.
  • Der Kraftstofftank 20 kann eine Kraftstoffpumpe 21 zum Unterdrucksetzen des den Einspritzvorrichtungen des Motors 10, wie beispielsweise der Einspritzvorrichtung 66, zugeführten Kraftstoffs einschließen. Während nur eine einzige Einspritzvorrichtung 66 abgebildet wird, werden für jeden Zylinder 30 zusätzliche Einspritzvorrichtungen bereitgestellt. Bei einem Beispiel, wobei das Motorsystem 8 für eine Direkteinspritzung konfiguriert ist, kann die Einspritzvorrichtung 66 eine Kraftstoff-Direkteinspritzvorrichtung sein. Bei einer alternativen Ausführungsform, wobei das Motorsystem 8 für eine Saugrohr-Einspritzung konfiguriert ist, kann die Einspritzvorrichtung 66 eine Kraftstoff-Saugrohreinspritzvorrichtung sein. Bei noch anderen Ausführungsformen kann jeder Zylinder eine oder mehrere Einspritzvorrichtung(en) einschließen, die eine Direkteinspritzvorrichtung und eine Saugrohreinspritzvorrichtung einschließen. Ein oder mehrere Ventil(e) (nicht gezeigt) kann/können an das Motorsystem 8 angeschlossen sein, um die Zufuhr von Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 20 zu der Einspritzvorrichtung 66 zu regulieren. Bei einigen Ausführungsformen, wobei sowohl Kraftstoff-Direkteinspritzung als auch Kraftstoff-Saugrohreinspritzung verfügbar sind, können vorteilhafterweise zwei unterschiedliche Kraftstoffe verwendet werden. Zum Beispiel kann der Motor über die Einspritzvorrichtungen mit einem ersten Kraftstoff (z.B. Benzin oder Diesel) gestartet werden, und danach kann ein zweiter Kraftstoff (z.B. CNG oder ein alternativer Kraftstoff, mit dem der Motor schwierig zu starten ist) per Saugrohr in den Motor eingespritzt oder gegast werden.
  • An sich bietet die Direkteinspritzung von Kraftstoff bei Hochlastbedingungen viele Vorzüge. Zum Beispiel gewährleistet das Einleiten von flüssigen Oxygenat-Kraftstoffen mit Direkteinspritzung und hoher Verdampfungswärme bei Hochlast Kühlung für die gesteigerte Luftladung, Verdünnung zur Verbrennungstemperaturregelung und Klopffestigkeit. Noch fernerhin gewährleistet die Direkteinspritzung eine gewisse Regelung der Vorzündung (Klopfen) und ermöglicht daher, dass höhere Verdichtungsverhältnisse verwendet werden, mit thermodynamischen Vorteilen für die Kraftstoffeinsparung. Jedoch kann die diffuse Flammenausbreitung von Systemen mit Direkteinspritzung auf Grund dessen, dass sich der Kraftstoff vor der Verbrennung nicht angemessen mit Luft mischt, ebenfalls mehr Partikelemissionen (oder Ruß) erzeugen. Außerdem kann die verhältnismäßig späte Direkteinspritzung von Kraftstoff auf Grund der unzureichenden Zeit zum Mischen des eingespritzten Kraftstoffs mit Luft in dem Zylinder zur Rußbildung beitragen. Ähnlich mag der eingespritzte Kraftstoff weniger Turbulenz antreffen, wenn er durch die Ventile strömt. Demzufolge kann es Taschen mit einer fetten Verbrennung geben, die örtlich Ruß erzeugen können. Folglich kann, durch das Strömenlassen von Motorabgas über den stromabwärts gelegenen Partikelfilter, bevor das Abgas zur Atmosphäre freigesetzt wird, der in einem Motor mit Direkteinspritzung erzeugte Ruß in dem Filter aufgefangen werden, und die Qualität der Abgasemissionen kann verbessert werden.
  • Wie unter Bezugnahme auf 3 dargelegt, kann unter ausgewählten Bedingungen der Motor zeitweilig magerer als die Stöchiometrie betrieben werden, um den Partikelfilter 22 passiv zu regenerieren. Im Einzelnen kann der Motorbetrieb so abgestimmt werden, dass sich ein passender periodischer magerer Betrieb über eine erste, kürzere, Periode mit stark mageren Bedingungen, gefolgt von einer zweiten, längeren, Periode mit geringfügig mageren Bedingungen, ergibt, um den Sauerstoff-Speicherkatalysator (OSC) der ersten katalytischen Beschichtung (über die erste Phase) zu oxidieren und danach den gespeicherten Ruß unter Verwendung des OSC (über die zweite Phase) zu verbrennen. Diese Herangehensweise ermöglicht es, dass der Filter regeneriert wird, während die nachteiligen Auswirkungen auf das Motordrehmoment und die Fahrzeug-Fahrverhaltenscharakteristika verringert werden.
