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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen Abgasbehandlungssysteme für Brennkraftmaschinen und insbesondere ein Abgasbehandlungssystem, das eine einzelne sekundäre Energiespeichervorrichtung aufweist, die selektiv mit einer primären Energiespeichervorrichtung verbunden ist.
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Das von einer Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas ist ein heterogenes Gemisch, das gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid („CO“), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe („KW“) und Stickoxide („NOx“), wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Partikelmaterial („PM“) bilden. Eine Abgasbehandlungstechnologie zur Verwendung für hohe Niveaus an Partikelmaterialreduktion kann eine Partikelfilter-(„PF“)-Vorrichtung aufweisen, die einen Filter besitzt, der Partikelmaterial abfängt. Eine Regeneration ist der Prozess zum Entfernen des angesammelten Partikelmaterials von der PF-Vorrichtung.
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Während der Regeneration wird eine Vorderfläche des Filters auf eine festgelegte Temperatur erhitzt, die ermöglicht, dass das abgefangene Partikelmaterial oxidiert, wodurch eine Flammenfront erzeugt wird, die allgemein längs entlang des Filters brennt. Bei einer Vorgehensweise kann die Abgastemperatur über den Betrieb der Maschine während der Regeneration angehoben werden. Genauer wird die Abgastemperatur auf ein Niveau angehoben, das ausreichend ist, um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass die Flammenfront durch eine relativ hohe Luftströmung, die durch Beschleunigung der Maschine erzeugt wird, ausgelöscht werden kann. Jedoch erfordert ein Anheben der Abgastemperatur allgemein erhöhte Mengen an Kraftstoff, was seinerseits die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verringern. Überdies werden Abgasemissionen während des Regenerationsprozesses erhöht.
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Eine aktive Regeneration betrifft den Prozess zum Oxidieren des angesammelten Dieselpartikelmaterials in der PF-Vorrichtung, ohne sich auf die Temperatur des von der Maschine ausgestoßenen Abgases zu verlassen, was die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessert. Diese Vorgehensweise kann ein Erhitzen der PF-Vorrichtung durch eine elektrische Heizung betreffen, bis die PF-Vorrichtung den Punkt erreicht, bei dem das Partikelmaterial, das in der PF-Vorrichtung abgefangen ist, oxidiert. Die elektrische Heizung wird erregt, wenn die Maschine abgeschaltet ist, und nimmt allgemein elektrische Leistung von einer Fahrzeugbatterie auf. Jedoch vermindert die Verwendung einer elektrischen Heizung, während die Maschine ausgeschaltet ist, mit der Zeit die Fahrzeugbatterie. Demgemäß ist es erwünscht, ein Abgasbehandlungssystem bereitzustellen, das zur Regeneration erforderliche Wärme bereitstellt, wenn die Maschine abgeschaltet ist, während gleichzeitig eine Batterieentleerung reduziert oder im Wesentlichen beseitigt wird.
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Die
US 2004 / 0 226 287 A1 offenbart ein System zum Reduzieren von Partikelemissionen im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, das einen Partikelfilter, eine Regenerationsvorrichtung zum Regenerieren des Partikelfilters sowie ein Steuermittel zum Starten der Regeneration, wenn der Motor ausgeschaltet ist, aufweist. Der Partikelfilter ist dabei mit einem Katalysator versehen, der eine kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters zulässt, wenn die Abgastemperatur ausreichend hoch ist. Ferner ist in dem System ein Bypassventil vorgesehen, das Abgas durch einen alternativen Pfad des Abgassystems lenkt, wenn der Druckabfall des Partikelfilters zu hoch wird. Zudem weist das System Druckschalter auf, die bei Überdruck Wartungsbedarf signalisieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, das abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine und mehrerer Energiespeichervorrichtungen eine stets optimale Regeneration eines Partikelfilters erreicht.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Brennkraftmaschine besitzt einen Maschinen-Aus-Zustand. Das Abgasbehandlungssystem weist eine Partikelfilter-(„PF“)-Vorrichtung in Fluidkommunikation mit einer Abgasleitung, eine elektrische Heizung, eine primäre Energiespeichervorrichtung, eine einzelne sekundäre Energiespeichervorrichtung und ein Steuermodul auf. Die PF-Vorrichtung besitzt einen Filteraufbau zur Entfernung von Partikeln in dem Abgas. Die PF-Vorrichtung wird auf Grundlage einer Menge von Partikeln, die in dem Filteraufbau abgefangen ist, selektiv regeneriert. Die elektrische Heizung ist stromaufwärts von dem Filteraufbau angeordnet und wird selektiv erregt, um Wärme zur Regeneration der PF-Vorrichtung bereitzustellen. Die einzelne sekundäre Energiespeichervorrichtung wird selektiv mit der Primärenergiespeichervorrichtung verbunden. Die einzelne sekundäre Energiespeichervorrichtung erregt die elektrische Heizung selektiv. Das Steuermodul steht in Kommunikation mit der elektrischen Heizung, der primären Speichervorrichtung, der einzelnen sekundären Energiespeichervorrichtung und der Brennkraftmaschine. Das Steuermodul empfängt ein Regenerationssignal, das die Menge an Partikeln angibt, die in dem Filteraufbau der PF-Vorrichtung abgefangen ist. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zum Trennen der einzelnen sekundären Energiespeichervorrichtung von der primären Speichervorrichtung auf, falls sich die Brennkraftmaschine in dem Maschinen-Aus-Zustand befindet. Das Steuermodul weist eine Steuerlogik zum Verbinden der einzelnen sekundären Energiespeichervorrichtung mit der elektrischen Heizung auf, wenn das Regenerationssignal empfangen wird.
