DE102016100151A1

DE102016100151A1 - Regenerierung einer Emissionsregelungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016100151A1
Application number: DE102016100151.1A
Authority: DE
Inventors: Christine Kay Lambert; Douglas Allen Dobson; James Robert Warner; James David Pakko; Jeffrey Scott Hepburn
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2016-07-14
Also published as: US9650930B2; CN105781688A; US20160201534A1; RU2015156138A; RU2015156138A3; RU2709398C2; CN105781688B

Abstract

Verschiedene Verfahren zum Betreiben einer Emissionsregelungsvorrichtung sind bereitgestellt. In einem Beispiel umfasst ein Verfahren für eine Emissionsregelungsvorrichtung, die einen Katalysator und einen Filter aufweist, ein passives Regenerieren des Filters und ein Anpassen einer Dauer der aktiven Regenerierung des Filters auf der Basis einer Sauerstoffspeicherkapazität der Emissionsregelungsvorrichtung mittels eines Controllers

Description

Gebiet
Das Gebiet der Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Emissionsregelungsvorrichtungen.
Hintergrund und Zusammenfassung
Einige Brennkraftmaschinen setzen einen Partikelfilter in einem Abgassystem ein, um Partikelmaterial, das durch das Abgassystem strömt, einzufangen und somit Abgasrichtlinien zu erfüllen. Eine fremdgezündete Turbolader-Kraftmaschine kann beispielsweise einen Partikelfilter einsetzen, um Ruß zu stoppen. Wenn sich Partikelmaterial in einem Partikelfilter ansammelt, nimmt der Abgasgegendruck zu, was sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirken kann. Dementsprechend kann ein Partikelfilter durch Oxidation des gespeicherten Partikelmaterials regelmäßig regeneriert werden. Eine Regenerierungsreaktion erfordert Sauerstoff und geeignete Temperaturbedingungen. Das Liefern von überschüssigem Sauerstoff für eine Regenerierungsreaktion kann bei einer Fremdzündungskraftmaschine allerdings schwierig sein, da Fremdzündungskraftmaschinen typischerweise unter stöchiometrischen Bedingungen betrieben werden.
Die US-Patentanmeldung 2011/0073088 offenbart Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters in einer Fremdzündungskraftmaschine. In einem Beispiel wird eine Schubabschaltung (DFSO) verwendet, um überschüssigen Sauerstoff zu einem Partikelfilter zu leiten und damit die Regenerierung des Filters zu erleichtern. Eine passive Filterregenerierung wird auch beschrieben, wobei Ruß, der in einem Filter gespeichert ist, oxidiert werden kann, ohne den Kraftmaschinenbetrieb explizit abzuwandeln, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff zu dem Filter zu erhöhen.
Die Erfinder haben ein Problem mit dem oben identifizierten Ansatz erkannt. Der überschüssige Sauerstoff, der an einen Partikelfilter für eine Regenerierungsreaktion während der DFSO geliefert wird, kann vollständig von der Regenerierungsreaktion verbraucht werden. Obwohl dies den Filter ausreichend regenerieren kann, kann der Sauerstoff, der in dem Abgassystem (beispielsweise in einem Katalysator-Washcoat) gespeichert ist, möglicherweise aufgebraucht werden und kann wegen des vollständigen Verbrauchs von überschüssigem Sauerstoff in der Regenerierungsreaktion nicht aufgefüllt werden. In diesem Fall kann eine passive Filterregenerierung nicht ohne Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff mit anderen Mitteln durchgeführt werden.
Ein Ansatz, der die oben genannten Probleme zumindest teilweise behebt, umfasst ein Verfahren für eine Emissionsregelungsvorrichtung, die einen Katalysator und einen Filter umfasst, das ein passives Regenerieren des Filters und ein Anpassen einer Dauer der aktiven Regenerierung des Filters auf der Grundlage einer Sauerstoffspeicherkapazität der Emissionsregelungsvorrichtung mittels eines Controllers umfasst.
In einem spezielleren Beispiel umfasst das Verfahren ferner ein Bestimmen einer Partikelstoffmenge, die in dem Filter gespeichert ist, und ein aktives Regenerieren des Filters, wenn die Partikelstoffmenge größer oder gleich einer Schwelle ist.
In einem weiteren Beispiel umfasst die aktive Regenerierung des Filters ein Einleiten einer Schubabschaltung.
In noch einem weiteren Beispiel umfasst das Verfahren ferner ein Verlängern einer Dauer der Schubabschaltung, um zumindest einen Teil des Sauerstoffs, der in der Emissionsregelungsvorrichtung gespeichert ist, aufzufüllen.
Auf diese Weise kann die DFSO, die als Teil der aktiven Filterregenerierung eingeleitet wird, verwendet werden, um Sauerstoff, der in der Emissionsregelungsvorrichtung gespeichert ist, aufzufüllen, was die Häufigkeit, mit der eine passive Filterregenerierung durchgeführt werden kann, erhöhen kann. Folglich kann die Häufigkeit, mit der der Kraftmaschinenbetrieb abgewandelt wird, um überschüssigen Sauerstoff für die Regenerierung des Filters zu liefern, reduziert werden, was den Kraftstoffverbrauch und das Fahrverhalten des Fahrzeugs verbessern kann.
Die obigen Vorteile und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung werden aus der folgenden genauen Beschreibung leicht ersichtlich sein, wenn sie allein oder in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
Es versteht sich, dass die obige Zusammenfassung dazu vorgesehen ist, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben sind. Sie soll keine Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, dessen Schutzbereich einzig durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche definiert ist. Des Weiteren ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem anderen Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile lösen. Schließlich erkennt die obige Erklärung nicht an, dass irgendwelche der Informationen oder Probleme bekannt waren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Systems in einem Fahrzeug.
2 ist eine schematische Ansicht einer Kraftmaschine eines Fahrzeugs.
3A zeigt ein beispielhaftes Fahrzeugabgassystem mit einer Emissionsregelungsvorrichtung.
3B zeigt ein Blockdiagramm, das Aspekte des Fahrzeugabgassystems von 3A darstellt.
4A zeigt ein weiteres beispielhaftes Fahrzeugabgassystem mit einer Emissionsregelungsvorrichtung.
4B zeigt ein Blockdiagramm, das Aspekte des Fahrzeugabgassystems von 4A darstellt.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regenerieren eines Partikelfilters einer Emissionsregelungsvorrichtung.
6 zeigt eine graphische Darstellung davon, wie die Filterregenerierung als Funktion der Sauerstoffspeicherkapazität variiert.
Genaue Beschreibung
Es sind verschiedene Verfahren zum Betreiben einer Emissionsregelungsvorrichtung bereitgestellt. In einem Beispiel umfasst ein Verfahren für eine Emissionsregelungsvorrichtung, die einen Katalysator und einen Filter umfasst, ein passives Regenerieren des Filters und ein Anpassen einer Dauer der aktiven Regenerierung des Filters auf der Grundlage einer Sauerstoffspeicherkapazität der Emissionsregelungsvorrichtung mittels eines Controllers. 1 ist ein Blockdiagramm eines Systems in einem Fahrzeug, 2 ist eine schematische Ansicht einer Kraftmaschine eines Fahrzeugs, 3A zeigt ein beispielhaftes Fahrzeugabgassystem mit einer Emissionsregelungsvorrichtung, 3B zeigt ein Blockdiagramm, das Aspekte des Fahrzeugabgassystems von 3A darstellt, 4A zeigt ein weiteres beispielhaftes Fahrzeugabgassystem mit einer Emissionsregelungsvorrichtung, 4B zeigt ein Blockdiagramm, das Aspekte des Fahrzeugabgassystems von 4A darstellt, 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regenerieren eines Partikelfilters einer Emissionsregelungsvorrichtung, 6 zeigt eine graphische Darstellung davon, wie die Filterregenerierung als Funktion der Sauerstoffspeicherkapazität variiert. Die Kraftmaschine von 1 und 2 umfasst auch einen Controller, der dazu ausgelegt ist, das in 5 dargestellte Verfahren durchzuführen.
