DE102013217003A1

DE102013217003A1 - Sekundärlufteinführsystem

Info

Publication number: DE102013217003A1
Application number: DE102013217003.3A
Authority: DE
Inventors: Xiaogang Zhang; Jianwen James Yi; Wen Dai; Paul M. Laing; John Hedges
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: US9238983B2; RU2013140964A; DE102013217003B4; CN103670613A; US20140060040A1; RU2647941C2; CN103670613B

Abstract

Ausführungsformen zum Erwärmen einer Emissionssteuervorrichtung werden bereitgestellt. In einem Beispiel umfasst ein Verfahren für einen turbogeladenen Motor während eines Motorkaltstarts das Abgeben von geladener Luft stromabwärts eines Verdichters in eine Ladedruckregelungsleitung, die über eine Turbine gekoppelt ist, und das exotherme Umsetzen eines Reduktionsmittels mit der geladenen Luft stromaufwärts einer Abgasemissionssteuervorrichtung. Auf diese Weise kann geladene Luft verwendet werden, um eine exotherme Reaktion zum Erwärmen der Vorrichtung auszulösen.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Sekundärlufteinführsystem für einen Verbrennungsmotor.
Abgasemissionssteuervorrichtungen wie Katalysatoren erzielen nach Erreichen einer vorbestimmten Betriebstemperatur eine höhere Emissionsreduzierung. Daher sind zur Verringerung von Fahrzeugemissionen verschiedene Verfahren möglich, um die Temperatur der Emissionssteuervorrichtung so schnell wie möglich zu erhöhen.
In einem Ansatz zur Erhöhung der Temperatur der Emissionssteuervorrichtung wird ein Motor mit einem reichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben und Sekundärluft wird direkt in das Abgas stromaufwärts einer Emissionssteuervorrichtung eingeführt. Ein solches System ist in der US-Patentschrift Nr. 5,136,842 offenbart. In diesem System wird der überschüssige Kraftstoff aus dem Motor in das Abgas ausgestoßen, wo er mit der Sekundärluft stromaufwärts der Emissionssteuervorrichtung reagiert. Der umgesetzte Kraftstoff erhöht die Temperatur des Abgases und erwärmt so die Emissionssteuervorrichtung. Allerdings wird zur Einführung der Sekundärluft in das Abgas eine Sekundärluftpumpe verwendet, um den Druck der Sekundärluft über den Abgasdruck zu erhöhen. Die Verwendung einer solchen Pumpe kann die Kraftstoffeffizienz verschlechtern und macht zusätzlichen Bauraum erforderlich, sodass die Effizienz des Motors verringert wird.
Die Erfinder hierin haben die Probleme mit dem obigen Ansatz erkannt und bieten ein Verfahren an, das diese zumindest teilweise behebt. In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren für einen turbogeladenen Motor während eines Motorkaltstarts das Abgeben von geladener Luft stromabwärts eines Verdichters in eine Ladedruckregelungsleitung, die über eine Turbine gekoppelt ist, und das exotherme Umsetzen eines Reduktionsmittels mit der geladenen Luft stromaufwärts einer Abgasemissionssteuervorrichtung.
Auf diese Weise kann geladene Luft stromabwärts des Verdichters zu dem Abgas stromaufwärts einer Emissionssteuervorrichtung geleitet werden, ohne eine separate Pumpe zu benutzen. Durch die Nutzung des Druckdifferentials zwischen dem Drosselklappeneinlassdruck stromabwärts des Verdichters und dem Turbinenauslassdruck nahe der Stelle, an der die Sekundärluft in das Ladedruckregelventil eingeführt wird, kann die geladene Luft ohne separaten Druckbeaufschlagungsmechanismus zu dem Abgas geleitet werden. Ferner kann in einigen Beispielen das Ladedruckregelventil, das die Abgasmenge regelt, welche die Turbine über die Ladedruckregelungsleitung umgeht, zum Steuern der Reaktionsrate zwischen dem Abgas und der eingeführten geladenen Luft verwendet werden.
Die vorliegende Offenbarung kann verschiedene Vorteile bieten. Zum Beispiel kann durch die Nutzung von geladener Luft anstatt mittels einer Pumpe druckbeaufschlagter Luft auf eine separate Luftpumpe verzichtet werden, sodass die Motoreffizienz verbessert wird. Außerdem kann durch Einführen der geladenen Luft in die Ladedruckregelungsleitung die Reaktion zwischen den Reduktionsmitteln in dem Abgas und der geladenen Luft durch das Ladeluftregelventil gesteuert werden, sodass gewährleistet wird, dass die Turbine, die Emissionssteuervorrichtung oder andere Abgassystemkomponenten keinen hohen Temperaturen unterzogen werden, die zu Komponentenbeschädigung führen können.
Die oben genannten Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung allein oder in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
Man wird verstehen, dass die obige Kurzdarstellung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten bereitzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Es sollen keine Hauptmerkmale oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstandes identifiziert werden, dessen Schutzumfang einzig und allein in den Ansprüchen definiert ist, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Des Weiteren ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die mögliche Nachteile, die oben oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung erwähnt sind, beseitigen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Motors.
2 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erwärmen einer Emissionssteuervorrichtung über die Einführung von geladener Luft darstellt.
3 ein Diagramm, das verschiedene Motorbetriebsparameter während der Ausführung des Verfahrens aus 2 darstellt.