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Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen deutlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
- 1 ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Abgasbehandlungssystems ist;
- 2 ein schematisches Diagramm des in 1 gezeigten Kreislaufs ist; und
- 3 ein Prozessflussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Betrieb des in 1 gezeigten Abgasbehandlungssystems veranschaulicht.
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Der hier verwendete Begriff Modul betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Mit Bezug nun auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform auf ein Abgasbehandlungssystem 10 für die Reduzierung regulierter Abgasbestandteile einer Brennkraftmaschine 12 gerichtet. Das Abgasbehandlungssystem, das hier beschrieben ist, kann in verschiedenen Maschinensystemen implementiert sein, die Dieselmaschinensysteme, Brennkraftmaschinensysteme und Maschinensysteme mit homogener Kompressionszündung aufweisen können, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
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Das Abgasbehandlungssystem 10 weist allgemein eine oder mehrere Abgasleitungen 14 und eine oder mehrere Abgasbehandlungsvorrichtungen auf. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, weisen die Vorrichtungen für das Abgasbehandlungssystem eine Oxidationskatalysatorvorrichtung („OC“) 20, eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“) 22 und eine Partikelfiltervorrichtung („PF“) 24 auf. Wie angemerkt sei, kann das Abgasbehandlungssystem der vorliegenden Offenbarung verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren der in 1 gezeigten Abgasbehandlungsvorrichtungen und/oder andere Abgasbehandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) aufweisen und ist nicht auf das vorliegende Beispiel beschränkt.
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In 1 transportiert die Abgasleitung 14, die mehrere Segmente umfassen kann, Abgas 15 von der Brennkraftmaschine 12 an die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10. Die OC-Vorrichtung 20 weist beispielsweise ein Durchström-Metall- oder - Keramik-Monolithsubstrat auf, das in eine Schale oder einen Kanister aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt sein kann. Das Substrat kann eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung aufweisen. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann Metalle der Platingruppe aufweisen, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus. Der OC 20 ist bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nicht flüchtiger KW und CO verwendbar, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.
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Die SCR-Vorrichtung 22 kann stromabwärts der OC-Vorrichtung 20 angeordnet sein. Auf eine Weise ähnlich der OC-Vorrichtung 20 kann die SCR-Vorrichtung 22 beispielsweise ein Durchström-Keramik- oder -Metall-Monolithsubstrat aufweisen, das in eine Schale oder einen Kanister aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt sein kann. Das Substrat kann eine daran aufgebrachte SCR-Katalysatorzusammensetzung aufweisen. Die SCR-Katalysatorzusammensetzung kann einen Zeolith sowie eine oder mehrere Basismetallkomponenten aufweisen, wie Eisen („Fe“), Kobalt („Co“), Kupfer („Cu“) oder Vanadium („V“), die effizient dazu dienen können, NOx-Bestandteile in dem Abgas 15 in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak („NH3“) umzuwandeln.
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Ein Reduktionsmittel 30 kann von einer Reduktionsmittellieferquelle (nicht gezeigt) geliefert werden und kann in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 22 unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung 32 oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Lieferung des Reduktionsmittels 30 an das Abgas 15 eingespritzt werden. Bei einer Ausführungsform kann das Reduktionsmittel 30 Reduktionsmittel eine wässrige Harnstofflösung sein, die sich zu Ammoniak („NH3“) in den heißen Abgasen zersetzt und von der SCR-Vorrichtung 22 absorbiert wird. Das Ammoniak reduziert dann das NOx zu Stickstoff in der Anwesenheit des SCR-Katalysators. Ein Mischer oder Turbulator 34 kann ebenfalls in der Abgasleitung 14 in enger Nähe zu der Einspritzeinrichtung 32 angeordnet sein, um eine vollständige Mischung des Reduktionsmittels 30 mit dem Abgas 15 weiter zu unterstützen.
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Die PF-Vorrichtung 24 kann stromabwärts der OC-Vorrichtung 20 und der SCR Vorrichtung 22 angeordnet sein. Die PF-Vorrichtung 24 dient dazu, das Abgas 15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die PF-Vorrichtung 24 unter Verwendung eines keramischen Wandströmungsmonolithfilters 40 aufgebaut sein, der in eine Isolationsmatte oder einen anderen geeigneten Träger gewickelt ist, der sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei der Filter 40 gesichert und isoliert wird. Der Filter 40 kann in eine Schale oder einen Kanister gepackt sein, die/der zum Beispiel aus rostfreiem Stahl besteht und die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 aufweist.