1 zeigt schematisch ein System 100, das eine Brennkraftmaschine 10 umfasst, die in einigen Beispielen eine direkteinspritzende, fremdgezündete Kraftmaschine ist. Die Kraftmaschine 10 kann mehrere Zylinder aufweisen und das Kraftmaschinenausgangsdrehmoment kann an ein Getriebe (nicht gezeigt) übertragen werden, das wiederum mit einem Antriebsrad, das in Berührung mit einer Straßenoberfläche ist, gekoppelt ist. Das Getriebe kann ein Handschaltgetriebe, ein Automatikgetriebe oder Kombinationen davon sein. Ferner können verschiedene weitere Komponenten enthalten sein, wie etwa ein Drehmomentwandler und/oder andere Getriebe wie beispielsweise eine Endantriebseinheit usw.
Das System 100 umfasst einen Turbolader, der eine Turbine 164, die der Kraftmaschine 10 nachgeschaltet ist, und einen Verdichter 162, der der Kraftmaschine 10 vorgeschaltet ist, umfasst. Eine Drossel 62 zum Steuern des Lufteinlasses in einen Einlasskrümmer 44 ist dem Verdichter 162 nachgeschaltet angeordnet gezeigt. In anderen Beispielen kann die Drossel 62 dem Verdichter 162 vorgeschaltet angeordnet sein und/oder es können zusätzliche Drosseln vorgesehen sein.
Das System 100 ist auch mit einem Hochdruck-AGR-Kanal (HP-AGR-Kanal) 140 mit einer ersten Öffnung, die der Drossel 62 nachgeschaltet und dem Zylinder der Kraftmaschine 10 vorgeschaltet angeordnet ist, und einer zweiten Öffnung, die der Turbine 164 nachgeschaltet und einem Partikelfilter (PF) 72 vorgeschaltet angeordnet ist, ausgestattet, wodurch Abgas zurückgeführt werden kann. Ein Hochdruck-AGR-Ventil (HP-AGR-Ventil) 142 ist zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung des HP-AGR-Kanals 140 angeordnet und kann auf Basis der aktuellen Kraftmaschinenbetriebsbedingungen positioniert werden. Zum Beispiel kann das HP AGR-Ventil 142 während des Kraftmaschinenbetriebs geöffnet sein, wenn keine Kraftmaschinenaufladung von dem Turbolader erwünscht ist.
Das System 100 kann auch eine Niederdruck-AGR-Leitung 26 mit einem Niederdruck-AGR-Ventil (LP-AGR-Ventil) 28 umfassen. Die Niederdruck-AGR-Leitung 26 kann Gas aus einer Öffnung, die einem Dreiwegekatalysator (TWC) 71 nachgeschaltet ist, zu einer Stelle, die dem Verdichter 162 vorgeschaltet ist, beispielsweise dann, wenn eine Kraftmaschinenaufladung erwünscht ist und/oder durch den Turbolader durchgeführt wird und während das HP-AGR-Ventil 142 geschlossen ist, zurückführen.
Das System 100 kann ferner eine Emissionsregelungsvorrichtung (ECD) umfassen, die allgemein bei 70 angegeben ist. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die ECD 70 den TWC 71 und den PF 72, der dem TWC nachgeschaltet angeordnet ist. Die Kraftmaschine 10 kann somit dazu ausgelegt sein, Abgas über den Auslasskanal 48 an den TWC 71 auszugeben, der der Kraftmaschine 10 nachgeschaltet angeordnet ist. Ein oder mehrere Abgassensoren können in dem Auslasskanal 48 angeordnet sein. Beispielsweise können ein Sauerstoffsensor 14 und ein Temperatursensor 16 dem TWC 71 nachgeschaltet angeordnet sein, um den überschüssigen Sauerstoff bzw. die Temperatur zu messen. Der überschüssige Sauerstoff kann beispielsweise als ein Prozentsatz von Sauerstoff in einem Luftstrom in dem Auslasskanal 48 ausgedrückt sein. Es versteht sich jedoch, dass es zusätzliche Sauerstoff- und/oder Temperatursensoren geben kann, die dem TWC 71 und dem PF 72 vorgeschaltet angeordnet, nachgeschaltet angeordnet oder mit diesen gekoppelt sind. Der TWC 71 kann dem Partikelfilter 72 vorgeschaltet angeordnet sein, um die Emissionen zu reduzieren, so dass Ruß und anderes Partikelmaterial, das in dem PF 72 aufgenommen wird, weitgehend inert sind. Der TWC 71 und der PF 72 können somit zusammenwirken, um gleichzeitig Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide, Ruß, usw. zu reduzieren. In anderen Ausführungsformen kann der TWC 71 dem PF 72 nachgeschaltet angeordnet sein. Ferner kann der PF 72 zwischen zwei oder mehr Dreiwege-Katalysatoren oder anderen Emissionsregelungsvorrichtungen (beispielsweise einem System zur selektiven katalytischen Reduktion, einer NOx-Falle) oder Kombinationen davon angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen kann der PF 72 ein oder mehrere Katalysatormaterialien neben den Komponenten, die dazu ausgelegt sind, Abgas zu filtern, enthalten. Zum Beispiel kann der PF 72 mit einem Washcoat, der einen oder mehrere Katalysatormaterialien enthält, beschichtet sein. In einigen Beispielen kann der Washcoat ferner ein oder mehrere Materialien enthalten, die dazu ausgelegt sind, die Speicherung von Sauerstoff in dem PF 72 zu ermöglichen, die hier als "Sauerstoffspeichermaterialien" bezeichnet werden und dazu verwendet werden können, den PF unter ausgewählten Bedingungen zu regenerieren. Eine solche Anordnung kann beispielsweise für Ausführungsformen verwendet werden, bei denen die Kraftmaschine 10 fremdgezündet ist. In einigen Ausführungsformen können der TWC 71 und der PF 72 separate Komponenten sein, die getrennte Gehäuse umfassen, die voneinander entfernt angeordnet sind (beispielsweise ist der TWC dem PF vorgeschaltet, wie in 1 gezeigt ist). In anderen Ausführungsformen können der TWC 71 und der PF 72 in einer einheitlichen ECD integriert sein. Die einheitliche ECD kann eine katalytische Umwandlung und Filterung über eine einzelne, einheitliche Struktur bereitstellen und kann ferner ein oder mehrere Sauerstoffspeichermaterialien integrieren. Einzelheiten bezüglich beispielhafter ECD werden nachstehend unter Bezugnahme auf 3A–B zur Verfügung gestellt. Es versteht sich jedoch, dass die ECD 70 als ein nicht einschränkendes Beispiel vorgesehen ist und dass in anderen Ausführungsformen der ECD andere Komponenten zusätzlich zu dem oder anstelle des TWC 71 und/oder PF 72 umfassen kann, einschließlich einer NOx-Falle, eines SCR-Katalysators, eines Diesel- oder Benzinpartikelfilters und eines Oxidationskatalysators, aber nicht beschränkt auf diese.