  • Das Fahrzeugsystem 6 kann ferner ein Steuerungssystem 14 einschließen. Es wird gezeigt, dass das Steuerungssystem 14 Informationen von mehreren Sensoren 16 (von denen verschiedene Beispiele hierin beschrieben werden) empfängt und Steuersignale an mehrere Stellglieder 81 (von denen verschiedene Beispiele hierin beschrieben werden) sendet. Als ein Beispiel können die Sensoren 16 einen Abgassensor 126 (angeordnet in dem Abgaskrümmer 48), einen Temperatursensor 128, Drucksensoren, die an den Partikelfilter 22 angeschlossen sind (nicht gezeigt) und einen Drucksensor 129 (angeordnet stromabwärts von der Emissionsregeleinrichtung 70) einschließen. Andere Sensoren, wie beispielsweise Druck-, Temperatur-, Luft-Kraftstoff-Verhältnis- und Zusammensetzungssensoren, können, wie hierin ausführlicher erörtert, an verschiedene Positionen in dem Fahrzeugsystem 6 angeschlossen sein. Als ein anderes Beispiel können die Stellglieder die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 66, die Drossel 62 und die Kraftstoffpumpe 21 einschließen. Das Steuerungssystem 14 kann ein Steuergerät 12 einschließen. Das Steuergerät kann Eingabedaten von den verschiedenen Sensoren empfangen, die Eingabedaten verarbeiten und die Stellglieder als Reaktion auf die verarbeiteten Eingabedaten auf der Grundlage einer Anweisung oder eines Codes, die darin programmiert sind und einer oder mehreren Routinen entsprechen. Eine beispielhafte Steuerungsroutine wird hierin unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
  • 2 bildet ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskammer oder eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine 10 ab. Der Motor 10 kann wenigstens teilweise durch ein Steuerungssystem, welches das Steuergerät 12 einschließt, und durch Eingabe von einem Fahrzeugführer 130 über ein Eingabegerät 132 gesteuert werden. Bei diesem Beispiel schließt das Eingabegerät 132 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP ein. Der Zylinder (hierin ebenfalls die „Verbrennungskammer“) 30 des Motors 10 kann Verbrennungskammerwände 136 mit einem darin angeordneten Kolben 138 einschließen. Der Kolben 138 kann an eine Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, so dass die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt wird. Die Kurbelwelle 140 kann über ein Getriebesystem an wenigstens ein Antriebsrad des Personenfahrzeugs gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlassermotor über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, um einen Anlassvorgang des Motors 10 zu ermöglichen. Es wird zu erkennen sein, dass, während der Motor 10 als ein Hubkolbenmotor mit Kolben gezeigt wird, der Motor 10 bei alternativen Ausführungsformen mit Rotationsauslegungen konfiguriert sein kann.
  • Der Zylinder 30 kann über eine Reihe von Ansaugluft-Durchgängen 142, 144 und 146 Ansaugluft aufnehmen. Der Ansaugluft-Durchgang 146 kann zusätzlich zu dem Zylinder 30 mit anderen Zylindern des Motors 10 in Verbindung stehen. Bei einigen Ausführungsformen können einer oder mehrere der Ansaugdurchgänge eine Aufladungseinrichtung, wie beispielsweise einen Turbolader oder einen Lader, einschließen. Zum Beispiel zeigt 2 den Motor 10 konfiguriert mit einem Turbolader, der einen Verdichter 174, der zwischen den Ansaugdurchgängen 142 und 144 angeordnet ist, und eine Abgasturbine 176, die entlang eines Abgasdurchgangs 148 angeordnet ist, einschließt. Der Verdichter 174 kann wenigstens teilweise über eine Welle 180 durch die Abgasturbine 176 angetrieben werden, wenn die Ladungseinrichtung als ein Turbolader konfiguriert ist. Jedoch kann bei anderen Beispielen, wie beispielsweise, wenn der Motor 10 mit einem Lader versehen ist, die Abgasturbine 176 wahlweise weggelassen werden, wenn der Verdichter 174 durch mechanischen Antrieb von einem Elektromotor oder dem Motor angetrieben werden kann. Eine Drossel 162, die eine Drosselplatte 164 einschließt, kann entlang eines Ansaugdurchgangs des Motors bereitgestellt werden, um die Durchflussgeschwindigkeit und/oder den Druck der für die Motorzylinder bereitgestellte Ansaugluft zu verändern. Zum Beispiel kann die Drossel 162, wie in 2 gezeigt, stromabwärts von dem Verdichter 174 angeordnet sein oder kann alternativ dazu stromaufwärts von dem Verdichter 174 bereitgestellt werden.
  • Der Abgasdurchgang 148 kann zusätzlich zu dem Zylinder 30 Abgase von anderen Zylindern des Motors 10 aufnehmen. Der Abgassensor 126 wird stromaufwärts von der Emissionsregeleinrichtung 70 an den Abgasdurchgang 148 angeschlossen gezeigt. Der Sensor 126 kann ausgewählt sein unter verschiedenen geeigneten Sensoren zum Bereitstellen einer Anzeige des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wie beispielsweise einem linearen Sauerstoffsensor oder UEGO- (universal or wide-range exhaust gas oxygen), einem Sauerstoffsensor mit zwei Zuständen oder EGO- (wie abgebildet), einem HEGO- (beheizten – heated EGO-), einem NOx-, HC-, oder CO-Sensor, sein. Die Emissionsregeleinrichtung 70 kann ein Dreiwegekatalysator (TWC), ein NOx-Filter, verschiedene andere Emissionsregeleinrichtungen oder Kombinationen derselben sein. Die Emissionsregeleinrichtung 70 kann, wie zuvor in 1 dargelegt, stromabwärts von dem Partikelfilter 22 angeordnet sein. Bei einer alternativen Ausführungsform jedoch kann die Emissionsregeleinrichtung 70 stromaufwärts von dem Partikelfilter 22 angeordnet sein. Daher kann das Vorhandensein eines Dreiwegekatalysators stromabwärts von dem Partikelfilter die Regelung der gasförmigen Schadstoffemissionen verbessern, weil das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf Grund des hohen Gehalts eines Sauerstoff-Speicherkatalysators auf dem Filter näher bei der Stöchiometrie gehalten wird.