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Der keramische Wandströmungsmonolithfilter 40 kann eine Mehrzahl sich längs erstreckender Durchgänge besitzen, die durch sich längs erstreckende Wände definiert sind. Die Durchgänge umfassen einen Untersatz von Einlassdurchgängen, die ein offenes Einlassende und ein geschlossenes Auslassende besitzen, sowie einen Untersatz von Auslassdurchgängen, die ein geschlossenes Einlassende und ein offenes Auslassende besitzen. Abgas 15, das in den Filter 40 durch die Einlassenden der Einlassdurchgänge eintritt, wird durch benachbarte, sich längs erstreckende Wände zu den Auslassdurchgängen getrieben. Durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas 15 von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel werden an den sich längs erstreckenden Wänden der Einlassdurchgänge abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung der Erhöhung des Abgasgegendrucks, dem die Brennkraftmaschine 12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der keramische Wandströmungsmonolithfilter lediglich beispielhafter Natur ist und dass die PF-Vorrichtung 24 andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Die Zunahme des Abgasgegendrucks, der durch die Ansammlung von Partikelmaterial in dem Monolithfilter 40 bewirkt wird, erfordert typischerweise, dass die PF-Vorrichtung 24 periodisch gereinigt oder regeneriert wird. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (>600°).
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Die elektrische Heizung 52 ist so enthalten, dass sie selektiv Wärme für die PF-Vorrichtung 24 bereitstellt. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, ist die elektrische Heizung 52 nahe einer Vorderseite 54 des Monolithfilters 40 der PF-Vorrichtung 24 positioniert. Genauer ist die elektrische Heizung 52 an einem stromaufwärtigen Ende 56 des Monolithfilters 40 montiert. Die elektrische Heizung 52 kann ein Widerstandsheizelement (nicht gezeigt) aufweisen, wie beispielsweise einen Widerstandsdraht. Im erregten Zustand fließt elektrischer Strom durch den Widerstandsdraht zu der elektrischen Heizung 52, um Wärme zu erzeugen. Die elektrische Heizung 52 erlaubt einen Durchfluss des Abgases 15 und des Partikelmaterials hindurch zu der PF-Vorrichtung 24. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann an dem Monolithfilter 40 eine in Zonen eingeteilte elektrische Heizung verwendet werden, die in Zonen eingeteilte Abschnitte heizt, wobei jedoch zu verstehen sei, dass genauso andere Typen von elektrischen Heizungen verwendet werden können.
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Das Abgasbehandlungssystem weist auch verschiedene Energiespeichervorrichtungen auf. Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, sind eine primäre Energiespeichervorrichtung 42 und eine einzelne sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 vorgesehen. Die primäre Energiespeichervorrichtung 42 ist eine Fahrzeugbatterie, wie beispielsweise eine 12-Volt-Batterie vom Bleisäuretyp. Obwohl eine Bleisäurebatterie diskutiert ist, sei zu verstehen, dass genauso andere Typen von Energiespeichervorrichtungen verwendet werden können. Die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 stellt allgemein einen beliebigen Typ von wiederaufladbarer Energiespeichervorrichtung dar, wie beispielsweise eine Lithiumionenbatterie oder einen Ultrakondensator.
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Die primäre Energiespeichervorrichtung 42 ist elektrisch mit einem Fahrzeuggenerator 46 verbunden. Der Generator 46 ist Teil der Maschine 12. Der Generator 46 wandelt mechanische Leistung und Energie, die von der Maschine 12 aufgenommen wird, in elektrische Leistung und Energie um, die für elektrische Fahrzeuglasten verschiedener elektrischer Komponenten und Systeme eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) erforderlich ist. Der Generator 46 kann zusätzliche mechanische Leistung und Energie in elektrische Leistung und Energie jenseits dem umwandeln, was für die elektrischen Fahrzeuglasten (nicht gezeigt) notwendig ist. Diese zusätzliche elektrische Leistung und Energie wird als überschüssige Leistung oder Energie bezeichnet. In diesem Fall wird die Spannung des elektrischen Systems allgemein angehoben, und die überschüssige Leistung oder Energie von dem Generator 46 wird in der primären Energiespeichervorrichtung 42, in der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 oder sowohl in der primären als auch sekundären Energiespeichervorrichtung 42 und 44 gespeichert. Gleichermaßen wird, wenn der Generator 46 die mechanische Leistung und Energie nicht in elektrische Leistung und Energie umwandelt, die für elektrische Fahrzeuglasten (nicht gezeigt) erforderlich sind, dann die Spannung des elektrischen Systems allgemein abgesenkt. Leistung oder Energie können von der primären Energiespeichervorrichtung 42, der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 oder von sowohl der primären als auch sekundären Energiespeichervorrichtung weggenommen werden. Die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 ist selektiv mit der primären Energiespeichervorrichtung 42 und dem Fahrzeuggenerator 46 durch eine Schaltung 50 verbunden. Eine Ausführungsform der Schaltung 50 ist in 2 gezeigt, und der Betrieb der Schaltung 50 ist in den nachfolgenden Absätzen beschrieben.