In einigen Implementierungen kann die Kraftmaschine 10 als eine turbogeladene, fremdgezündete Kraftmaschine ausgebildet sein, in welchem Fall der PF 72 einen Benzinpartikelfilter enthalten kann, um die Emissionsrichtlinien, insbesondere Partikelgröße und Partikelzahl, einzuhalten. In diesem Beispiel kann die Kraftmaschine 10 erhebliche Mengen an Partikelmaterial wie etwa Ruß erzeugen, die in dem PF 72 eingefangen werden können. Jedoch wird sich aufgrund der Ansammlung von Partikeln in dem PF 72 Gegendruck aufbauen. Daher kann der PF 72 regelmäßig regeneriert werden, was überschüssigen Sauerstoff in Kombination mit geeigneten Temperaturen erfordert. Die Kraftmaschine 10 kann jedoch beim Betrieb unter stöchiometrischen Bedingungen nicht in der Lage sein, ausreichend überschüssigen Sauerstoff für die Filterregenerierung bereitzustellen. Dementsprechend sind hier verschiedene Ansätze zum Zuführen von ausreichend überschüssigem Sauerstoff für die Filterregenerierung offengelegt, wenn die Kraftmaschine 10 nicht anderweitig ausreichend Sauerstoff unter stöchiometrischen Betriebsbedingungen bereitstellen kann.
1 zeigt den optionalen Einbezug einer Energieumwandlungsvorrichtung 18 und einer Energiespeichervorrichtung 20. Wie dort gezeigt ist die Energieumwandlungsvorrichtung 18 mit der Kraftmaschine 10 gekoppelt. Die Energieumwandlungsvorrichtung 18 kann unter anderem einen Motor und/oder einen Generator und Kombinationen davon umfassen. Es ist ferner gezeigt, dass die Energieumwandlungsvorrichtung 18 mit der Energiespeichervorrichtung 20, die eine Batterie, ein Kondensator, ein Schwungrad, ein Druckbehälter usw. sein kann, gekoppelt ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung 18 kann betrieben werden, um Energie aus der Fahrzeugbewegung und/oder der Kraftmaschine zu absorbieren und die absorbierte Energie in eine Energieform umzuwandeln, die für die Speicherung durch die Energiespeichervorrichtung 20 geeignet ist (beispielsweise einen Generatorbetrieb bereitstellen). Die Energieumwandlungsvorrichtung 18 kann auch betrieben werden, um eine Ausgabe (Leistung, Arbeit, Drehmoment, Geschwindigkeit usw.) für die Antriebsräder und/oder die Kraftmaschine 10 bereitzustellen (beispielsweise einen Kraftmaschinenbetrieb bereitstellen, um die Kraftmaschine ohne Verbrennung zu drehen). Es sollte beachtet werden, dass die Energieumwandlungsvorrichtung 18 in einigen Ausführungsformen nur eine Kraftmaschine, nur einen Generator oder sowohl eine Kraftmaschinen als auch einen Generator unter verschiedenen anderen Komponenten, die zum Bereitstellen der entsprechenden Umwandlung von Energie zwischen der Energiespeichervorrichtung und den Fahrzeugantriebsrädern und/oder der Kraftmaschine verwendet werden, umfassen kann.
Verbindungen zwischen der Kraftmaschine 10, der Energieumwandlungsvorrichtung 18, dem Getriebe und den Antriebsrädern übertragen mechanische Energie von einer Komponente zur anderen, wogegen Verbindungen zwischen der Energieumwandlungsvorrichtung 18 und der Energiespeichervorrichtung 20 eine Vielfalt von Energieformen wie elektrisch, mechanisch, usw. übertragen können. Beispielsweise kann Drehmoment aus der Kraftmaschine 10 übertragen werden, um die Fahrzeugantriebsräder über das Getriebe anzutreiben, und wie oben beschrieben kann die Energieumwandlungsvorrichtung 18 dazu ausgelegt sein, in einer Generatorbetriebsart und/oder in einer Motorbetriebsart betrieben zu werden. In einer Generatorbetriebsart absorbiert die Energieumwandlungsvorrichtung 18 einen Teil oder die Gesamtheit der Ausgabe der Kraftmaschine 10 und/oder des Getriebes, was die Menge der Kraftmaschinenleistung, die an das Antriebsrad geliefert wird, oder die Menge an Bremsmoment, die an das Antriebsrad geliefert wird, vermindert. Ein solcher Betrieb kann beispielsweise verwendet werden, um Effizienzgewinne durch Nutzbremsen, eine verbesserte Kraftmaschineneffizienz usw. zu erzielen. Ferner kann die Ausgabe, die von der Energieumwandlungsvorrichtung 18 aufgenommen wird, verwendet werden, um die Energiespeichervorrichtung 20 aufzuladen. In der Motorbetriebsart kann die Energieumwandlungsvorrichtung 18 mechanische Leistung an die Kraftmaschine 10 und/oder das Getriebe liefern, beispielsweise unter Verwendung von elektrischer Energie, die in einer elektrischen Batterie (z. B. der Energiespeichervorrichtung 20) gespeichert ist.
Ausführungsformen des Hybridelektroantriebs können Vollhybridsysteme umfassen, bei denen das Fahrzeug nur die Kraftmaschine, nur die Energieumwandlungsvorrichtung (z. B. den Motor) oder eine Kombination von beiden betreiben kann. Unterstützungs- oder Mild-Hybrid-Anordnungen können auch eingesetzt werden, bei denen die Verbrennung in der Kraftmaschine die primäre Drehmomentquelle ist, wobei das Hybridantriebssystem zusätzliches Drehmoment beispielsweise selektiv während einer Pedalbetätigung oder unter anderen Bedingungen liefert. Des Weiteren können Anlasser-/Generator- und/oder intelligente Generatorsysteme verwendet werden.
Aus dem oben Diskutierten sollte klar sein, dass das beispielhafte hybridelektrische Antriebssystem verschiedene Betriebsarten ermöglicht. Bei einer Vollhybrid-Implementierung kann das Antriebssystem beispielsweise unter Verwendung der Energieumwandlungsvorrichtung 18 (beispielsweise eines Elektromotors) als der einzigen Drehmomentquelle, die die Kraftmaschine dreht und/oder das Fahrzeug antreibt, arbeiten. Diese "rein elektrische" Betriebsart kann während des Bremsens, bei niedrigen Drehzahlen, beim Anhalten an der Ampel usw. eingesetzt werden. In einer weiteren Betriebsart arbeitet die Kraftmaschine 10 (z. B. Verbrennung) und fungiert als die einzige Drehmomentquelle, die das Antriebsrad antreibt. In noch einer weiteren Betriebsart, die als "Unterstützungsbetriebsart" bezeichnet werden kann, kann die Energieumwandlungsvorrichtung 18 das Drehmoment, das durch die Verbrennung in der Kraftmaschine bereitgestellt wird, ergänzen und in Kooperation arbeiten. Wie oben angegeben kann die Energieumwandlungsvorrichtung 18 auch in einer Generatorbetriebsart arbeiten, in der das Drehmoment von der Kraftmaschine 10 und/oder dem Getriebe absorbiert wird.