Zum raschen Erwärmen einer Emissionssteuervorrichtung wie eines Katalysators können Fahrzeuge ein Sekundärlufteinführsystem aufweisen, das auch als PETA-(Ported Electric Thermactor Air)-System bezeichnet wird, um sauerstoffreiche Sekundärluft in das Abgas stromaufwärts der Emissionssteuervorrichtung einzuführen. Der überschüssige Sauerstoff in der Sekundärluft reagiert mit Reduktionsmitteln wie unverbranntem Kraftstoff in dem Abgas, um eine exotherme Reaktion zu erzeugen, die die Emissionssteuervorrichtung erwärmen wird. Zum effizienten Einführen der Sekundärluft in das Abgas kann geladene Luft stromabwärts eines Verdichters entweder über eine Ladedruckregelungsleitung, die über eine Turbine gekoppelt ist, oder über einen Ablasskanal zu dem Abgas geleitet werden. In einigen Beispielen kann die Reaktion durch Regeln eines Ladedruckregelventils in der Ladedruckregelungsleitung gesteuert werden. 1 ist ein beispielhafter Motor, der ein Sekundärlufteinführsystem und eine Steuerung aufweist, die zum Ausführen des Verfahrens aus 2 konfiguriert ist. Beispielhafte Motorbetriebsparameter während eines Motorkaltstarts, bei dem eine Emissionssteuervorrichtung über Sekundärluft erwärmt wird, sind in 3 dargestellt.
1 ist ein schematisches Diagramm, das einen Mehrzylindermotor 10 darstellt, der in einem Antriebssystem eines Automobils enthalten sein kann. Der Motor 10 kann mindest teilweise von einem Steuersystem mit einer Steuerung 12 und durch die Eingabe eines Fahrzeugbedieners 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel weist die Eingabevorrichtung 130 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP auf. Die Verbrennungskammer (d. h. Zylinder) 30 des Motors 10 kann Verbrennungskammerwände 32 mit einem darin angeordneten Kolben 36 aufweisen. Der Kolben 36 kann mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, sodass die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann mit mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs über ein zwischengeschaltetes Getriebesystem gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlassermotor mit der Kurbelwelle 40 über ein Schwungrad gekoppelt sein, um einen Startvorgang des Motors 10 zu aktivieren.
Die Verbrennungskammer 30 kann die Einlassluft von dem Einlasskrümmer 44 über den Einlasskanal 42 aufnehmen und Verbrennungsgase über den Ablasskanal 48 ausstoßen. Der Einlasskrümmer 44 und der Ablasskanal 48 können selektiv über das entsprechende Einlassventil 52 und Ablassventil 54 mit der Verbrennungskammer 30 verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 zwei oder mehrere Einlassventile und/oder zwei oder mehrere Ablassventile aufweisen.
In diesem Beispiel können das Einlassventil 52 und die Ablassventile 54 über die Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 durch Nockenbetätigung gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 können jeweils einen oder mehrere Nocken aufweisen und ein oder mehrere Systeme mit Nockenprofilschaltung (CPS), variabler Nockenwellensteuerung (VCT), variabler Ventilsteuerung (VVT) und/oder variabler Ventilhubsteuerung (VVL) benutzen, die von der Steuerung 12 zum Variieren des Ventilbetriebs betrieben werden können. Die Position des Einlassventils 52 und Ablassventils 54 kann von den Positionssensoren 55 bzw. 57 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen können das Einlassventil 52 und/oder das Ablassventil 54 durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Zum Beispiel kann der Zylinder 30 alternativ ein Einlassventil, das über eine elektrische Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Ablassventil aufweisen, das über die Nockenbetätigung, einschließlich CPS- und/oder VCT-Systemen gesteuert wird.
Die Kraftstoffeinspritzdüse 66 ist in dem Einlasskrümmer 44 in einer Konfiguration angeordnet, die eine Saugrohreinspritzung von Kraftstoff in die Ansaugöffnung stromaufwärts der Verbrennungskammer 30 bereitstellt. Die Kraftstoffeinspritzdüse 66 kann Kraftstoff im Verhältnis zu der Pulsbreite des Signals FPW, das von der Steuerung 12 über die elektronische Ansteuerung des Fahrers 68 empfangen wird, einspritzen. Kraftstoff kann an die Kraftstoffeinspritzdüse 66 von einem Kraftstoffsystem (nicht dargestellt) abgegeben werden, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und einen Kraftstoffzuteiler aufweist. In einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 alternativ oder zusätzlich eine Kraftstoffeinspritzdüse aufweisen, die direkt mit der Verbrennungskammer 30 gekoppelt ist, um Kraftstoff in bekannter Weise direkt durch Direkteinspritzung einzuspritzen.
Der Einlasskanal 42 kann eine Drosselklappe 62 aufweisen, die eine Drosselscheibe 64 aufweist. In diesem bestimmten Beispiel kann die Position der Drosselscheibe 64 von einer Steuerung 12 mittels eines Signals variiert werden, das einem Elektromotor oder Aktor bereitgestellt wird, die in der Drosselklappe 62 enthalten sind, wobei diese Konfiguration allgemein als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Drosselklappe 62 zum Variieren der Einlassluft, die der Verbrennungskammer 30 unter anderen Motorzylindern bereitgestellt wird, betätigt werden. Die Position der Drosselscheibe 64 kann der Steuerung 12 über ein Drosselklappenpositionssignal TP bereitgestellt werden. Der Einlasskanal 42 kann ferner einen Luftmassenstromsensor 120 und einen Krümmerluftdrucksensor 122 zum Bereitstellen der entsprechenden MAF- und MAP-Signale an die Steuerung 12 aufweisen.