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Während des Betriebs der Maschine 12 (z.B. während eines Maschinen-Ein-Zustandes) kann die primäre Energiespeichervorrichtung 42 die sekundäre Energievorrichtung 44 laden. Genauer kann bei einer Ausführungsform der Ladezustand („SOC“) der primären Energiespeichervorrichtung 42 und der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 überwacht werden, um zu bestimmen, ob die primäre Energiespeichervorrichtung 42 die sekundäre Energievorrichtung 44 laden soll. Nach Start der Maschine 12 (z.B. in dem Maschinen-Ein-Zustand) werden der SOC der primären Energiespeichervorrichtung 42 und der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 beide überwacht, um zu bestimmen, ob ein Schwellen-SOC beibehalten wird. Genauer wird der SOC der primären Energiespeichervorrichtung 42 überwacht, um zu bestimmen, ob der SOC über einem primären Schwellenniveau (z.B. bei einer Ausführungsform bis 85 % SOC) liegt. Alternativ dazu kann der Ladestrom der primären Energiespeichervorrichtung 42 auf einen Schwellenstrom (z.B. 2 Ampere) abfallen. Wenn einer der Zustände erfüllt ist, wird die Spannung des elektrischen Fahrzeugsystems beibehalten, so dass die primäre Energiespeichervorrichtung 42 nicht geladen oder entladen werden braucht (z.B. sobald die primäre Energiespeichervorrichtung 42 85 % SOC erreicht, braucht die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 durch die primäre Energiespeichervorrichtung 42 nicht geladen zu werden).
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Bei einer Ausführungsform kann ein Bremsereignis eines nicht mit Kraftstoff versorgten Fahrzeugs verwendet werden, um die primäre Energiespeichervorrichtung 42 und die sekundäre Energievorrichtung 44 während des Maschinen-Ein-Zustandes zu laden. Genauer wird in dem Fall, dass von einem Fahrer ein Bremspedal (nicht gezeigt) gedrückt wird, die Kraftstoffbelieferung zu der Maschine 12 temporär beendet. Während des Bremsereignisses eines nicht mit Kraftstoff belieferten Fahrzeugs wandelt der Fahrzeuggenerator 46 mechanische Leistung und Energie in elektrische Leistung und Energie über das hinaus um, was für elektrische Fahrzeuglasten erforderlich ist (z.B. die überschüssige Leistung oder Energie). Somit wird die Spannung des elektrischen Systems allgemein angehoben, und die überschüssige Leistung oder Energie wird in der primären Energiespeichervorrichtung 42 und in der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 durch die Schaltung 50 gespeichert. Sobald die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 über ein SOC-Niveau geladen ist, das ein Erhitzen der elektrischen Heizung 52 während der Regeneration unterstützt, braucht die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 nicht mehr durch die Schaltung 50 während des Bremsereignisses eines nicht mit Kraftstoff belieferten Fahrzeugs geladen werden.
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Die elektrische Heizung 42 wird während der Regeneration der PF-Vorrichtung 24 erregt, um für den Monolithfilter 40 Wärme bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform wird die elektrische Heizung 52 während der Regeneration der PF-Vorrichtung 24 erregt, wenn die Brennkraftmaschine 12 in einem Maschinen-Aus-Zustand ist. Die elektrische Heizung 52 ist selektiv mit der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 durch die Schaltung 50 verbunden, wobei die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 elektrische Leistung für die elektrische Heizung 52 bereitstellt.
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Eine Luftpumpe 60 ist stromaufwärts der elektrischen Heizung 52 angeordnet und stellt eine Luftströmung für die PF-Vorrichtung 24 während der Regeneration bereit, falls die Maschine 12 in dem Maschinen-Aus-Zustand ist. Die Luftpumpe 60 ist selektiv mit der Schaltung 50 verbunden und wird durch diese erregt, wobei die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 Leistung für die Luftpumpe 60 bereitstellt. Es ist genauso ein Rückschlagventil (nicht gezeigt) enthalten, um einen Rückfluss durch die Luftpumpe 60 allgemein zu verhindern, wenn die Luftpumpe 60 nicht in Gebrauch steht (z.B. wenn die Maschine 12 in dem Maschinen-Ein-Zustand ist und arbeitet).
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Ein Steuermodul 70 ist funktional mit der Maschine 12, der Einspritzeinrichtung 32, der Schaltung 50 und dem Abgasbehandlungssystem 10 verbunden und überwacht diese durch eine Anzahl von Sensoren. Genauer zeigt 1 das Steuermodul 50 in Kommunikation mit einem Temperatursensor 72, der in der Abgasleitung 14 angeordnet ist, wie auch einem Gegendrucksensor 76. Der Temperatursensor 72 ist stromabwärts der PF-Vorrichtung 24 angeordnet und sendet elektrische Signale an das Steuermodul 70, die die Temperatur in der Abgasleitung 14 an einem spezifischen Ort angeben. Dies bedeutet, der Temperatursensor 52 gibt die Temperatur der PF-Vorrichtung 24 an.