Eine oder mehrere Komponenten, die mit Bezug auf 1 diskutiert werden, (beispielsweise das HP-AGR-Ventil 142 und das LP-AGR-Ventil 28) und/oder andere Komponenten, die nicht in 1 gezeigt sind und möglicherweise in dem System 100 enthalten sind, (z. B. ein Turbinenladedruckregelungsventil, ein Verdichterumgehungsventil, eine Drossel, ein Endrohrventil) können durch einen elektronischen Controller betätigt werden. In einigen Beispielen kann ein Ziel einer solchen Betätigung das Steuern operativer Aspekte des PF 72 (z. B. der Sauerstoffspeicherkapazität des Filters, des Sauerstoffstroms zum Filter) und/oder eines Abgassystems (beispielsweise der Abgastemperatur) umfassen, wie weiter unten näher erläutert ist. Ein Beispiel eines solchen elektronischen Controllers ist im Einzelnen unter Bezugnahme auf 2 diskutiert.
Unter Bezugnahme auf 2 veranschaulicht eine schematische Darstellung einen Zylinder einer Mehrzylinder-Kraftmaschine 10, die in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs enthalten sein kann. Die Kraftmaschine 10 kann zumindest teilweise durch ein Steuersystem, das einen Controller 12 umfasst, und eine Eingabe von einem Fahrzeugführer 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel umfasst eine Eingabevorrichtung 130 ein Fahrpedal und einen Pedalstellungssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalstellungssignals PP. Eine Brennkammer (d. h. ein Zylinder) 30 der Kraftmaschine 10 kann Brennkammerwände 32 umfassen, in denen ein Kolben 36 positioniert ist. In einigen Ausführungsformen kann die Fläche des Kolbens 36 innerhalb des Zylinders 30 eine Schüssel aufweisen. Der Kolben 36 kann mit einer Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, so dass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann mit mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs über ein Zwischengetriebesystem gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlassermotor über ein Schwungrad mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Startvorgang der Kraftmaschine 10 zu ermöglichen.
Die Brennkammer 30 kann Einlassluft aus dem Einlasskrümmer 44 über den Einlasskanal 42 empfangen und Verbrennungsgase mittels eines Auslasskanals 48 ausstoßen. Der Einlasskrümmer 44 und der Auslasskanal 48 können selektiv mit der Brennkammer 30 über ein jeweiliges Einlassventil 52 und Auslassventil 54 kommunizieren. In einigen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehrere Auslassventile umfassen.
Das Einlassventil 52 kann durch den Controller 12 über eine elektrische Ventilbetätigungsvorrichtung (EVA) 51 gesteuert werden. In ähnlicher Weise kann das Auslassventil 54 durch den Controller 12 über die EVA 53 gesteuert werden. Alternativ kann der variable Ventilaktor elektrohydraulisch sein oder jeder andere denkbare Mechanismus zum Ermöglichen der Ventilbetätigung sein. Unter einigen Bedingungen kann der Controller 12 die Signale, die an die Aktoren 51 und 53 geliefert werden, variieren, um das Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlass- und Auslassventile zu steuern. Die Stellung des Einlassventils 52 und des Auslassventils 54 kann durch einen Ventilstellungssensor 55 bzw. 57 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen können ein oder mehrere der Einlass- und Auslassventile durch eine oder mehrere Nocken betätigt werden und können Systeme mit Nockenprofilzeitvorgabe (CPS), variabler Nockenzeitvorgabe (VCT), variabler Ventilzeitvorgabe (VVT) und/oder variablem Ventilhub (VVL) einsetzen, um den Ventilbetrieb zu variieren. Beispielsweise kann der Zylinder 30 wahlweise ein Einlassventil, das mittels elektrischer Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Auslassventil, das mittels Nockenbetätigung einschließlich CPS und/oder VCT gesteuert wird, umfassen.
Es ist gezeigt, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 66 direkt mit der Brennkammer 30 gekoppelt ist, um Kraftstoff direkt in diese proportional zu der Impulsbreite des Signals FPW, das von dem Controller 12 empfangen wird, einzuspritzen. Auf diese Weise stellt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 66 eine sogenannte direkte Einspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer 30 bereit. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung kann beispielsweise in der Seite der Brennkammer oder in der Oberseite der Brennkammer montiert sein. Kraftstoff kann von einem Kraftstoffsystem (nicht gezeigt), das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoffverteilerleiste umfasst, der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 66 zugeführt werden.
Ein Zündsystem 88 kann unter ausgewählten Betriebsarten als Antwort auf ein Zündvoraussignal SA von dem Controller 12 über eine Zündkerze 92 einen Zündfunken an die Brennkammer 30 liefern. Obwohl Fremdzündungskomponenten gezeigt sind, können in einigen Ausführungsformen die Brennkammer 30 oder eine oder mehrere andere Brennkammern der Kraftmaschine 10 in einem Selbstzündungsmodus betrieben werden, mit oder ohne einen Zündfunken.
Der Einlasskanal 42 oder der Einlasskrümmer 44 kann eine Drossel 62 mit einer Drosselklappe 64 umfassen. In diesem bestimmten Beispiel kann die Stellung der Drosselklappe 64 oder eine Drosselöffnung durch den Controller 12 mittels eines Signals variiert werden, das einem Elektromotor oder einem Aktor zugeführt wird, der in der Drossel 62 enthalten ist, eine Anordnung, die häufig als elektronische Drosselsteuerung (ETC) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Drossel 62 so betrieben werden, dass die der Brennkammer 30 neben anderen Kraftmaschinenzylindern gelieferte Einlassluft variiert wird. Die Stellung der Drosselklappe 64 kann an den Controller 12 durch ein Drosselstellungssignal TP geliefert werden. Der Einlasskanal 42 kann einen Luftmengenmesser 120 und einen Krümmerluftdrucksensor 122 zum Liefern jeweiliger Signale MAF und MAP an den Controller 12 umfassen.
Weiterhin kann in den offenbarten Ausführungsformen ein System zur Abgasrückführung (AGR) einen erwünschten Abgasanteil von dem Auslasskanal 48 zu dem Einlasskrümmer 44 leiten. In diesem Beispiel ist ein HP-AGR-Kanal 140 gezeigt. Die dem Einlasskrümmer 44 gelieferte AGR-Menge kann mittels eines HP-AGR-Ventils 142 von dem Controller 12 verändert werden. Weiterhin kann ein AGR-Sensor 144 in dem HP-AGR-Kanal 140 angeordnet sein und kann eine Angabe von Druck, Temperatur und/oder Konzentration des Abgases liefern. Alternativ kann der AGR-Strom durch einen berechneten Wert basierend auf Signalen von dem MAF-Sensor (vorgeschaltet), dem MAP (Einlasskrümmer), der MAT (Krümmergastemperatur) und dem Kurbeldrehzahlsensor gesteuert werden. Ferner kann der AGR-Strom basierend auf einem Abgas-O₂-Sensor und/oder einem Einlasssauerstoffsensor (Einlasskrümmer) gesteuert werden. Das AGR-System kann unter manchen Bedingungen verwendet werden, um die Temperatur des Luft- und Kraftstoffgemisches in dem Brennraum und/oder die Temperatur in der Nähe des PF 72 zu regeln. Obwohl 2 ein Hochdruck-AGR-System zeigt, kann ein Niederdruck-AGR-System zusätzlich oder alternativ verwendet werden. Bei einem Niederdruck-AGR-System kann AGR von einer Stelle hinter einer Turbine eines Turboladers zu einer Stelle vor einem Verdichter des Turboladers geleitet werden, wie in 1 gezeigt ist.