Das Zündsystem 88 kann der Verbrennungskammer 30 unter ausgewählten Betriebsmodi durch eine Zündkerze 92 als Reaktion auf ein Frühzündungssignal SA von der Steuerung 12 einen Zündfunken bereitstellen. Wenngleich in einigen Ausführungsformen Zündungskomponenten dargestellt sind, können die Verbrennungskammer 30 oder eine oder mehrere andere Verbrennungskammern des Motors 10 in einem Kompressionszündmodus mit oder ohne Zündfunken betrieben werden.
Ein Abgassensor 126 ist mit dem Ablasskanal 48 stromaufwärts der Emissionssteuervorrichtung 70 gekoppelt dargestellt. Der Sensor 126 kann ein beliebiger geeigneter Sensor zum Bereistellen einer Anzeige eines Abluft-Kraftstoff-Verhältnisses wie ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO-(Universal oder Wide-Range Exhaust Gas Oxygen)-Sensor, ein Sauerstoffsensor mit zwei Zuständen oder EGO-(wie dargestellt), ein HEGO-(Heated EGO), ein NO_x-, HC- oder CO-Sensor sein. Wie dargestellt, ist die Emissionssteuervorrichtung 70 entlang des Ablasskanals 48 stromabwärts des Abgassensors 126 angeordnet. Die Vorrichtung 70 kann ein Dreiwegekatalysator (TWC), ein NO_x-Abscheider, verschiedene andere Emissionssteuervorrichtungen oder Kombinationen davon sein. In einigen Ausführungsformen kann während des Betriebs des Motors 10 die Emissionssteuervorrichtung 70 regelmäßig zurückgesetzt werden, indem mindestens ein Zylinder des Motors innerhalb eines bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses betrieben wird.
Der Motor 10 kann ferner eine Verdichtungsvorrichtung wie einen Turbolader oder Superlader mit mindestens einem Verdichter 162 aufweisen, der entlang des Einlasskanals 42 angeordnet ist. Bei einem Turbolader kann der Verdichter 162 mindestens teilweise von einer Turbine 164 (beispielsweise über eine Welle) angetrieben werden, die entlang des Ablasskanals 48 angeordnet ist. Ein Luftstrom durch die Turbine 164 kann von einem Ladedruckregelventil 168 geregelt werden, das in einer Ladedruckregelungsleitung 166 angeordnet ist, die über die Turbine gekoppelt ist. Wenn das Ladedruckregelventil 168 offen ist, kann Abgas die Turbine 164 umgehen und stattdessen durch die Ladedruckregelungsleitung 166 strömen, bevor es in den Ablasskanal 48 stromabwärts der Turbine 164 aufgenommen wird. Auf diese Weise können die Turbinendrehzahl und somit der Ladedruck geregelt werden. Die Position des Ladedruckregelventils 168 kann durch ein Signal gesteuert werden, das von der Steuerung 12 gesteuert wird. Für einen Superlader kann der Verdichter 162 mindestens teilweise von dem Motor und/oder einer elektrischen Maschine angetrieben werden und muss keine Turbine aufweisen. Daher kann die Verdichtung (z. B. Ladung), die einem oder mehreren Zylindern des Motors über einen Turbolader oder Superlader bereitgestellt wird, von der Steuerung 12 variiert werden. Ferner kann ein Sensor 123 in dem Einlasskrümmer 44 angeordnet sein, um der Steuerung 12 ein BOOST-Signal bereitzustellen.
Der Motor 10 kann ein Sekundärlufteinführsystem aufweisen, um Sekundärluft in das Abgassystem einzuführen. Eine Sekundärluftleitung 170 kann einen Einlasskanal 42 stromabwärts des Verdichters 162 mit dem Abgassystem koppeln. In einer ersten Ausführungsform kann die Sekundärluftleitung 170 an ihrem stromabwärts gelegenen Ende mit der Ladedruckregelungsleitung 166 stromabwärts des Ladedruckregelventils 168 gekoppelt sein. Auf diese Weise kann geladene Luft stromabwärts des Verdichters 162 über die Sekundärluftleitung 170 zu der Ladedruckregelungsleitung 166 geleitet werden. Der Auslass der Sekundärluftleitung 170 kann an der Öffnung 172 mit einem Einlass der Ladedruckregelungsleitung 166 gekoppelt werden. Ein Sekundärluftventil 174, das von der Steuerung 12 geregelt wird, in der Sekundärluftleitung 170 kann die Menge der geladenen Luft, die zu der Ladedruckregelungsleitung 166 geleitet wird, regulieren. Die Abgasmenge, die in die Ladedruckregelungsleitung 166 eingeführt wird, kann von dem Ladedruckregelventil 168 gesteuert werden. Dabei können unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder andere Reduktionsmittel in dem Abgas mit dem Sauerstoff in der eingeführten Sekundärluft exotherm reagieren, sodass Wärme freigesetzt wird, um die Temperatur einer stromabwärts gelegenen Emissionssteuervorrichtung (zum Beispiel Emissionssteuervorrichtung 70) zu erhöhen. Außerdem kann Bauraum in dem Motor durch Lenken der geladenen Luft zu der Ladedruckregelungsleitung eingespart werden. Zum Beispiel führt der kürzeste Weg zu dem Abgassystem durch die Positionierung des Einlasses der Sekundärluftleitung proximal zu der stromabwärts gelegenen Seite des Kompressors dazu, dass der Sekundärluftleitungsauslass proximal zu der Ladeluftregelungsleitung liegt. Ferner kann durch Steuern sowohl der Menge der geladenen Luft als auch der Abgasmenge, die über das Sekundärluftventil 174 bzw. das Ladedruckregelventil 168 zu der Ladedruckregelungsleitung 166 geleitet wird, die exotherme Reaktion geregelt werden, um eine gewünschte Temperatur und/oder Reaktionsrate beizubehalten.