  • Die Abgastemperatur kann durch einen oder mehrere Temperatursensoren (nicht gezeigt), der/die in dem Abgasdurchgang 148 angeordnet ist/sind, abgeschätzt werden. Alternativ dazu kann die Abgastemperatur auf der Grundlage von Motor-Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Drehzahl, Belastung, Luft-Kraftstoff-Verhältnis (air-fuel ratio – AFR), Zündverzögerung usw., abgeleitet werden. Ferner kann die Abgastemperatur durch einen oder mehrere Abgassensoren 126 berechnet werden. Es wird zu erkennen sein, dass die Abgastemperatur alternativ dazu durch eine beliebige Kombination von hierin aufgelisteten Temperaturabschätzungsverfahren abgeschätzt werden kann.
  • Jeder Zylinder des Motors 10 kann ein oder mehrere Einlassventil(e) und ein oder mehrere Auslassventil(e) einschließen. Zum Beispiel wird gezeigt, dass der Zylinder 30 wenigstens ein Einlass-Tellerventil 150 und wenigstens ein Auslass-Tellerventil 156, die an einem oberen Bereich des Zylinders 30 angeordnet sind, einschließt. Bei einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10, einschließlich des Zylinders 30, wenigstens zwei Einlass-Tellerventile und wenigstens zwei Auslass-Tellerventile, die an einem oberen Bereich des Zylinders angeordnet sind, einschließen.
  • Das Einlassventil 150 kann über ein Stellglied 152 durch das Steuergerät 12 gesteuert werden. Ähnlich kann das Auslassventil 156 über ein Stellglied 154 durch das Steuergerät 12 gesteuert werden. Unter einigen Bedingungen kann das Steuergerät 12 die für die Stellglieder 152 und 154 bereitgestellten Signale verändern, um das Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlass- und Auslassventile zu steuern. Die Position des Einlassventils 150 und des Auslassventils 156 kann durch jeweilige Ventilpositionssensoren (nicht gezeigt) bestimmt werden. Die Ventilstellglieder können vom elektrischen Ventilbetätigungstyp oder vom Nockenbetätigungstyp oder eine Kombination derselben sein. Die Einlass- und die Auslassventilsteuerung können gleichzeitig geregelt werden, oder es kann eine beliebige Möglichkeit von veränderlicher Einlass-Nockensteuerung, veränderlicher Auslass-Nockensteuerung, zweifacher unabhängiger veränderlicher Nockensteuerung oder fester Nockensteuerung verwendet werden. Jedes Nockenbetätigungssystem kann einen oder mehrere Nocken einschließen und kann eines oder mehrere von den Systemen Nockenprofil-Umschaltung (cam profile switching – CPS), variable Nockensteuerung (variable cam timing – VCT), variable Ventilsteuerung (variable valve timing – VVT) und/oder variabler Ventilhub (variable valve lift – VVL) benutzen, die durch das Steuergerät 12 betätigt werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Zum Beispiel kann der Zylinder 30 alternativ ein über elektrische Ventilbetätigung gesteuertes Einlassventil und ein über eine Nockenbetätigung, die ein CPS- und/oder ein VCT-System einschließt, gesteuertes Auslassventil einschließen. Bei anderen Ausführungsformen können die Einlass- und die Auslassventile durch ein gemeinsame(s) Ventilbetätigung oder -betätigungssystem oder ein(e) veränderliches Ventilbetätigung oder -betätigungssystem gesteuert werden.
  • Der Zylinder 30 kann ein Verdichtungsverhältnis haben, welches das Verhältnis der Volumina ist, wenn sich der Kolben 138 am unteren Totpunkt bzw. oberen Totpunkt befindet. Herkömmlicherweise liegt das Verdichtungsverhältnis in dem Bereich von 9:1 bis 10:1. Jedoch kann das Verdichtungsverhältnis bei einigen Beispielen, wenn unterschiedliche Kraftstoffe verwendet werden, gesteigert werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10 eine Zündkerze 192 zum Einleiten der Verbrennung einschließen. Ein Zündsystem 190 kann, unter ausgewählten Betriebsmodi, über die Zündkerze 192 als Reaktion auf ein Vorzündungssignal SA von dem Steuergerät 12 einen Zündfunken für die Verbrennungskammer 30 bereitstellen. Jedoch kann bei einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise, wenn der Motor 10 die Verbrennung durch Selbstzündung oder durch Einspritzung von Kraftstoff einleiten kann, wie es bei einigen Dieselmotoren der Fall sein kann, die Zündkerze 192 weggelassen werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10 mit einer oder mehreren Kraftstoff-Einspritzvorrichtung(en) konfiguriert sein, um Kraftstoff für denselben bereitzustellen. Als ein nicht begrenzendes Beispiel wird gezeigt, dass der Zylinder 30 eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 166 einschließt. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 166 wird unmittelbar an den Zylinder 30 angeschlossen gezeigt, um Kraftstoff direkt in denselben einzuspritzen, in Proportion zu der Impulsbreite eines über einen elektronischen Treiber 168 von dem Steuergerät 12 empfangenen Signals FPW-1. Auf diese Weise gewährleistet die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 166, das, was als Direkteinspritzung (im Folgenden ebenfalls als „DI“ bezeichnet) von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 30 bekannt ist. Während 2 die Einspritzvorrichtung 166 als eine seitliche Einspritzvorrichtung zeigt, kann sie ebenfalls über dem Kolben, wie beispielsweise nahe der Position der Zündkerze 192, angeordnet sein. Alternativ dazu kann die Einspritzvorrichtung über und nahe dem Einlassventil angeordnet sein, um die Mischung zu verbessern. Der Kraftstoff kann der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 166 von einem Hochdruck-Kraftstoffsystem 172 zugeführt werden, das Kraftstofftanks, Kraftstoffpumpen und eine Kraftstoffleiste einschließt. Alternativ dazu kann der Kraftstoff durch eine Einzelstufen-Kraftstoffpumpe mit niedrigerem Druck abgegeben werden, wobei in diesem Fall die Steuerung der Kraftstoff-Direkteinspritzung mehr während des Verdichtungstakts begrenzt sein kann, als wenn ein Hochdruck-Kraftstoffsystem verwendet wird. Ferner können die Kraftstofftanks, während das nicht gezeigt wird, einen Druckwandler haben, der ein Signal für das Steuergerät 12 bereitstellt.