Somit kann die Kraftmaschine 10 eine Verdichtungsvorrichtung, beispielsweise einen Turbolader oder mechanischen Lader, umfassen, der mindestens einen entlang des Einlasskrümmers 44 angeordneten Verdichter 162 umfasst. Bei einem Turbolader kann der Verdichter 162 zumindest teilweise durch eine Turbine 164 (z. B. mittels einer Welle), die entlang des Auslasskanals 48 angeordnet ist, angetrieben werden. Bei einem mechanischen Lader kann der Verdichter 162 zumindest teilweise durch die Kraftmaschine und/oder eine elektrische Maschine angetrieben werden und könnte keine Turbine umfassen. Somit kann der zu einem oder mehreren Zylindern der Kraftmaschine mittels eines Turboladers oder Laders gelieferte Betrag an Verdichtung durch den Controller 12 verändert werden.
Es ist gezeigt, dass ein Abgassensor 126 einer Emissionsregelungsvorrichtung (ECD) 70 vorgeschaltet mit dem Auslasskanal 48 gekoppelt ist. Der Abgassensor 126 kann jeder geeignete Sensor zum Bereitstellen einer Angabe des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases sein, beispielsweise ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (Universal- oder Breitband-Abgassauerstoff), ein Zweizustandssauerstoffsensor oder EGO, ein HEGO (beheizter EGO), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor. Auch wenn ein Sauerstoffsensor 14 und ein Temperatursensor 16 zusätzlich zu dem Abgassensor 126 in 2 gezeigt sind, kann auf einen oder mehrere dieser Sensoren verzichtet werden und/oder sie können bewegt werden.
Es ist gezeigt, dass die ECD 70 entlang des Auslasskanals 48 dem Abgassensor 126 nachgeschaltet angeordnet ist. Die ECD 70 umfasst in diesem Beispiel den Dreiwegekatalysator (TWC) 71 und den Partikelfilter (PF) 72. In manchen Ausführungsformen kann der PF 72 dem TWC 71 nachgeschaltet angeordnet sein (wie in 2 gezeigt), während in anderen Ausführungsformen der PF 72 dem Katalysator nachgeschaltet angeordnet sein kann (in 2 nicht gezeigt). Ferner kann der PF zwischen zwei oder mehr Dreiwegekatalysatoren oder anderen Emissionsregelungsvorrichtungen (z. B. einem System für selektive katalytische Reduktion, NOx-Falle) oder Kombinationen davon angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen können der TWC 71 und der PF 72 wie oben beschrieben in einem einheitlichen Gehäuse integriert sein. Ferner kann der PF 72 in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere Katalysatormaterialien und/oder Sauerstoffspeichermaterialien umfassen. Einzelheiten bezüglich beispielhafter ECD werden nachstehend unter Bezugnahme auf 3A–B bereitgestellt. Wie weiter unten beschrieben wird, können verschiedene Betriebsaspekte der Kraftmaschine 10 gesteuert werden, um die Leistung der verschiedenen Aktionen auf die ECD 70 zu ermöglichen, einschließlich der Regenerierung des PF 72, aber nicht beschränkt darauf.
Der Controller 12 ist in 2 als Mikrocomputer gezeigt, der Folgendes umfasst: einen Mikroprozessor 102, Ein-/Ausgangsanschlüsse 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem besonderen Beispiel als Festwertspeicher 106 gezeigt ist, einen Direktzugriffsspeicher 108, einen Erhaltungsspeicher 110 und einen Datenbus. Der Controller 12 kann von mit der Kraftmaschine 10 gekoppelten Sensoren verschiedene Signale zusätzlich zu den bereits erläuterten Signalen empfangen, darunter: eine Messung der eingeleiteten Luftmasse (MAF) von einem Luftmengenmesser 120; eine Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen Temperatursensor 112; ein Zündprofil-Aufnahmesignal (PIP) von einem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Halleffektsensor 118 (oder einer anderen Art); eine Drosselklappenstellung (TP) oder Drosselöffnung von einem Drosselklappenstellungssensor; und ein Krümmerunterdrucksignal MAP von einem Sensor 122. Ein Kraftmaschinendrehzahlsignal RPM kann von dem Controller 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann verwendet werden, um eine Angabe des Unterdrucks oder Drucks in dem Einlasskrümmer bereitzustellen. Es ist zu beachten, dass verschiedene Kombinationen der vorstehenden Sensoren verwendet werden können, beispielsweise ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Während stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor eine Angabe des Kraftmaschinendrehmoments liefern. Ferner kann dieser Sensor zusammen mit der detektierten Kraftmaschinendrehzahl eine Schätzung der Ladung (einschließlich Luft) bereitstellen, die in den Zylinder eingelassen wird. In einem Beispiel kann der Sensor 118, der auch als Kraftmaschinendrehzahlsensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl an gleichmäßig beabstandeten Pulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle erzeugen.
Das Speichermedium Nur-Lese-Speicher 106 kann mit computerlesbaren Daten programmiert sein, die Befehle, die durch den Mikroprozessor 102 ausführbar sind, zum Durchführen der hier beschriebenen Verfahren sowie anderer Varianten, die erwartet werden, aber nicht speziell aufgeführt sind, darstellen.
Wie oben beschrieben zeigt 2 nur einen Zylinder einer Mehrzylinderkraftmaschine und jeder Zylinder kann analog seinen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, Kraftstoffeinspritzvorrichtung, Zündkerze usw. enthalten.
3A zeigt ein beispielhaftes Fahrzeugabgassystem 300 mit einer Emissionsregelungsvorrichtung (ECD) 302. In einigen Beispielen kann die ECD 302 die ECD 70 von 1 und/oder 2 sein. Das Abgassystem 300 umfasst einen Abgaskrümmer 304 mit mehreren Auslassleitungen oder Auslasskanälen, aus denen Abgas aus den Kraftmaschinenzylindern (beispielsweise dem Zylinder 30 von 2) strömt. Die Auslassleitungen sind mit einem Sammelbereich 306, der der ECD 302 vorgeschaltet ist, gekoppelt, dem ein Auslasskanal 308 folgt. Die ECD 302 ist somit dazu ausgelegt, Abgase aus einer Kraftmaschine wie beispielsweise der Kraftmaschine 10 von 1 und 2 aufzunehmen.