In einer zweiten Ausführungsform, die in 1 durch gestrichelte Linien dargestellt ist, kann die Sekundärluftleitung 170 an ihrem stromabwärts gelegenen Ende mit dem Ablasskanal 48 stromabwärts der Turbine 164 gekoppelt sein. In dieser Ausführungsform kann die Menge der sekundären oder geladenen Luft, die in das Abgas eingeführt wird, ebenfalls über das Sekundärluftventil 174 gesteuert werden. Da der Druck des Abgases an dem Turbinenauslass typischerweise geringer als der Druck der Einlassluft stromabwärts des Kompressors ist, kann die Sekundärluft zu dem Auslasskanal ohne zusätzlichen Druckbeaufschlagungsmechanismus geleitet werden, und zwar unabhängig davon, ob die Sekundärluft direkt zu dem Ablasskanal stromabwärts der Turbine geleitet wird oder ob sie zu der Ladedruckregelungsleitung geleitet wird. Allerdings kann der Abgasdruck an dem Turbinenauslass unter bestimmten Bedingungen wie unmittelbar nach einem Motorstart höher als der Druck stromabwärts des Verdichters sein. Um zu vermeiden, dass Abgas unter diesen Bedingungen in den Einlasskanal strömt, kann ein Rückschlagventil 176 in der Sekundärluftleitung 170 vorhanden sein.
Die Steuerung 12 ist in 1 als Mikrocomputer dargestellt, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingabe-/Ausgabeports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem besonderen Beispiel als Nurlesespeicherchip 106 dargestellt ist, einen wahlfreien Zugriffsspeicher 108, einen Keep-Alive-Speicher 110 und einen Datenbus aufweist. Die Steuerung 12 kann zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Signalen verschiedene Signale von den Sensoren empfangen, die mit dem Motor 10 gekoppelt sind, einschließlich der Messung des induzierten Luftmassenstroms (MAF) von dem Luftmassenstromsensor 120; der Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von dem Temperatursensor 112, der mit der Kühlhülse 114 gekoppelt ist; des Profilzündungsaufnahmesignals (PIP) aus dem Halleffektsensor 118 (oder einem anderen Typ), der mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt ist; der Drosselklappenposition (TP) von einem Drosselklappenpositionssensor, und des absoluten Krümmerdrucksignals MAP vom Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal U/Min. kann von der Steuerung 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP aus einem Krümmerdrucksensor kann verwendet werden, um eine Anzeige des Vakuums oder Drucks in dem Einlasskrümmer bereitzustellen. Es sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie ein MAF-Sensor ohne MAP-Sensor oder umgekehrt. Während des stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor eine Anzeige eines Motordrehmoments angeben. Ferner kann dieser Sensor zusammen mit der erfassten Motordrehzahl eine Schätzung der Ladung (einschließlich der Luft), die in den Zylinder induziert wird, bereitstellen. In einem Beispiel kann der Sensor 118, der auch als ein Motordrehmomentsensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl von gleich beabstandeten Pulsen für jede Umdrehung der Kurbelwelle erzeugen.
Das Nurlesespeichermedium 106 kann mit computerlesbaren Daten programmiert sein, die Anweisungen repräsentieren, die von dem Prozessor 102 zum Ausführen der Verfahren, die unten beschrieben sind, ausführbar sind, sowie andere Varianten, die in Erwägung gezogen werden können, aber nicht spezifisch aufgeführt sind.
Wie oben beschrieben, zeigt 1 nur einen Zylinder eines Mehrzylindermotors und zeigt, dass jeder Zylinder auf ähnliche Weise seinen eigenen Satz Einlass- und Ablassventile, Kraftstoffeinspritzdüse, Zündkerze usw. aufweisen kann.