  • Es wird zu erkennen sein, dass bei einer alternativen Ausführungsform die Einspritzvorrichtung 166 eine Saugrohreinspritzvorrichtung sein kann, die Kraftstoff in den Einlasskanal stromaufwärts von dem Zylinder 30 liefert. Es wird ebenfalls zu erkennen sein, dass der Zylinder 30 Kraftstoff von mehreren Einspritzvorrichtungen, wie beispielsweise mehreren Saugrohreinspritzvorrichtungen, mehreren Direkteinspritzvorrichtungen oder einer Kombination derselben, empfangen kann.
  • Das Steuergerät 12 wird in 2 als ein Mikrorechner gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 106, Eingabe-/Ausgabeports 108, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Eichwerte, bei diesem besonderen Beispiel als Festspeicherchip 110 gezeigt, Direktzugriffsspeicher 112, batteriestromgestützten Speicher 114 und einen Datenbus einschließt. Das Speichermedium Festspeicher 110 kann mit rechnerlesbaren Daten programmiert sein, die Anweisungen darstellen, die durch den Prozessor 12 ausgeführt werden können, um die weiter unten beschriebenen Verfahren sowie andere Varianten, die in Erwägung gezogen, aber nicht spezifisch aufgelistet, werden, auszuführen.
  • Das Steuergerät 12 kann, zusätzlich zu diesen zuvor erörterten Signalen, verschiedene Signale von an den Motor 10 angeschlossenen Sensoren empfangen, einschließlich der Messung des induzierten Luftmassenstroms (MAF) von einem Luftmassenstromsensor 122, der Motor-Kühlmitteltemperatur (ECT) von dem an eine Kühlhülse 118 angeschlossenen Temperatursensor 116, eines Zündungsprofil-Aufnehmersignals (PIP) von einem an die Kurbelwelle 140 angeschlossenen Hall-Effekt-Sensor 120 (oder einem anderen Typ), der Drosselklappenstellung (TP) von einem Drosselklappen-Stellungssensor und eines Krümmer-Absolutdruck-Signals (MAP) von einem Sensor 124. Ein Motordrehzahlsignal, RPM, kann durch das Steuergerät 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann dazu verwendet werden, eine Anzeige des Unterdrucks oder Drucks in dem Ansaugkrümmer bereitzustellen.
  • Wie weiter oben beschrieben, zeigt 2 nur einen Zylinder eines Mehrzylindermotors 10, jedoch kann jeder Zylinder auf ähnliche Weise seinen eigenen Satz aus Einlass-/Auslassventilen, Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, Zündkerze usw. einschließen.
  • Auf diese Weise ermöglicht das System von 1 bis 2 ein Verfahren, das, während des stöchiometrischen Motorbetriebs, das Strömenlassen von Abgas über einen Filter umfasst, der eine Katalysatorbeschichtung hat, um die Abgaspartikel aufzufangen, bevor das Abgas zur Atmosphäre ausgestoßen wird. Danach umfasst das Verfahren ferner, unter ausgewählten Bedingungen, das Umschalten des Motorbetriebs auf magerer als die Stöchiometrie, einschließlich einer ersten, kürzeren und magereren, Phase, gefolgt von einer zweiten, längeren und weniger mageren, Phase, wobei der magere Betrieb auf einem Katalysator-Sauerstoffgehalt und einer Filter-Partikelbelastung beruht. Das heißt, mageres Abgas kann periodisch über den Partikelfilter strömen gelassen werden, um den Filter passiv zu regenerieren.
  • Nunmehr 3 zugewendet, wird eine beispielhafte Routine 300 zum Einstellen des Motorbetriebs, um das Speichern von Abgaspartikeln in einem Partikelfilter und eine periodische passive Regeneration des Filters zu ermöglichen, gezeigt.
  • Bei 302 schließt das Verfahren das Abschätzen und/oder Messen von Fahrzeugmotor-Betriebsbedingungen ein. Diese können zum Beispiel Motordrehzahl, Drehmomentanforderung, Ladeniveau, Motortemperatur, Abgastemperatur, atmosphärischen Druck, Kraftstoff-Oktangehalt, Kraftstoff-Zusammensetzung (z.B. Kraftstoff-Alkoholgehalt), Partikelfilterbelastung usw. einschließen. Bei 304 schließt das Verfahren das Strömenlassen von Abgas über den Partikelfilter während des Motorbetriebs (d.h., während des stöchiometrischen Motorbetriebs), um Partikel in dem Filter zu speichern, ein.