Der Abgaskrümmer 304 umfasst Leitungen 310, 312 und 314, die konvergieren, um einen kurzen, engen Auslassleitungskonvergenzkanal 316 zu bilden. Die Leitungen 310, 312 und 314 können gleiche oder unterschiedliche Längen und Breiten aufweisen, wobei die Länge einer Leitung als Maß entlang einer Mittelachse der Leitung von dem Abgaskrümmer 304 zu der Mitte eines Auslassleitungskonvergenzkanals 316 betrachtet werden kann und die Breite einer Leitung als der Durchmesser der Leitung bei einem bestimmten Querschnitt senkrecht zu der Mittelachse dieser Leitung betrachtet werden kann. Für Ausführungsformen, in denen mindestens zwei der Leitungen 310, 312 und 314 ungleiche Längen aufweisen, kann die längste Leitung an einem Ende (beispielsweise oben, unten) des Abgaskrümmers 304 positioniert sein. Außerdem kann zumindest ein Teil von einer oder mehreren Leitungen 310, 312 und 314 im Wesentlichen (z. B. innerhalb 5°) koaxial mit mindestens einem Abschnitt der ECD 302 (beispielsweise der Längsachse der ECD) sein.
Die geometrischen Eigenschaften der Leitungen 310, 312 und 314 können verschiedene Aspekte des Kraftmaschinenbetriebs beeinflussen. Wenn beispielsweise ein Auslassleitungsdurchmesser zu klein ist, kann das aufgrund von unzureichendem Abgasdurchfluss eine Erhöhung des Gegendrucks in dem Abgassystem zur Folge haben. Wenn umgekehrt der Durchmesser der Auslassleitung zu groß ist, kann die Abgasgeschwindigkeit niedrig sein, was die Spülfähigkeit des Abgases beeinflussen kann. Darüber hinaus beeinflusst die Auslassleitungslänge zudem die Trägheits- und Wellenabstimmung, die die Wirkung beeinflussen können, die das Spülen auf die Leistungserzeugung haben kann. Dementsprechend kann die Geometrie einer oder mehrerer der Leitungen 310, 312 und 314 im Hinblick auf diese Betriebserwägungen ausgewählt werden.
In dem Beispiel, das in 3A dargestellt ist, umfasst die ECD 302 einen Katalysatorbehälter 318, der innerhalb eines ECD-Körpers 319 positioniert ist. Der Katalysatorbehälter 318 ist insbesondere dem Auslassleitungskonvergenzkanal 316 nahe und nachgeschaltet und einem unten beschriebenen Filter vorgeschaltet angeordnet. Der Katalysatorbehälter 318 umfasst einen Katalysatorblock 320, der zwischen Montagematten 322 angeordnet ist, die zwischen dem Katalysatorblock und einer oberen Wand 324 des ECD-Körpers 319 und zwischen dem Katalysatorblock und einer unteren Wand 326 des ECD-Körpers positioniert sind. Die Montagematten 322 können beispielsweise aus Siliciumdioxidfasern bestehen. Der Katalysatorblock 320 kann ein poröser Träger für die katalytischen metallischen Materialien sein, die mit einem Substrat zusammenwirken, um einen Katalysator 321 zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann der Katalysator 321 ein Dreiwegekatalysator (TWC) sein und kann die Effizienz der Kaltstart-Abgasemissionsumsetzung erhöhen. Wie in 3A gezeigt ist der Katalysatorblock 320 in unmittelbarer Nähe zu dem Abgaskrümmer 304 angeordnet. Solch eine eng gekoppelte Anordnung kann fördern, dass die Temperatur des Katalysatorblocks 320 schnell auf seine Anspringtemperatur steigt. Bei Erreichen dieser Anspringtemperatur kann die Abgasspezies in dem Abgas wirksam in erwünschte inerte Gase umgewandelt werden.
3B zeigt ein Blockdiagramm, das Aspekte des Fahrzeugabgassystems 300 darstellt. Insbesondere zeigt 3B Aspekte der Bildung des Katalysatorblocks 320 und beispielhafte Materialien, die durch den Katalysatorblock getragen werden können. Im Beispiel von 3B umfasst der Katalysatorblock 320 ein Katalysatorblocksubstrat 328, das in einigen Beispielen ein Wandstromsubstrat sein kann. Das Katalysatorblocksubstrat 328 kann verschiedene geeignete Substratmaterialien einschließlich Substratmaterialien mit hoher Porosität (z. B. 40 % bis 80 %) und mit großer Oberfläche einsetzen. Nicht-beschränkende Beispiele für geeignete Katalysatorsubstratmaterialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Keramiken (z. B. synthetisches Cordierit, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid), Mineralstoffe (beispielsweise Aluminiumoxid) und Metalle (z. B. Edelstahl). In einigen Beispielen kann der Katalysatorblock 320 Substratmaterialien nutzen, die typischerweise in Katalysatoren für Selbstzündungskraftmaschinen eingesetzt werden. In einigen Implementierungen kann der Katalysatorblock 320 Katalysatorträgermaterialien wie beispielsweise Ceroxid (beispielsweise Cer(IV)-Oxid) oder Barium für erhöhte Stabilisierung umfassen. Der Katalysatorblock 320 kann in verschiedenen geeigneten Arten wie beispielsweise einer monolithischen Wabenstruktur, gesponnenen Fasern, oder Schichtstoffen ausgebildet sein.
Metallkatalysatoren reagieren mit Abgasspezies wie beispielsweise NOx, Kohlenwasserstoffen und CO, um solche Spezies in gewünschte inerte Gase umzuwandeln. Katalysatoren können auf dem Katalysatorblocksubstrat 328 getragen werden und auf viele Weisen auf den Katalysatorblock 320 geladen werden. Zum Beispiel kann das Katalysatorblocksubstrat 328 mittels nasschemischen Techniken mit einer Suspension aus Vorstufenverbindung(en) für die metallischen Katalysatoren beschichtet werden, um einen Washcoat 330 zu bilden. Nach Abscheiden des Washcoat 330 kann das Katalysatorblocksubstrat 328 getrocknet und calciniert werden. Im Beispiel von 3B umfasst der Washcoat 330 ein oder mehrere Katalysatormaterialien 332, die beispielsweise Edelmetalle (beispielsweise Palladium), Gemische aus Edelmetallen (beispielsweise Palladium-Platin) oder Seltenerdmetalle (z. B. Yttrium) enthalten können. Der Washcoat 330 enthält ferner ein oder mehrere Sauerstoffspeichermaterialien 334, um die Speicherung von Sauerstoff in der ECD 302 zu ermöglichen, so dass Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden kann, um einen unten beschriebenen Filter, der dem Katalysatorblock 320 nachgeschaltet ist, zu regenerieren. Die Sauerstoffspeichermaterialien 334 können beispielsweise Ceroxid-Zirkonoxid (Ce-Zr) enthalten.
3A zeigt zudem die Zelldichte des Katalysatorblocks 320. Die Zelldichte kann in Zellen pro Quadratzoll (CSPI) gemessen werden und kann Parameter beeinflussen, die die geometrische Fläche, in der sich der Katalysator befindet, die Masse der Abgasmaterialien, die durch den Katalysatorblock 320 strömen, die Wärmeübertragung durch den gesamten Katalysatorblock und den resultierenden Abgasgegendruck umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein Erhöhen der Zelldichte eines Katalysatorblocks führt zu einem Anstieg der katalytisch wirksamen Oberfläche, ohne die Gesamtabmessungen des Katalysatorblocks zu ändern. Die physischen Anordnungen und chemischen Eigenschaften von Katalysatorblöcken werden soweit zur Emissionsqualitätskontrolle erforderlich gesteuert und können im Hinblick auf einen Zellabstand (L) und eine Zellwandstärke (t) beschrieben werden. Die Zelldichte (N) ist als die Anzahl der Zellen pro Querschnittsfläche definiert und ist umgekehrt proportional zu dem Zellenabstand – z. B. N = 1/(L^2). Wenn der Zellabstand niedrig ist, ist deshalb eine hohe Anzahl von Zellen innerhalb des Katalysatorträgerraums positioniert. Als nicht-einschränkendes Beispiel können die hier beschriebenen Katalysatorsubstrate wie etwa das Substrat 328 der vorliegenden Erfindung Zelldichten im Bereich von 100–1200 cpsi mit Zellwänden im Bereich von 0,1 bis 10 tausendstel Zoll (10^–3–10^–2 Zoll) haben.