In Bezug auf 2 ist ein Verfahren 200 zum Erwärmen einer Emissionssteuervorrichtung dargestellt. Das Verfahren 200 kann von der Steuerung 12 in Übereinstimmung mit Anweisungen ausgeführt werden, die darin gespeichert sind, um die Emissionssteuervorrichtung 70 durch eine exotherme Reaktion zu erwärmen, die in der Ladedruckregelungsleitung 166 ausgelöst wird. Das Verfahren 200 umfasst bei 202 das Bestimmen von Motorbetriebsparametern. Die bestimmten Motorbetriebsparameter können die Motordrehzahl, Motorlast, Motortemperatur, Abgastemperatur, Zeit seit dem Motorstart usw. beinhalten. Bei 204 wird basierend auf Motorbetriebsparametern bestimmt, ob ein Motorkaltstart erkannt wird. Der Motorkaltstart kann ein Motorstart und ein auf einen Motorstart folgender Betriebszeitraum sein, wobei der Motor beim Motorstart relativ kühl wie bei Umgebungstemperatur ist. Während eines Motorkaltstarts kann die Emissionssteuervorrichtung unter der Betriebstemperatur wie unter der Anspringtemperatur liegen, sodass Emissionen in dem Abgas wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, NOx und CO an der Vorrichtung vorbei in die Atmosphäre gelangen können. Die Vorrichtung kann weiterhin unter optimaler Effizienz arbeiten, bis der Motor die Betriebstemperatur erreicht, was je nach der Umgebungstemperatur von wenigen Sekunden bis zu einer Minute oder länger dauern kann. Zum raschen Erwärmen der Emissionssteuervorrichtung während eines Motorkaltstarts kann eine exotherme Reaktion durch Einführen von sauerstoffreicher Einlassluft in das Abgas stromaufwärts der Emissionssteuervorrichtung ausgelöst werden, wobei unverbrannte Kohlenwasserstoffe und andere Reduktionsmittel mit dem Sauerstoff reagieren, um Wärme zu erzeugen.
Wenn also bei 204 ermittelt wird, dass der Motor unter Kaltstartbedingungen nicht betrieben wird, geht das Verfahren 200 weiter zu 206, um das Sekundärluftventil geschlossen zu halten, da keine Erwärmung der Emissionssteuervorrichtung angezeigt wird. Bei 208 wird das Ladedruckregelventil eingestellt, um den gewünschten Ladedruck bereitzustellen, und bei 210 wird die geladene Einlassluft nur zu dem Einlass des Motors geleitet. Bei 212 wird der Motor mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder einem anderen gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnis basierend auf den Motorbetriebsparametern und dem erkannten Abgassauerstoffgehalt betrieben, wonach das Verfahren 200 endet.
Wenn jedoch ermittelt wird, dass der Motor unter Kaltstartbedingungen arbeitet, geht das Verfahren 200 weiter, um die Emissionssteuervorrichtung durch Einführen von geladener Luft in das Abgas zu erwärmen. Zur Einführung der geladenen Luft und Aufrechterhaltung einer gesteuerten exothermen Reaktion, die nicht zu hohen Temperaturen führt, die die Abgassystemkomponenten beschädigen könnten, kann das Ladedruckregelventil unabhängig von dem gewünschten Ladedruck in koordinierter Weise mit dem Sekundärluftventil eingestellt werden. Dies steht im Gegensatz zu den oben beschriebenen Nicht-Kaltstartbedingungen, bei denen das Ladedruckregelventil basierend auf dem gewünschten Ladedruck eingestellt wird. Daher wird das Ladedruckregelventil bei 214 unmittelbar nach dem Motorstart geöffnet oder in der offenen Position gehalten. Durch Öffnen des Ladedruckregelventils kann das Abgas um die Turbine abgelenkt werden, sodass eine zusätzliche Abgaskühlung, die aus der Durchquerung der Turbine resultieren kann, verhindert wird. Allerdings kann ein offenes Ladedruckregelventil auch eine Verringerung der Ladedruckmenge bewirken, durch welche die Einführung der geladenen Luft in das Abgas verzögert wird. Daher kann das Ladedruckregelventil unter bestimmten Bedingungen nach einem Kaltstart geöffnet werden, während es unter anderen Bedingungen nach einem Kaltstart geschlossen werden kann.
Das Sekundärluftventil kann eine Standardposition der vollständig geschlossenen Position aufweisen, um das Umlenken von Einlassluft weg von dem Einlasskrümmer unter Bedingungen, unter denen die Erwärmung der Emissionssteuervorrichtung nicht angezeigt wird, zu vermeiden. Daher befindet sich das Sekundärluftventil unmittelbar nach einem Motorstart in der geschlossenen Position. Da die Temperatur des Abgases unmittelbar nach dem Motorstart zu kalt sein kann, um eine exotherme Reaktion auszulösen, kann das Sekundärluftventil für eine Zeitdauer unmittelbar nach dem Kaltstart geschlossen gehalten werden. Ferner steht unmittelbar nach dem Motorstart kein ausreichender Ladedruck zur Verfügung, um die geladene Sekundärluft zu der Ladedruckregelungsleitung zu leiten. Wie bei 216 angegeben, kann jedoch das Sekundärluftventil nach einer Schwellenzeitdauer seit dem Motorstart geöffnet werden. Die Schwellenzeitdauer kann eine vorbestimmte Zeitdauer sein, nachdem sich eine ausreichende Abgastemperatur und Ladedruck aufgebaut haben. In anderen Ausführungsformen kann die Schwellenzeitdauer auf Betriebsbedingungen wie dem Druckdifferential zwischen dem Drosselklappeneinlassdruck und dem Turbinenauslassdruck basieren. In diesem Fall kann die Schwellenzeitdauer die Zeit sein, wenn der Drosselklappeneinlassdruck den Turbinenauslassdruck überschreitet.