  • Bei 306 können Fahrzeug-Verzögerungsbedingungen bestätigt werden, anderenfalls kann die Routine enden. Es kann zum Beispiel bestätigt werden, dass ein Bremspedal angewendet worden ist, ein Gaspedal freigegeben worden ist, die Drehmomentanforderung verringert worden ist und/oder die Motordrehzahl abnimmt. Falls Fahrzeug-Verzögerungsbedingungen bestätigt werden, dann schließt das Verfahren bei 308 bis 314 das Umschalten des Motorbetriebs auf magerer als die Stöchiometrie ein. Im Einzelnen kann unter Verzögerungsbedingungen der Motor selektiv magerer als die Stöchiometrie betrieben werden, für jeweils eine erste magere Phase (bei 308 bis 310) und eine zweite magere Phase (bei 312 bis 314), wobei die erste magere Phase der zweiten mageren Phase unmittelbar vorangeht und die Phasen zusammenhängend sind. An sich kann es sein, dass, damit der magere Regenerationsbetrieb stattfindet, die Temperatur des Abgases und des Partikelfilters (während der Verzögerungsbedingungen) oberhalb einer Schwellentemperatur liegen muss. An sich kann, bei der Abwesenheit jeglichen Katalysators, die Regeneration des Filters in Luft eine Temperatur von rund 550°C erfordern, um den gespeicherten Ruß zu verbrennen. Hierin kann, durch die Verwendung eines Katalysators, die Verbrennungstemperatur der Partikel in Berührung mit dem Katalysator verringert werden.
  • Der magere Motorbetrieb kann, bei 308, das Betreiben des Motors magerer als die Stöchiometrie über eine erste, kürzere und magerere Phase, insbesondere über eine erste Dauer mit einem ersten, magereren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (als die Stöchiometrie), einschließen. Es kann ein Zeitgeber gestartet werden, wenn die erste magere Phase eingeleitet wird. Bei 310 kann bestätigt werden, dass die erste Dauer eines magereren Betriebs abgelaufen ist. Falls ja, kann die Routine zu 312 fortschreiten, worin der magere Betrieb das Betreiben des Motors magerer als die Stöchiometrie über eine zweite, längere und weniger magere, Phase, insbesondere über eine zweite Dauer, die kürzer ist als die erste Dauer, und mit einem zweiten, weniger mageren, Luft-Kraftstoff-Verhältnis (als die Stöchiometrie), einschließt. Es kann ein Zeitgeber gestartet werden, wenn die zweite magere Phase eingeleitet wird, und bei 314 kann bestätigt werden, dass die zweite Dauer eines weniger mageren Betriebs abgelaufen ist, bevor die Routine zu 316 fortschreitet.
  • An sich kann der magere Motorbetrieb auf der Grundlage eines Katalysator-Sauerstoffgehalts des Partikelfilters und einer Filter-Partikelbelastung eingestellt werden. Im Einzelnen kann die erste Dauer der ersten mageren Phase auf der Grundlage des Sauerstoffgehalts eines in der ersten katalytischen Beschichtung des Partikelfilters eingeschlossenen Sauerstoff-Speicherkatalysators eingestellt werden. Alternativ dazu kann die erste Dauer auf der Grundlage eines Gesamt-Sauerstoffgehalts des Sauerstoff-Speicherkatalysators in dem Partikelfilter beruhen (wie beispielsweise, wenn in jeder Beschichtung des Katalysators ein Sauerstoff-Speicherkatalysator vorhanden ist). Als ein Beispiel kann die erste Dauer gesteigert werden, wenn der Sauerstoffgehalt des ersten Sauerstoff-Speicherkatalysators abnimmt. An sich kann die erste Dauer so eingestellt werden, dass der Sauerstoffgehalt des ersten Katalysators oberhalb eines Schwellen-Sauerstoffgehalts gesteigert oder gehalten wird. Die zweite Dauer der zweiten mageren Phase kann danach auf der Grundlage der Partikelbelastung des Filters und ferner auf der Grundlage der ersten Dauer eingestellt werden. Zum Beispiel kann die zweite Dauer gesteigert werden, wenn die Partikelbelastung des Filters zunimmt. An sich kann die zweite Dauer eine Dauer sein, die dafür erforderlich ist, die Partikelbelastung des Filters unter eine Schwellenbelastung zu bringen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann der magere Motorbetrieb ferner auf der Grundlage eines Alkoholgehalts des in den Motor eingespritzten Kraftstoffs eingestellt werden. Zum Beispiel kann, wenn der Alkoholgehalt des eingespritzten Kraftstoffs zunimmt, der Grad der Magerkeit der mageren Phase (z.B. der ersten oder der zweiten mageren Phase) gesteigert werden.
  • Es wird zu erkennen sein, dass, während die Routine von 3 den mageren Motorbetrieb als Reaktion auf Fahrzeug-Verzögerungsbedingungen abbildet, der magere Motorbetrieb auf andere ausgewählte Bedingungen reagieren kann. Zum Beispiel kann ein erzwungener magerer Motorbetrieb während ausgewählter Autobahn-Fahrtbedingungen im Beharrungszustand durchgeführt werden, wenn der Verlust an Leistung von dem Fahrer nicht bemerkt werden würde. Diese können zum Beispiel andere Autobahn-Fahrtbedingungen im Beharrungszustand als Kaltstart oder Beschleunigung einschließen. Als noch ein anderes Beispiel kann der magere Regenerationsbetrieb periodisch stattfinden, wenn die Temperatur des Abgases und des Partikelfilters oberhalb einer Schwellentemperatur liegt.