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Der Gegendrucksensor 76 ist stromaufwärts der PF-Vorrichtung 24 angeordnet und erzeugt ein Signal, das die Kohlenstoffbeladung und Partikelbeladung in dem Monolithfilter 40 angibt. Es sei angemerkt, dass, während 1 einen Gegendrucksensor 76 zur Bestimmung einer Kohlenstoffbeladung in dem Monolithfilter 40 zeigt, genauso andere Vorgehensweisen zur Bestimmung der Kohlenstoffbeladung verwendet werden können. Beispielsweise kann bei einer alternativen Ausführungsform ein Deltadrucksensor anstelle einer Messung des Differenzdrucks über die PF-Vorrichtung 24 verwendet werden. Das Steuermodul 70 weist eine Steuerlogik zur kontinuierlichen Überwachung des Gegendrucksensors 76 und des Temperatursensors 72 auf. Genauer weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zur Überwachung des Gegendrucksensors 76 in Bezug auf die Menge an Partikeln auf, die in dem Monolithfilter 40 der PF-Vorrichtung 24 abgefangen ist. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform die Partikelmenge, die in dem Monolithfilter 40 abgefangen ist, die minimale Menge an Partikelmaterial sein, die eine Selbstverbrennung zulässt. Beispielsweise beträgt bei einer Ausführungsform die minimale Menge an Partikelmaterial, die zur Selbstverbrennung notwendig ist, etwa 2 g/l. Das Steuermodul 70 weist ferner eine Steuerlogik zur kontinuierlichen Überwachung des Temperatursensors 72 in Bezug auf eine Temperaturablesung der PF-Vorrichtung 24 auf.
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Bei der Ausführungsform, wie gezeigt ist, steht das Steuermodul 70 auch in Kommunikation mit einem Zündschalter 80. Der Zündschalter 80 sendet ein Signal an das Steuermodul 70, das den Maschinen-Aus-Zustand angibt. Genauer weist der Zündschalter 80 einen Schlüssel-Ein-Zustand und einen Schlüssel-Aus-Zustand auf, wobei der Schlüssel-Aus-Zustand mit dem Maschinen-Aus-Zustand übereinstimmt. Es sei angemerkt, dass, während die Begriffe Schlüssel-Ein und Schlüssel-Aus verwendet sind, bei einigen Ausführungsformen kein Schlüssel mit dem Zündschalter 80 verwendet werden muss. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform der Zündschalter 80 durch die Nähe eines Schlüsselanhängers (nicht gezeigt) aktiviert werden, der von einem Nutzer anstelle eines Schlüssels getragen wird. Der Schlüssel-Aus-Zustand tritt auf, wenn Leistung an die Maschine 12 geliefert wird, und der Schlüssel-Aus-Zustand findet statt, wenn keine Leistung an die Maschine 12 geliefert wird, ungeachtet dessen, ob ein tatsächlicher Schlüssel verwendet ist. Es sei auch angemerkt, dass, während ein Zündschalter 80 gezeigt ist, andere Vorgehensweisen genauso verwendet werden können, um den Maschinen-Aus-Zustand zu bestimmen.
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Das Steuermodul 70 weist eine Steuerlogik zur selektiven Auslösung einer Regeneration der PF-Vorrichtung 24 während des Maschinen-Aus-Zustandes auf. Eine Regeneration findet statt, wenn die Menge an Partikeln, die in dem Monolithfilter 40 der PF-Vorrichtung 24 abgefangen ist, einen Schwellendruckwert überschreitet, der den Bedarf zur Regeneration angibt, wie auch, wenn die Temperaturablesung von dem Temperatursensor 72 einen Schwellentemperaturwert überschreitet, der die Fähigkeit zur Regeneration angibt.
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Bei der Darstellung, wie in 2 gezeigt ist, ist die elektrische Heizung 52 als ein Widerstand gezeigt. Bei dem Beispiel, wie gezeigt ist, ist die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 ein Ultrakondensator (der als C1 bezeichnet ist), wobei jedoch zu verstehen sei, dass genauso eine Batterie verwendet werden kann. Die Schaltung 50 weist auch ein Widerstandselement 90, Spannungsmessvorrichtungen 92 und 94 und Schaltelemente 96, 98 und 100 auf. Bei der Ausführungsform, wie in 2 gezeigt ist, ist das Widerstandselement 90 ein optionales Element und kann als ein Strom begrenzender Widerstand verwendet werden, um einen Einschaltstrom zu dem Ultrakondensator C1 zu begrenzen, wenn das Schaltelement 98 in einer geschlossenen Position ist.
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Bei der beispielhaften Ausführungsform, wie gezeigt ist, sind die Schaltelemente 96, 98 und 100 als einpolige Ein-Aus-Schalter gezeigt. Bei einer Ausführungsform sind die Schaltelemente 96, 98 und 100 mechanische Schalter, die von einem mechanischen Element (z.B. einer rotierenden Nocke, die in 2 nicht gezeigt ist) betätigt werden. Bei einer anderen Vorgehensweise können die Schaltelemente Relais sein. Bei einer noch weiteren Ausführungsform können die Schaltelemente Transistoren sein. Beispielsweise können bei einer Ausführungsform die Schaltelemente Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren („MOSFET“) sein, die zum Schalten elektronischer Signale verwendet werden. Obwohl Relais und Transistorelemente diskutiert sind, sei zu verstehen, dass genauso eine Vielzahl von Schaltelementen verwendet werden kann.