Bei 217 wird die Einlassdrosselklappe derart eingestellt, dass das Drehmoment beibehalten wird, während das Sekundärluftventil öffnet. Wenn das Sekundärluftventil offen ist, wird ein Teil der geladenen Einlassluft zu der Ladedruckregelungsleitung abgelenkt. Folglich wird dem Motor für das angeforderte Drehmoment weniger geladene Luft als erwünscht bereitgestellt. Zur Beibehaltung des Drehmoments kann die Drosselklappe geöffnet werden. Bei 218 wird das Ladedruckregelventil geschlossen gehalten, während das Sekundärluftventil geöffnet wird. Wenn jedoch das Ladedruckregelventil zunächst geschlossen war, kann das Ladedruckregelventil bei 218 geöffnet werden, während das Sekundärluftventil geöffnet wird. Das Ladedruckregelventil kann in einer Position eingestellt werden, die der Ladedruckregelungsleitung eine gewünschte Abgasmenge bereitstellt. Daher kann die Ladedruckregelventilposition, wie bei 220 angegeben, auf verschiedenen Parametern der gewünschten exothermen Reaktion basieren. Zum Beispiel kann die Position des Ladedruckregelventils und somit die Abgasmenge, die in die Ladedruckregelungsleitung eingelassen wird, auf dem Drosselklappeneinlassdruck und der Position des Sekundärluftventils (z. B. wie viel Sekundärluft die Ladedruckregelungsleitung erreicht), dem Abluft-Kraftstoff-Verhältnis (z. B. wie viel Reduktionsmittel in dem Abgas für die Reaktion verfügbar ist), der Differenz zwischen Strom und der gewünschten Temperatur der Emissionssteuervorrichtung usw. basieren.
Bei 222 kann der Motor mit einem reichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden. Zur Bereitstellung von zusätzlichen Reduktionsmitteln in dem Abgas zum Reagieren in der Ladedruckregelungsleitung kann zusätzlicher Kraftstoff in die Zylinder eingespritzt werden. Bei 224 wird die geladene Luft stromabwärts des Verdichters zu dem Einlass des Motors und als Sekundärluft zu der Ladedruckregelungsleitung geleitet. Die geladene Luft kann über die Sekundärluftleitung zu der Ladedruckregelungsleitung geleitet werden. Bei 226 wird das Reduktionsmittel in dem Abgas mit der Sekundärluft exotherm umgesetzt, um die Emissionssteuervorrichtung zu erwärmen.
Bei 228 wird ermittelt, ob die Emissionssteuervorrichtung bei der Anspring- oder einer anderen vordefinierten Betriebstemperatur liegt. Die Temperatur der Emissionssteuervorrichtung kann basierend auf Betriebsparametern wie der Abgastemperatur und der Massenströmungsrate ermittelt werden oder kann basierend auf einer Rückmeldung eines Temperatursensors in der Vorrichtung ermittelt werden. Wenn die Vorrichtung noch keine Betriebstemperatur erreicht hat, geht das Verfahren 200 zurück zu 224, um geladene Luft weiterhin zu der Ladedruckregelungsleitung zu leiten, um die exotherme Reaktion aufrechtzuerhalten. Wenn die Vorrichtung die Betriebstemperatur erreicht hat, geht das Verfahren 200 weiter zu 206, um das Sekundärluftventil zu schließen, wie oben erläutert, das Ladedruckregelventil basierend auf dem gewünschten Ladedruck einzustellen und den Motor mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder einem anderen gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu betreiben, wonach das Verfahren 200 zurückkehrt.
Wenngleich das oben erläuterte Verfahren 200 Sekundärluft an eine Ladedruckregelungsleitung während Motorkaltstartbedingungen abgibt, sind andere Variationen möglich. Zum Beispiel kann, wie oben in Bezug auf 1 erläutert, die Sekundärluftleitung geladene Luft an den Ablasskanal stromabwärts der Turbine anstatt die Ladedruckregelungsleitung abgeben. In dieser Konfiguration kann die Steuerung des Ladedruckregelventils (falls vorhanden) weiterhin auf dem gewünschten Ladedruck und nicht auf der Steuerung der exothermen Reaktion basieren. Die Öffnung des Sekundärluftventils wird weiterhin verzögert, bis der Drosselklappeneinlassdruck den Turbinenauslassdruck überschreitet. In einem anderen Beispiel kann Sekundärluft an die Ladedruckregelungsleitung (oder den Ablasskanal) während eines Regenerationsereignisses einer stromabwärts gelegenen Emissionssteuervorrichtung abgegeben werden. Emissionssteuervorrichtungen wie Feinstaubfilter können regeneriert werden, wenn die Ladung der Abgasemissionen (z. B. Ruß) in der Vorrichtung die Kapazität erreicht. Die Regeneration kann das Erhöhen der Temperatur der Vorrichtung zum Abbrennen der aufgebauten Masse einschließen. Nach Initiierung des Regenerationsereignisses kann das Sekundärluftventil geöffnet werden und das Ladeluftregelventil kann zum Bereitstellen einer gewünschten Abgasmenge an die Ladedruckregelungsleitung gesteuert werden, um eine Reaktion zwischen dem Abgas und der Sekundärluft auszulösen, um die Emissionssteuervorrichtung zu erwärmen. Ferner kann befohlen werden, dass das Motorluft-Kraftstoff-Verhältnis während der Regeneration reich ist.