In einigen Beispielen kann der Katalysatorblock 320 zwei oder mehr unterschiedliche Zelldichten aufweisen, um die Druckdifferenz über das Katalysatorsubstrat 328 hinweg zu erhöhen und somit die Unausgewogenheit des Abgasstroms durch die ECD 302 zu verringern. Ein Erhöhen der Katalysatorblock-Druckdifferenz auf diese Weise kann ein unzureichendes Mischen der Abgase, die die Leitungen 310, 312 und 314 verlassen, für Ausführungsformen, in denen die zwei oder mehr Leitungen ungleiche Längen und/oder Breiten aufweisen, ausgleichen. 3A zeigt eine axiale Ansicht 338 innerhalb des Katalysatorblocks 320, wobei Linien 340 innerhalb der axialen Ansicht die Zellwände darstellen, die die Katalysatormaterialien 332 in dem Katalysatorblock tragen. Die Anzahl der Linien 340 entspricht der Anzahl der Zellen und ist mit der Zelldichte des Katalysatorblocks 320 verknüpft (beispielsweise bedeuten mehr Linien pro Einheitsabstand eine höhere Zelldichte). Der Leerraum 342 in der axialen Ansicht 338 stellt die Kanäle innerhalb des Katalysatorblocks 320 dar, durch die Abgas strömen kann. Wie in 3A gezeigt ist die Zelldichte des Katalysatorblocks 320 nicht gleichförmig, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Linien 340 besonders in der vertikalen Richtung variiert. Es versteht sich jedoch, dass die Zelldichte des Katalysatorblocks 320 alternativ oder zusätzlich in horizontaler Richtung variieren kann. In anderen Ausführungsformen kann die Zelldichte des Katalysatorblocks 320 einheitlich sein.
Es versteht sich, dass die ECD 302 als ein nicht-einschränkendes Beispiel bereitgestellt ist und dass zahlreiche Hinzufügungen und Abwandlungen an der ECD vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich dieser Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann die ECD 302 in anderen Ausführungsformen zwei oder mehr Katalysatorblöcke enthalten. In diesem Beispiel können einer oder mehrere der mehreren Katalysatorblöcke zwei oder mehr unterschiedliche Zelldichten aufweisen. Die Variation der Zelldichte unter den mehreren Katalysatorblöcken kann gleich sein oder sich zwischen mindestens zwei der Katalysatorblöcke unterscheiden. Ferner kann die durchschnittliche Zelldichte unter den mehreren Katalysatorblöcken gleich sein oder sich zwischen mindestens zwei der Katalysatorblöcke unterscheiden. Andere Merkmale können von den mehreren Katalysatorblöcken geteilt werden oder auch nicht, einschließlich der Länge, der Katalysatorblock-Substratmaterialien, der Katalysatormaterialien und der Sauerstoffspeichermaterialien, falls enthalten, aber nicht auf diese beschränkt.
Die ECD 302 umfasst ferner einen Abgassensor 344A, der an einem oberen Bereich der ECD nahe dem Auslassleitungskonvergenzkanal 316 positioniert ist. Der Abgassensor 344A kann ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (Universal- oder Breitband-Abgassauerstoff), ein Zweizustandssauerstoffsensor oder EGO, ein HEGO (beheizter EGO), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor sein, ist aber nicht darauf beschränkt. In dem Beispiel von 3A enthält der Abgassensor 344A Innenelektroden (nicht dargestellt) innerhalb einer Metallabschirmung 346. Der Abgasstrom, der aus den Abgaskanälen 310, 312 und 314 stammt, strömt durch den Auslassleitungskonvergenzkanal 316 und wird durch die Elektroden des Abgassensors 344A detektiert. Der Abgasstrom wird durch die Elektroden detektiert, nachdem er über Öffnungen 348, die in Längsrichtung entlang der Unterseite der Metallabschirmung 346 angeordnet sind, in die Metallabschirmung 346 strömt. Ein Sensorgehäuse 350 situiert den Abgassensor 344A innerhalb des ECD-Körpers 319 und koppelt die Elektroden über Drähte 352 mit einem Steuersystem (z. B. dem Controller 12 von 2). Messwerte aus dem Abgassensor 344A werden verwendet, um Betriebsaspekte der ECD 302 zu steuern, wie nachstehend beschrieben ist.
Die ECD 302 umfasst zudem einen Abgassensor 344B, der in ähnlicher Weise zu dem Abgassensor 344A ausgebildet sein kann. Wie in 3A gezeigt ist der Abgassensor 344B dem Katalysator 321 nachgeschaltet angeordnet. Wie weiter unten im Einzelnen beschrieben ist, werden Messwerte beider Abgassensoren 344A und 344B verwendet, um Betriebsaspekte der ECD 302 zu steuern – beispielsweise kann eine Differenz zwischen den Messwerten aus den einzelnen Sensoren eine Sauerstoffmenge angeben, die in dem Katalysator 321 gespeichert ist. Es ist ersichtlich, dass die Positionierung der Abgassensoren 344A und 344B nicht einschränkend ist und die Sensoren an anderer Stelle angebracht sein können. In anderen Ausführungsformen können drei oder mehr Abgassensoren in der ECD 302 enthalten sein – beispielsweise ein dritter Abgassensor, der einem unten beschriebenen Partikelfilter nachgeschaltet angeordnet ist, zusätzlich zu den Abgassensoren 344A und 344B.
3A zeigt auch die Einbeziehung eines Temperatursensors 335, der dazu ausgelegt ist, die Temperatur der Abgase, die durch die ECD strömen, zu messen. Wie darin gezeigt ist der Temperatursensor 335 entlang der oberen Wand 324 angeordnet und zwischen dem Katalysator 321 und einem unten beschriebenen Partikelfilter angeordnet. Es versteht sich, dass diese Positionierung nicht einschränkend ist und der Temperatursensor 335 an anderer Stelle in der ECD 302 angeordnet sein kann – beispielsweise dem Katalysatorblock 320 vorgeschaltet oder dem Partikelfilter nachgeschaltet. In anderen Ausführungsformen kann der Temperatursensor 335 aus der ECD 302 weggelassen werden, wobei die Abgastemperatur auf Basis eines oder mehrerer Kraftmaschinenbetriebsparameter abgeleitet wird.