  • Bei 316, nach dem mageren Motorbetrieb, schließt die Routine das Betreiben des Motors fetter als die Stöchiometrie ein. An sich ermöglicht der fette Betrieb, dass das Sauerstoff-Speicherniveau der katalytischen Beschichtung des Partikelfilters wiederhergestellt wird. Eine Dauer und ein Fettheitsgrad des fetten Betriebs können auf der Grundlage des vorangehenden mageren Betriebs und der Filterbelastung eingestellt werden. Anschließend an den fetten Motorbetrieb kann, bei 318, der stöchiometrische Motorbetrieb wiederaufgenommen werden.
  • Es wird zu erkennen sein, dass der oben beschriebene magere Motorbetrieb durchgeführt werden kann, während eine Filterbelastung unterhalb eines Schwellenwertes liegt, um so den Partikelfilter passiv zu regenerieren. An sich kann dies die Notwendigkeit einer aktiven Regeneration verringern. Jedoch kann der Filter, als Reaktion darauf, dass die Filterbelastung höher ist als der Schwellenwert, aktiv regeneriert werden. Zum Beispiel kann der Filter über chemische Mittel unter Verwendung eines über einen Edelmetall-Vorkatalysator eingespritzten Kraftstoffs oder über externe Mittel, wie beispielsweise elektrische Heizung, aktiv regeneriert werden. Als ein anderes Beispiel können Zündverzögerung, späte Kraftstoffeinspritzung in den Motor und in den Auspuff ebenfalls, unter mageren (oder nicht-fetten) Bedingungen, verwendet werden, um die Abgastemperatur zu steigern, um eine Filterregeneration zu erreichen.
  • Es wird zu erkennen sein, dass während der passiven Filterregeneration das Emissionsregelsystem dafür geeicht sein muss, die Regelung der gesetzlich vorgeschriebenen gasförmigen Emissionen aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel können Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid durch den mit Katalysator versehenen Partikelfilter entfernt werden. Außerdem kann ein funktionierender Dreiwegekatalysator (TWC) zur NOx-Regelung notwendig sein. Bei einer Ausführungsform kann das Vorhandensein eines TWC (z.B. in der Emissionsregeleinrichtung 70) stromabwärts von dem Partikelfilter vorteilhaft sein, weil Luft-Kraftstoff-Veränderungen minimiert werden können, um zu ermöglichen, dass der TWC eine NOx-Regelung gewährleistet. Bei einem Beispiel kann dies dadurch erreicht werden, dass der OSC in dem Partikelfilter nicht vollständig oxidiert wird. Zum Beispiel mag der OSC nicht entlang seiner gesamten Länge oxidiert werden. Dies kann erreicht werden durch ein Einschränken des Sauerstoffdurchbruchs von dem Katalysator/OSC in dem Filter, zum Beispiel durch das Anordnen eines Sauerstoffsensors hinter dem Filter oder durch das Berechnen (oder Vorhersagen) einer Zeit einer mageren Einwirkung auf der Grundlage von verschiedenen Motor-Betriebsparametern.
  • Auf diese Weise kann ein periodisches Abmagern des Motorbetriebs für eine ausreichende passive Regeneration eines Partikelfilters verwendet werden. Durch das opportunistische Verwenden des mageren Motorbetriebs während ausgewählter Motorbedingungen zum passiven Regenerieren des Filters kann die Filterbelastung verringert werden, ohne das Motor-Fahrverhalten nachteilig zu beeinflussen.
  • Nunmehr 4 zugewendet, bildet Abbildung 400 einen beispielhaften mageren Motorbetrieb ab, der dazu verwendet werden kann, den Partikelfilter von 1 passiv zu regenerieren. Die Abbildung 400 bildet bei 402 eine Partikelfilterbelastung, bei 404 Veränderungen bei einem motorbetrieblichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (AFR) und bei 406 Veränderungen bei einem Sauerstoffgehalt eines auf den Filter geschichteten Katalysators ab.
  • Vor einem Zeitpunkt t1 kann der Motor mit einem AFR arbeiten, das sich im Wesentlichen bei der Stöchiometrie befindet, 405. Während des stöchiometrischen Motorbetriebs kann das Motorabgas über den Partikelfilter strömen gelassen werden, so dass Abgaspartikel in dem Partikelfilter aufgefangen und gespeichert und nicht in die Atmosphäre freigesetzt werden können. Dementsprechend kann die Filterbelastung (bei 402) zwischen t0 und t1 allmählich zunehmen. Bei t1 können ausgewählte Motorbedingungen vorliegen, die einen verhältnismäßig mageren Motorbetrieb gewährleisten. Zum Beispiel kann das Fahrzeug, in dem der Motor eingeschlossen ist, verzögern. Dementsprechend kann der magere Motorbetrieb bei t1 so eingestellt werden, dass der Motor (bei 404) sowohl für eine erste magere Phase zwischen t1 und t2 als auch für eine zweite magere Phase zwischen t2 und t3 selektiv magerer als die Stöchiometrie betrieben wird.