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In dem Schaltungsdiagramm, wie in 2 gezeigt ist, ist ein Motor 110 enthalten, der einen Motor repräsentiert, der Teil der Luftpumpe 60 (in 1 gezeigt) ist. Bei einer Ausführungsform ist der Motor 110 ein DC-Motor mit einer Ein/Aus-Steuerung. Jedoch können genauso andere Typen von Motoren, wie beispielsweise ein DC-Motor mit variabler Drehzahlsteuerung oder ein bürstenloser DC-Motor verwendet werden. Das Schaltelement 96 ist vorgesehen, um selektiv elektrische Leistung an den Motor 110 anzulegen. Genauer wird in dem Fall, dass die Maschine 12 (in 1 gezeigt) abgeschaltet ist, und falls die Regeneration der PF-Vorrichtung 24 (in 1 gezeigt) aktiviert ist, das Schaltelement 96 in eine „EIN“- oder geschlossene Position geschaltet, um elektrische Leistung für den Motor 110 bereitzustellen.
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Die Spannungsmessvorrichtung 92 ist zu Diagnose- und Steuerzwecken vorgesehen. Genauer misst die Spannungsmessvorrichtung 92 die Spannung, die für den Motor 110 und zum Laden des Kondensators C1 verfügbar ist. Durch Folgerung aus der Spannung, die von der Spannungsmessvorrichtung 92 gemessen wird, kann bestimmt werden, ob der Schalter 96 geschlossen ist und eine Spannung an dem Motor 110 angelegt hat. Die Spannungsmessvorrichtung 94 ist auch zu Diagnose- und Steuerzwecken vorgesehen. Genauer misst die Spannungsmessvorrichtung 94 die Spannung über den Kondensator C1. Durch Folgerung aus der Spannung, die durch die Spannungsmessvorrichtung 94 gemessen ist, kann bestimmt werden, ob der Schalter 96 geschlossen ist und eine Spannung an den Kondensator C1 angelegt hat. Zusätzlich kann das Ladeniveau des Ultrakondensators C1 durch Folgerung aus der Spannung, die von der Spannungsmessvorrichtung 94 gemessen wird, bestimmt werden. Die Spannungen, die von der Spannungsmessvorrichtung 92 und 94 gemessen werden, werden an das Steuermodul 70 gesendet. Das Steuermodul 70 enthält eine Steuerlogik zum Bestimmen, ob der Ultrakondensator C1 ein Ladeniveau besitzt, das ausreichend ist, um ein Heizen einer elektrischen Heizung 52 während der Regeneration zu unterstützen.
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Das Schaltelement 98 ist vorgesehen, um elektrische Leistung, die von der primären Energiespeichervorrichtung 42 an die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 geliefert wird, entweder anzulegen oder zu entfernen. Genauer wird, wenn das Schaltelement 98 in der geschlossenen oder „EIN“-Position ist, elektrische Leistung von der primären Energiespeichervorrichtung 42 an die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 geliefert.
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Das Schaltelement 100 ist vorgesehen, um zu ermöglichen, dass die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 elektrische Leistung an die elektrische Heizung 52 durch den Schalter 98 entlädt und bereitstellt. Genauer stellt das Schaltelement 100 Leistung für die elektrische Heizung 52 bereit, wenn sich das Schaltelement 100 in der geschlossenen Position befindet. Wenn sich das Schaltelement 100 in der offenen Position befindet, wird keine elektrische Leistung an die elektrische Heizung 52 geliefert.
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Die Schaltung 50, wie in 2 gezeigt ist, trennt die primäre Energiespeichervorrichtung 42 (z.B. die Fahrzeugbatterie) von der elektrischen Heizung 52, falls die elektrische Heizung 52 erregt ist und die Maschine 12 in dem Maschinen-Aus-Zustand ist. Stattdessen wird elektrische Leistung an die elektrische Heizung 52 durch die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 geliefert. Dies verlängert die Lebensdauer der primären Energiespeichervorrichtung 42, da die primäre Energiespeichervorrichtung 42 nicht durch Erregen der elektrischen Heizung 52 in dem Maschinen-Aus-Zustand entleert wird.
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Zurück Bezug nehmend auf 1 kann das Abgasbehandlungssystem 10, wie beschrieben ist, auch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit der Maschine 12 verbessern. Dies ist so, da das Abgasbehandlungssystem 10 die PF-Vorrichtung 24 während des Maschinen-Aus-Zustandes regeneriert, während die Luftpumpe 60 verwendet wird, um eine Luftströmung für die PF-Vorrichtung 24 bereitzustellen. Genauer steuert, da die Maschine 12 während der Regeneration in dem Maschinen-Aus-Zustand ist, die Luftpumpe 60 die Menge an Luftströmung zu der PF-Vorrichtung 24. Somit kann, da die Luftströmung gesteuert wird, eine Flammenfront, die durch das abgefangene Partikelmaterial in der PF-Vorrichtung 24 während der Regeneration erzeugt wird, durch die relativ hohe Luftströmung, die durch Beschleunigung der Maschine 12 erzeugt wird, allgemein nicht ausgelöscht werden. Infolgedessen braucht die Temperatur des Abgases 15 durch die Maschine 12 unter Verwendung von überschüssigem Kraftstoff zur Regeneration der PF-Vorrichtung 24 nicht erhöht werden. Überdies kann, da die elektrische Heizung 52 verwendet wird, um Wärme für die PF-Vorrichtung 24 bereitzustellen, die Zeit zur Regeneration im Vergleich zu einer Regeneration vermindert werden, die erhöhte Abgastemperaturen verwendet.