3 ist ein Diagramm 300, das beispielhafte Betriebsparameter während eines Motorkaltstarts darstellt. Die Betriebsparameter, die in dem Diagramm 300 dargestellt sind, schließen die Temperatur der Emissionssteuervorrichtung (dargestellt durch die Kurve 302), die Position des Sekundärluftventils (SAV) (dargestellt durch die Kurve 304), die Position des Ladedruckregelventils (WG) (dargestellt durch die Kurve 306) und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (dargestellt durch die Kurve 308) ein. Für jeden dargestellten Betriebsparameter ist die Zeit auf der horizontalen Achse dargestellt und die Werte jedes Betriebsparameters sind auf der vertikalen Achse dargestellt. Die Zeitdauer, die in Diagramm 300 dargestellt ist, beginnt bei dem Motorstart und endet zu einem Zeitpunkt, nachdem der Motor und die Emissionssteuervorrichtung die Betriebstemperatur erreicht haben.
Die Emissionssteuervorrichtung, die durch die Kurve 302 dargestellt ist, startet bei einer relativ niedrigen Temperatur, da sich der Motor und die Abgaskomponenten beim Anlassen des Motors bei Umgebungstemperatur befinden. Nach der Zeit T₁ beginnt die Vorrichtungstemperatur teilweise aufgrund der Erwärmung des Abgases beim Warmlaufen des Motors und teilweise aufgrund der exothermen Reaktion, die in der Ladedruckregelungsleitung stattfindet, zu steigen, wie unten erläutert. Nach der Zeit T₂ hat die Vorrichtung ihre Betriebstemperatur erreicht.
Die Position des Sekundärluftventils, das durch die Kurve 304 dargestellt ist, befindet sich vor der Zeit T₁ in seiner standardmäßigen, geschlossenen Position. Allerdings öffnet das Sekundärluftventil bei Zeit T₁ und bleibt offen, bis die Vorrichtung bei Zeit T₂ die Betriebstemperatur erreicht. Das Sekundärluftventil kann nach Ablauf einer Schwellenzeitdauer seit dem Motorstart wie drei Sekunden öffnen oder kann öffnen, nachdem der Drosselklappeneinlassdruck den Turbinenauslassdruck überschreitet oder die Abgastemperatur eine Schwellentemperatur erreicht.
Die Position des Ladedruckregelventils, die durch die Kurve 306 dargestellt ist, kann sich unmittelbar nach dem Motorstart in der vollständig offenen Position befinden, um eine zusätzliche Abgaskühlung zu reduzieren, die aus dem Durchlass des Abgases durch die Turbine resultiert. Zum Zeitpunkt T₁, wenn das Sekundärluftventil öffnet, schließt das Ladedruckregelventil. Allerdings bleibt das Ladedruckregelventil zwischen T₁ und T₂ teilweise offen, um einen Teil des Abgases zum Reagieren mit der Sekundärluft in die Ladedruckregelungsleitung einzulassen. Nach der Zeit T₂ wird das Ladedruckregelventil derart gesteuert, dass es den gewünschten Ladedruck der Einlassluft in dem Einlasssystem bereitstellt.
Zur Erzeugung von zusätzlichen Reduktionsmitteln in dem Abgas kann befohlen werden, dass das Motorluft-Kraftstoff-Verhältnis, das durch die Kurve 308 dargestellt ist, nach der Zeit T₁ reich ist. Vor der Zeit T₁ und nach der Zeit T₂ kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Wert gehalten werden. Allerdings kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis vor der Zeit T₁ und nach der Zeit T₂ auf ein geeignetes Verhältnis für die bestimmten Betriebsbedingungen eingestellt werden.
Daher stellen das hierin vorgestellte System und Verfahren die Erwärmung einer Emissionssteuervorrichtung durch Einführen von geladener Einlassluft in das Abgassystem stromaufwärts der Emissionssteuervorrichtung bereit. Die geladene Luft reagiert mit einem oder mehreren Reduktionsmitteln in dem Abgas (wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen), um Wärme zu erzeugen. Die geladene Luft kann während eines Motorkaltstarts in das Abgassystem eingeführt werden, wobei der Motor beim Anlassen bei Umgebungstemperatur betrieben wird. Die geladene Luft kann eingeführt werden, wenn eine Temperatur der Emissionssteuervorrichtung unter einem Schwellenwert liegt, wie einer Anspringtemperatur oder einer Regenerationsschwellentemperatur. Die geladene Luft kann zu einer Ladedruckregelungsleitung einer Turbine geleitet werden, sodass die Reaktion zwischen dem Abgas und der geladenen Luft durch die koordinierte Einstellung eines Ladedruckregelventils und Sekundärluftventils gesteuert werden kann. In anderen Beispielen kann die geladene Luft zu dem Ablasskanal stromabwärts der Turbine geleitet werden. Durch Einführen von geladener Luft an der Ladedruckregelungsleitung oder dem Ablasskanal stromabwärts der Turbine kann das Druckdifferential zwischen dem Einlass der Sekundärluftleitung (z. B, stromabwärts des Verdichters) und dem Auslass der Sekundärluftleitung (z. B. stromabwärts der Turbine) und keine separate Luftpumpe die Einführung der Luft bewirken. Auf diese Weise kann Motorbauraum verringert und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden.
Man wird zu schätzen wissen, dass die Konfigurationen und Verfahren, die hier offenbart sind, beispielhaft sind, und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinn zu betrachten sind, da zahlreiche Variationen davon möglich sind. Zum Beispiel kann die oben beschriebene Technologie auf V-6, I-4, I-6, V-12, 4-Boxermotor und andere Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere hierin offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften ein.