  • Die erste magere Phase kann (bei 406) auf einem Sauerstoffgehalt einer ersten auf das Filtersubstrat geschichteten Katalysatorbeschichtung beruhen. Im Einzelnen kann eine erste Dauer d1 der ersten mageren Phase so eingestellt werden, dass der Sauerstoffgehalt eines Sauerstoff-Speicherkatalysators der ersten Katalysatorbeschichtung auf oder über einen Schwellen-Sauerstoffgehalt 407 gesteigert wird. Außerdem können während der ersten mageren Phase einige auf dem Filter gespeicherte Partikel verbrannt werden, so dass die Filterbelastung etwas vermindert wird. Eine zweite Dauer d2 der zweiten mageren Phase kann danach auf der ersten Dauer d1 und der Filterbelastung 402 beruhen. Zum Beispiel kann die zweite magere Phase so eingestellt werden, dass die Filterbelastung unterhalb einer Schwellenbelastung 403 verringert (oder aufrechterhalten) wird. Im Einzelnen kann der oxidierte Filterkatalysator während der zweiten mageren Phase den verbleibenden gespeicherten Ruß auf dem Filter umfassender verbrennen, um so die Filterbelastung wesentlich zu verringern. An sich ist die erste Dauer d1 der ersten mageren Phase kürzer als die Dauer d2 der zweiten mageren Phase. Jedoch ist die erste magere Phase magerer als die zweite Phase, wie es durch ein AFR der ersten mageren Phase, magerer als die Stöchiometrie, verglichen mit dem AFR der zweiten Phase, angezeigt wird. Außerdem wird zu erkennen sein, dass während des gesamten mageren Betriebs (zwischen t1 und t3) die Filterbelastung niedriger sein kann als ein Schwellenniveau 403, das erforderlich ist, um eine aktive Regenerationsroutine auszulösen. Das heißt, der magere Motorbetrieb von 4 ermöglicht, dass der Filter passiv regeneriert wird. Jedoch kann bei alternativen Ausführungsformen, als Reaktion darauf, dass die Filterbelastung das Schwellenniveau 403 überschreitet, eine aktive Regeneration des Filters durchgeführt werden, mit der Zugabe von Kraftstoff und Luft, um die Abgastemperaturen auf Niveaus anzuheben, die es ermöglichen, dass der gespeicherte Ruß verbrannt wird.
  • Bei t3 kann, nachdem der magere Betrieb abgeschlossen worden ist, der Motorbetrieb zeitweilig für eine Dauer d3 auf fetter als die Stöchiometrie umgeschaltet werden (bei 404). Hierin beruhen der Grad der Fettheit und die Dauer d3 des fetten Betriebs auf der Dauer (d1 und d2) und dem Grad der Magerheit (mageres AFR zwischen t1 und t2 und t2 und t3) des vorangehenden mageren Betriebs. An sich ermöglicht der zeitweilige fette Motorbetrieb, dass der Sauerstoffgehalt des Filterkatalysators auf Niveaus wiederhergestellt wird, die vor dem zeitweiligen mageren Motorbetrieb vorhanden waren.
  • Auf diese Weise können magere Motor-Betriebsbedingungen vorteilhaft dafür verwendet werden, einen Partikelfilter passiv zu regenerieren. Durch das passive Regenerieren des Filters während Zeiträumen der Motorabmagerung kann die Notwendigkeit einer aktiven Regeneration des Filters verringert werden, wodurch die Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit und die Motorleistung verbessert werden. Außerdem kann ein mit Übertemperatur verbundener Komponentenabbau verringert werden, ohne die Wirksamkeiten der Filterregeneration abzubauen.
  • Es ist zu bemerken, dass die hierin eingeschlossenen beispielhaften Steuerungs- und Abschätzungsroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeug-Systemkonfigurationen verwendet werden können. Die hierin beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, verkörpern. Daher können verschiedene illustrierte Schritte, Operationen oder Funktionen in der illustrierten Folge, parallel ausgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichfalls ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die hierin beschriebenen Merkmale und Vorteile der beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, wird aber zur einfachen Illustration und Beschreibung geliefert. Eine(r) oder mehrere der illustrierten Schritte oder Funktionen kann/können in Abhängigkeit von der besonderen verwendeten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Schritte graphisch einen Code darstellen, der in das rechnerlesbare Speichermedium in dem Motorsteuerungssystem zu programmieren ist.