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Nun wird ein Verfahren zur Regeneration der PF-Vorrichtung 24 erläutert. Bezug nehmend auf 3 ist ein beispielhaftes Prozessflussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum Betrieb des Abgasbehandlungssystems 10 zeigt, allgemein mit Bezugszeichen 200 angegeben. Allgemein Bezug nehmend auf die 1 - 3 beginnt der Prozess 200 mit Schritt 202, bei dem das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zum Empfangen eines Signals aufweist, das einen Maschinen-Aus-Zustand angibt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform steht ein Zündschalter 80 in Kommunikation mit dem Steuermodul 70 und wird dazu verwendet, anzugeben, ob der Maschinen-Ein- oder Maschinen-Aus-Zustand aufgetreten ist, wobei jedoch zu verstehen sei, dass genauso andere Vorgehensweisen verwendet werden können. Der Prozess 200 kann mit Schritt 204 in dem Fall fortfahren, dass eine Maschine 12 in dem Maschinen-Ein-Zustand ist. Der Prozess 200 kann mit Schritt 212 fortfahren, wenn die Maschine 12 in dem Maschinen-Aus-Zustand ist.
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Bei Schritt 204 weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zur Überwachung eines Gegendrucksensors 76 in Bezug auf ein Signal auf, das die Kohlenstoffbeladung und Partikelbeladung in einem Monolithfilter 40 einer PF-Vorrichtung 24 angibt. Genauer kann, wenn die Menge an Partikeln, die in dem Monolithfilter 40 abgefangen ist, kleiner als die minimale Menge an Partikelmaterial ist, die eine Selbstverbrennung zulässt (z.B. etwa 2 g/l bei einem Beispiel), dann der Prozess 200 enden. Wenn jedoch die Menge an Partikeln, die in dem Monolithfilter 40 abgefangen ist, gleich oder über der minimalen Menge an Partikelmaterial liegt, die eine Selbstverbrennung zulässt, kann der Prozess 200 dann mit Schritt 206 fortfahren.
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Bei Schritt 206 weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zum Schalten eines Schaltelements 98 in eine geschlossene Position auf, so dass eine primäre Energiespeichervorrichtung 42 (in den 1 bis 2 gezeigt) mit einer sekundären Energiespeichervorrichtung 44 (in den 1 - 2 gezeigt) verbunden ist. Genauer ist Bezug nehmend auf 2 das Schaltelement 98 geschlossen, um elektrische Leistung bereitzustellen, die von der primären Energiespeichervorrichtung 42 zu der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 geliefert wird (als C1 in 2 gezeigt). Somit kann während des Maschinen-Ein-Zustandes die primäre Energiespeichervorrichtung 42 die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 laden, falls die Menge an Partikeln, die in dem Monolithfilter 40 abgefangen ist, gleich oder über der Menge liegt, die zur Selbstverbrennung notwendig ist.
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Bei einer Ausführungsform kann der Ladezustand der primären Energiespeichervorrichtung 42 durch ein elektrisches Fahrzeugsystem (in den 1 - 3 nicht gezeigt) überwacht werden, um zu bestimmen, ob die primäre Energiespeichervorrichtung 42 die sekundäre Energievorrichtung 44 lädt. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Bremsereignis eines nicht mit Kraftstoff belieferten Fahrzeugs verwendet werden, um die primäre Energiespeichervorrichtung 42 und die sekundäre Energievorrichtung 44 durch den Generator 46 zu laden. Der Prozess 200 kann dann mit Schritt 208 fortfahren.
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Bei Schritt 208 weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zur kontinuierlichen Überwachung des Gegendrucksensors 76 in Bezug auf ein Signal auf, das die Kohlenstoffbeladung und Partikelbeladung in einem Monolithfilter 40 der PF-Vorrichtung 24 anzeigt. Genauer kann, wenn die Menge an Partikeln, die in dem Monolithfilter 40 abgefangen ist, bei oder über einer maximalen Menge liegt, die zulässig ist, bevor die Regeneration auftritt, der Prozess 200 dann mit Schritt 210 fortfahren, bei dem die Maschine 12 betrieben wird, um erhöhte Abgastemperaturen zu erzeugen, und die PF-Vorrichtung 24 wird regeneriert. Der Prozess 200 kann dann enden. Wenn jedoch die Menge an Partikeln, die in dem Monolithfilter 40 abgefangen ist, kleiner als die maximale Menge ist, die zulässig ist, bevor die Regeneration ausgelöst wird, der Prozess 200 dann enden oder alternativ zurück zu Schritt 202 fortfahren.
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Wie bei Schritt 202 diskutiert ist, kann, falls die Maschine 12 in dem Maschinen-Aus-Zustand ist, der Prozess 200 dann mit Schritt 212 fortfahren. Bei Schritt 212 weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zur Bestimmung der Kohlenstoffbeladung und Partikelbeladung in dem Monolithfilter 40 auf (z.B. bei einer Ausführungsform kann das Steuermodul 50 den Gegendrucksensor 76 während des Maschinen-Ein-Zustandes überwachen und den Wert in einem Speicher des Steuermoduls 50 speichern). In dem Fall, dass das Niveau an Kohlenstoffbeladung angibt, dass keine Regeneration in dem Maschinen-Aus-Zustand erforderlich ist, kann der Prozess 200 dann enden. In dem Fall, dass das Niveau an Kohlenstoffbeladung angibt, dass in dem Maschinen-Aus-Zustand eine Regeneration der PF-Vorrichtung 24 erforderlich ist, kann der Prozess 200 dann mit Schritt 214 fortfahren.