Die folgenden Ansprüche heben bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden, hervor. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder ein Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Aufnahme eines oder mehrerer solcher Elemente beinhalten und zwei oder mehrere solcher Elemente weder erforderlich machen noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch die Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch die Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, die im Hinblick auf die ursprünglichen Ansprüche einen breiteren, engeren, den gleichen oder einen anderen Schutzbereich aufweisen, sollen in dem Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5136842 [0003]

Claims

Verfahren für einen turboaufgeladenen Motor, umfassend: während eines Motorkaltstarts, Abgeben von geladener Luft stromabwärts eines Verdichters in eine Ladedruckregelungsleitung, die über eine Turbine gekoppelt ist; und exothermes Umsetzen eines Reduktionsmittels mit der geladenen Luft stromaufwärts einer Abgasemissionssteuervorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Leiten von Wärme, die aus der exothermen Reaktion erzeugt wird, zu der Abgasemissionssteuervorrichtung zum Erwärmen der Vorrichtung, und wobei der Motorkaltstart eine Motortemperatur bei Umgebungstemperatur während eines Motorstarts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geladene Luft, die in die Ladedruckregelungsleitung abgegeben wird, über ein Sekundärluftventil gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend während des Motorkaltstarts das koordinierte Einstellen des Sekundärluftventils und eines Ladedruckregelventils, das in der Ladedruckregelungsleitung angeordnet ist, unabhängig von dem gewünschten Ladedruck.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend unmittelbar nach einem Motorstartereignis das Öffnen des Ladedruckregelventils mit geschlossenem Sekundärluftventil.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das koordinierte Einstellen des Sekundärluftventils und des Ladedruckregelventils ferner, nachdem der Drosselklappeneinlassdruck den Turbinenauslassdruck überschreitet, das Schließen des Ladedruckregelventils bei gleichzeitigem Öffnen des Sekundärluftventils umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ladedruckregelventil in einem Umfang geschlossen wird, der auf einem Drosselklappeneinlassdruck und einem Abluft-Kraftstoff-Verhältnis basiert.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend während Bedingungen, die kein Motorkaltstart sind, Einstellen des Ladedruckregelventils basierend auf einem gewünschten Ladedruck und Halten des Sekundärluftventils in einer geschlossenen Position.
Verfahren für einen Motor, umfassend: während eines ersten Modus, Öffnen eines Sekundärluftventils, um geladene Luft in eine Ladedruckregelungsleitung zu leiten, die über eine Turbine gekoppelt ist, und Einstellen eines Ladedruckregelventils, das in der Ladedruckregelungsleitung angeordnet ist, um eine gewünschte Abgasmenge in die Ladedruckregelungsleitung abzugeben; und während eines zweiten Modus, Schließen des Sekundärluftventils und Einstellen des Ladedruckregelventils basierend auf einem gewünschten Ladedruck.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der erste Modus umfasst, dass eine Emissionssteuervorrichtung stromabwärts der Turbine unter einer Schwellentemperatur liegt, und wobei der zweite Modus umfasst, dass die Emissionssteuervorrichtung über der Schwellentemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der erste Modus umfasst, dass eine Emissionssteuervorrichtung stromabwärts der Turbine einem Regenerationsereignis unterzogen wird, und wobei der zweite Modus umfasst, dass sich die Emissionssteuervorrichtung in einem nicht regenerativen Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die gewünschte Abgasmenge auf einem Abluft-Kraftstoff-Verhältnis basiert.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die gewünschte Abgasmenge auf einem Drosselklappeneinlassdruck basiert.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend während des ersten Modus das Betreiben des Motors mit einem reichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und während des zweiten Modus das Betreiben des Motors bei einem im Wesentlichen stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
System, umfassend: einen Motor; einen Turbolader, der einen Verdichter stromaufwärts des Motors und eine Turbine stromabwärts des Motors aufweist; eine Ladedruckregelungsleitung, die über die Turbine gekoppelt ist und ein Ladedruckregelventil aufweist; und eine Sekundärluftleitung, die den Einlasskanal stromabwärts des Verdichters mit der Ladedruckregelungsleitung koppelt.
System nach Anspruch 15, ferner umfassend ein Sekundärluftventil, das in der Sekundärluftleitung angeordnet ist.
System nach Anspruch 16, ferner umfassend eine Steuerung, die Anweisungen zum Öffnen des Sekundärluftventils während Motorkaltstartbedingungen aufweist, um geladene Luft an die Ladedruckregelungsleitung abzugeben.
System nach Anspruch 17, wobei die Steuerung ferner Anweisungen zum Einstellen des Ladedruckregelventils während des Motorkaltstarts aufweist, um eine gewünschte Abgasmenge an die Ladedruckregelungsleitung abzugeben.
System nach Anspruch 18, wobei die Steuerung ferner Anweisungen zum Einstellen des Ladedruckregelventils in einem Umfang, der auf einem Drosselklappeneinlassdruck und Abluft-Kraftstoff-Verhältnis basiert, aufweist.
System nach Anspruch 17, wobei die abgegebene geladene Luft mit einem Reduktionsmittel in dem Abgas stromaufwärts einer Abgasemissionssteuervorrichtung exotherm reagiert, um die Emissionssteuervorrichtung zu erwärmen.