  • Es wird zu erkennen sein, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen von beispielhafter Beschaffenheit sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem begrenzenden Sinn zu betrachten sind, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V6-, R4-, R6-, V12-, Boxer-4- und andere Motorentypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und der anderen Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart werden, ein. Die folgenden Ansprüche heben bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders hervor, die als neuartig und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent desselben beziehen. Solche Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer solcher Elemente einschließen, wobei zwei oder mehr solcher Elemente weder erforderlich noch ausgeschlossen sind. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch die Vorlage von neuen Ansprüchen in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, ob weiter, enger, gleich oder unterschiedlich im Rahmen gegenüber den ursprünglichen Ansprüchen, werden ebenfalls als innerhalb des Gegenstandes der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2009/0193796 [0005]

Claims (21)

  1. Verfahren, das Folgendes umfasst: während des stöchiometrischen Motorbetriebs, das Strömenlassen von Abgas über einen Filter, der eine Katalysatorbeschichtung hat; und, unter ausgewählten Bedingungen, das Umschalten des Motorbetriebs auf magerer als die Stöchiometrie, einschließlich einer ersten, kürzeren und magereren, Phase, gefolgt von einer zweiten, längeren und weniger mageren, Phase, wobei der magere Betrieb auf der Grundlage eines Katalysator-Sauerstoffgehalts und einer Filter-Partikelbelastung eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorbeschichtung eine erste Katalysatorbeschichtung ist, die auf ein Substrat des Filters geschichtet ist, wobei die erste Katalysatorbeschichtung einen Sauerstoff-Speicherkatalysator einschließt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Filter ferner eine zweite katalytische Beschichtung einschließt, die oben auf die erste katalytische Beschichtung geschichtet ist, wobei die zweite katalytische Beschichtung einen Dreiwegekatalysator einschließt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Einstellung des mageren Betriebs das Einstellen einer ersten Dauer der ersten mageren Phase auf der Grundlage des Sauerstoffgehalts des Sauerstoff-Speicherkatalysators und das Einstellen einer zweiten Dauer der zweiten mageren Phase auf der Grundlage der Partikelbelastung des Filters einschließt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Einstellen das Steigern der ersten Dauer, wenn der Sauerstoffgehalt des ersten Sauerstoff-Speicherkatalysators abnimmt, und das Steigern der zweiten Dauer, wenn die Partikelbelastung des Filters zunimmt, einschließt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zweite Dauer eine Dauer ist, die erforderlich ist, um die Partikelbelastung des Filters unterhalb einer Schwellenbelastung zu bringen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor in einem Fahrzeug eingeschlossen ist und wobei die ausgewählten Bedingungen Fahrzeug-Verzögerungsbedingungen einschließen.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Filter kein Wandstromfilter ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Filter ein Offenstromfilter ist, der eines oder mehrere von Metallfolien und Metallschaumstoffen einschließt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner, nach dem mageren Motorbetrieb, das Betreiben des Motors fetter als die Stöchiometrie umfasst, wobei eine Dauer und ein Fettheitsgrad des fetten Betriebs auf dem mageren Betrieb und der Filterbelastung beruhen, um den Katalysator-Sauerstoffgehalt oberhalb eines Schwellengehalts zu steigern.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der magere Betrieb ferner auf der Grundlage eines Alkoholgehalts eines in den Motor eingespritzten Kraftstoffs eingestellt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorbeschichtung einen homogenen einschichtigen Dreiwegekatalysator einschließt, der einen Gehalt eines Sauerstoff-Speicherkatalysators von zwischen 13 und 32 mg O/in3 hat.
  13. Verfahren für ein Fahrzeug, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Strömenlassen von Abgas über einen Filter, um Partikel zu speichern; und, unter Verzögerungsbedingungen, das selektive Betreiben eines Motors magerer als die Stöchiometrie sowohl für eine erste magere Phase als auch für eine zweite magere Phase, wobei die erste magere Phase kürzer und magerer ist als die zweite magere Phase, wobei die erste magere Phase auf einem Sauerstoffgehalt einer Filter-Katalysatorbeschichtung beruht, wobei die zweite magere Phase auf einer Filterbelastung beruht.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste magere Phase der zweiten mageren Phase vorangeht und wobei die erste und die zweite Phase zusammenhängend sind.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Filter-Katalysatorbeschichtung eine erste Beschichtung eines Sauerstoff-Speicherkatalysators, die auf den Filter geschichtet ist, und eine zweite Beschichtung eines Dreiwegekatalysators, die auf die erste Katalysatorbeschichtung geschichtet ist, einschließt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine erste Dauer der ersten mageren Phase so eingestellt wird, dass der Sauerstoffgehalt der ersten Katalysatorbeschichtung oberhalb eines Schwellen-Sauerstoffgehalts gesteigert wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine zweite Dauer der zweiten mageren Phase so eingestellt wird, dass die Filterbelastung unterhalb einer Schwellenbelastung verringert wird, und wobei die zweite Dauer ferner auf der ersten Dauer der ersten mageren Phase beruht.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, das ferner, nach dem mageren Betrieb, das Betreiben des Motors fetter als die Stöchiometrie umfasst, wobei eine Dauer und ein Fettheitsgrad des fetten Betriebs auf dem mageren Betrieb und der Filterbelastung beruhen.
  19. Fahrzeugsystem, das Folgendes umfasst: einen Motor; eine Direkteinspritzvorrichtung, die dafür konfiguriert ist, Kraftstoff direkt in einen Motorzylinder einzuspritzen; einen offenen Partikelfilter, der stromabwärts von dem Motor angeschlossen ist, wobei der Filter eine erste und eine zweite katalytische Beschichtung einschließt; und ein Steuergerät mit rechnerlesbaren Anweisungen für: während des stöchiometrischen Motorbetriebs, das Strömenlassen von Motorabgas über den Filter; unter Verzögerungsbedingungen, während eine Filterbelastung unterhalb eines Schwellenwertes liegt, das Betreiben des Motors magerer als die Stöchiometrie sowohl für eine erste als auch für eine zweite magere Phase, um die Filterbelastung zu verringern, wobei die erste und die zweite Phase auf einem oder mehreren von einem Sauerstoffgehalt des Filters und der Filterbelastung beruhen.
  20. System nach Anspruch 19, wobei die erste magere Phase eine erste, kürzere, Dauer als eine zweite, längere, Dauer der zweiten mageren Phase hat und wobei die erste magere Phase ein erstes, magereres, Luft-Kraftstoff-Verhältnis als ein zweites, weniger mageres, Luft-Kraftstoff-Verhältnis der zweiten mageren Phase hat, wobei die erste Dauer gesteigert wird, wenn der Sauerstoffgehalt der ersten katalytischen Beschichtung abnimmt, wobei die zweite Dauer gesteigert wird, wenn die Filterbelastung zunimmt.
  21. System nach Anspruch 20, das ferner, als Reaktion darauf, dass die Filterbelastung oberhalb des Schwellenwertes liegt, das aktive Regenerieren des Filters umfasst.
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