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Bei Schritt 214 weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zur Überwachung einer Schaltung 50 (in 1 gezeigt) auf, um zu bestimmen, ob die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 bei einem SOC-Niveau liegt, das ein Erwärmen einer elektrischen Heizung 52 während der Regeneration unterstützt. Genauer ist in Bezug auf 2 eine Spannungsmessvorrichtung 94 vorgesehen, um das Ladeniveau der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 zu messen. In dem Fall, dass die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 nicht auf einem SOC-Niveau ist, das eine Erwärmung der elektrischen Heizung 52 während der Regeneration unterstützt, kann der Prozess 200 dann enden. In dem Fall, dass die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 bei einem SOC-Niveau liegt, das eine Erwärmung der elektrischen Heizung 52 während der Regeneration unterstützt, kann der Prozess 200 dann mit Schritt 216 fortfahren.
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Bei Schritt 216 weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zum Schalten eines Schaltelements 98 in eine offene Position auf, so dass die primäre Energiespeichervorrichtung 42 (in den 1 - 2 gezeigt) von der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 (in den 1 - 2 gezeigt) getrennt ist. Genauer wird Bezug nehmend auf 2 das Schaltelement 98 geöffnet, um elektrische Leistung zu beseitigen, die von der primären Energiespeichervorrichtung 42 zu der sekundären Energiespeichervorrichtung 44 geliefert wird (als C1 in 2 gezeigt). Der Prozess 200 kann dann mit Schritt 218 fortfahren.
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Bei Schritt 218 ist die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 (z.B. C1, wie in 2 gezeigt ist) mit der elektrischen Heizung 52 verbunden. Bezug nehmend auf 2 wird das Schaltelement 100 in die geschlossene Position geschaltet, um zu ermöglichen, dass sich die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 entlädt und die elektrische Heizung 52 erregt. Der Prozess 200 kann dann mit Schritt 220 fortfahren.
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Bei Schritt 220 weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zur Überwachung der Temperatur der PF-Vorrichtung 24 auf, um zu bestimmen, ob der Filter 40 bei einer Temperatur ist, die zur Regeneration notwendig ist. Bezug nehmend auf 1 überwacht das Steuermodul 70 den Temperatursensor 72, um die Temperatur der PF-Vorrichtung 24 zu bestimmen. In dem Fall, dass die Temperatur der PF-Vorrichtung 24 kein Niveau erreicht hat, das zur Regeneration ausreichend ist, kann der Prozess 200 mit der Überwachung der Temperatur der PF-Vorrichtung 24 fortfahren oder alternativ dazu kann der Prozess 200 enden. In dem Fall, dass die Temperatur der PF-Vorrichtung 24 ein Niveau erreicht hat, das zur Regeneration ausreichend ist, und die Regeneration begonnen hat, kann der Prozess 200 dann mit Schritt 222 fortfahren.
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Bei Schritt 222 weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zum Aktivieren einer Luftpumpe 60 (in 1 gezeigt) auf, um während der Regeneration eine Luftströmung für die PF-Vorrichtung 24 bereitzustellen. Die Luftpumpe 60 ist mit der Schaltung 50 selektiv verbunden und wird durch diese erregt, wobei die sekundäre Energiespeichervorrichtung 44 Leistung an die Luftpumpe 60 liefert. Genauer wird Bezug nehmend auf 2 das Schaltelement 96 in die geschlossene Position geschaltet, um Leistung für einen Motor 110 bereitzustellen. Der Motor 110 repräsentiert einen Motor, der Teil der Luftpumpe 60 (in 1 gezeigt) ist. Der Prozess 200 kann dann mit Schritt 224 fortfahren.
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Bei Schritt 224 weist das Steuermodul 70 eine Steuerlogik zur Überwachung des Gegendrucksensors 76 in Bezug auf ein Signal auf, das angibt, dass eine Regeneration der PF-Vorrichtung 24 vollständig ist. In dem Fall, dass das Niveau an Kohlenstoffbeladung angibt, dass eine Regeneration nicht vollständig ist, kann der Prozess 200 zu Schritt 224 zurückkehren, bei dem das Steuermodul 70 mit einer Überwachung des Gegendrucksensors 76 fortfährt. In dem Fall, dass das Niveau an Kohlenstoffbeladung angibt, dass die Regeneration der PF-Vorrichtung 24 vollständig ist, kann der Prozess 200 dann mit Schritt 226 fortfahren.
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Bei Schritt 226 beendet die Schaltung 50 dann die Bereitstellung von elektrischer Leistung für die elektrische Heizung 52 und die Luftpumpe 60 von der sekundären Energiespeichervorrichtung 44. Genauer wird Bezug nehmend auf 2 das Schaltelement 96 in die offene Position geschaltet, um die Bereitstellung von Leistung für den Motor 110 zu beenden, und das Schaltelement 100 wird geöffnet, um die Bereitstellung von Leistung für die elektrische Heizung 52 zu beenden. Der Prozess 200 kann dann enden.