Die ECD 302 umfasst ferner einen Partikelfilter (PF) 336, der dem Katalysatorblock 320 nachgeschaltet angeordnet ist. Der PF 336 kann dazu ausgelegt sein, Partikelmaterial wie etwa Ruß, das in das Abgas gemischt ist, das durch den Partikelfilter strömt, einzufangen. Da sich Ruß und/oder anderes Partikelmaterial in dem PF 336 sammelt, kann sich ein Gegendruck in dem Partikelfilter aufbauen, der den Kraftmaschinenbetrieb stören und den Kraftstoffverbrauch erhöhen kann. Daher kann der PF 336 regelmäßig regeneriert werden und darin gespeicherter Ruß verbrannt werden, beispielsweise als Antwort darauf, dass ein Rußpegel, der in dem Filter gespeichert ist, eine Schwelle übersteigt,. Für Ausführungsformen, in denen die ECD 302 in Verbindung mit einer fremdgezündeten Kraftmaschine verwendet werden und der PF 336 ein Benzinpartikelfilter ist, kann das Abgas aus der fremdgezündeten Kraftmaschine ausreichend heiß sein, um in dem Filter gespeicherten Ruß zu verbrennen. Jedoch kann die fremdgezündete Kraftmaschine überwiegend unter stöchiometrischen Bedingungen betrieben werden, wobei eine ausreichende Menge an gasförmigem Sauerstoff für die Verbrennung des Rußes, der in dem PF 336 gespeichert ist, möglicherweise nicht zur Verfügung steht.
In einigen Implementierungen können die Katalysatormaterialien 332, die durch den Katalysatorblock 320 getragen werden, so gewählt sein, dass der Katalysatorblock eine Dreiwegekatalysator-Umwandlung von Abgasspezies bereitstellt. Somit umfasst die ECD 302 in diesem Beispiel einen Dreiwegekatalysator (TWC). Ferner kann der PF 336 die Stelle eines zweiten TWC einnehmen, der sonst die Stelle des PF in der ECD 302 einnehmen würde. Wie der Katalysatorblock 320 (beispielsweise der erste TWC) kann der zweite TWC ein oder mehrere Sauerstoffspeichermaterialien beinhalten, um die Zufuhr von Sauerstoff zur Regenerierung eines Partikelfilters (beispielsweise des PF 336) zu ermöglichen. Aufgrund der Ersetzung des zweiten TWC durch den PF 336 kann die ECD 302 jedoch weniger Sauerstoffspeichermaterialien im Vergleich zu der Anordnung, bei der der zweite TWC und nicht der Partikelfilter verwendet wird, enthalten. Daher kann der PF 336 dazu ausgelegt sein, ein oder mehrere Sauerstoffspeichermaterialien zu enthalten, die den Verlust in der Sauerstoffspeicherung durch Wegfall des zweiten TWC kompensieren.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3B ist die Zusammensetzung des PF 336 in Blockdiagrammform dargestellt. Wie darin gezeigt kann der PF 336 ein Filtersubstrat 354 umfassen, das in einigen Beispielen eines oder mehrere der Materialien des Katalysatorsubstrats 328 umfassen kann (beispielsweise Cordierit, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Edelstahl). Ein Filtersubstrat 354 kann eine Struktur bereitstellen, auf der geeignete Filterelemente angeordnet sein können. Der PF 336 umfasst ferner einen Washcoat 356, der auf dem Filtersubstrat 354 in ähnlicher Weise wie oben im Hinblick auf die Bildung des Washcoats 330 des Katalysatorblocks 320 beschrieben gebildet werden kann. In einigen Beispielen kann der Washcoat 356 ein oder mehrere Sauerstoffspeichermaterialien 358 wie etwa Ce-Zr umfassen, die den sonst reduzierten Sauerstoffspeicher, der aus dem Weglassen eines zweiten TWC resultiert, zumindest teilweise ausgleichen können. Die Sauerstoffspeichermaterialien 358 des PF 336 können die gleichen wie die Sauerstoffspeichermaterialien 334 des Katalysatorblocks 320 sein oder nicht. Alternativ oder zusätzlich kann der Washcoat 356 ein oder mehrere Katalysatormaterialien 360 (beispielsweise Palladium, Palladium-Platin, Yttrium) umfassen, die dazu ausgelegt sind, Sauerstoff zu speichern und möglicherweise die gleichen sind wie die Katalysatormaterialien 332 des Katalysatorblocks 320. In einigen Beispielen können die Katalysatormaterialien 360 Metalloxidbeschichtungen umfassen, die den PF 336 mit katalytischen Eigenschaften für die Wassergaskonvertierung, Ammoniakoxidation, Schwefelsteuerung usw. ausstatten.
Je nach Zusammensetzung des Washcoats 356 des PF 336 kann der Partikelfilter somit eine katalytische Umwandlung und/oder eine Sauerstoffspeicherung ermöglichen, die die katalytische Umwandlung und Sauerstoffspeicherung durch den Katalysatorblock 320 ergänzen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann der Washcoat 356 des PF 336 so ausgelegt sein, dass der Partikelfilter eine Dreiwegekatalysator-Umwandlung bereitstellt und Ce-Zr enthält, um die Sauerstoffspeicherung in dem Filter und die Sauerstoffversorgung wie für die Regenerierung des Filters erwünscht zu ermöglichen.
Der Washcoat 356 des PF 336 kann sowohl eine Rußoxidation in dem Partikelfilter unter stöchiometrischen Bedingungen (durch Erhöhen der Sauerstoffspeicherung in dem Filter) erhöhen als auch Erhöhungen des Gegendrucks, die aus der Einbeziehung des Washcoats in dem Filter entstehen, beschränken. Um dieses Ziel zu erreichen, kann sich der Washcoat 356 des PF 336 von dem Washcoat 330 des Katalysatorblocks 320 in Bezug auf mindestens einen physischen Parameter unterscheiden – beispielsweise kann der Washcoat 356 des Partikelfilters eine reduzierte Masse, Dichte, ein reduziertes Volumen, usw. relativ zu dem Washcoats 330 des Katalysatorblocks aufweisen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Masse des Washcoats 356 des PF 336 ungefähr ein Drittel der Masse des Washcoats 330 des Katalysatorblocks 320 betragen. Auf diese Weise kann der Gegendruck, der mit dem PF 336 verknüpft ist, begrenzt werden. Aufgrund des verringerten Beschichtungspegels des Washcoats 356 relativ zu dem Washcoat 330 können jedoch die Sauerstoffspeichermaterialien 358 des Washcoats 356 um den gleichen oder ähnlichen Anteil reduziert sein. Um die reduzierte Sauerstoffspeicherung in dem PF 336 aufgrund des relativ geringen Beschichtungspegels zu kompensieren, kann die Dichte der Sauerstoffspeichermaterialien 358 relativ zu der Dichte des Sauerstoffspeichermaterials 334 des Katalysatorblocks 320 und/oder eines zweiten TWC, der in anderen Ansätzen die Stelle des Partikelfilters einnehmen würde, erhöht werden.
Um die Auswahl des Washcoats 356 und der Sauerstoffspeichermaterialien 358 des PF 336 zu veranschaulichen, folgt ein nicht einschränkendes Beispiel. In einem typischen Dreiwegekatalysator (beispielsweise dem Katalysator 321) kann ungefähr 6 % des Katalysatorgewichts auf die Sauerstoffspeichermaterialien wie beispielsweise Ceroxid (z. B. CeO₂) zurückgeführt werden. Der Washcoat des Katalysators kann 30 % des Gesamtgewichts des Katalysators bilden, wobei die restlichen 70 % dem Substrat (beispielsweise Cordierit) zuzurechnen sind. 20 % des Katalysator-Washcoat-Gewichts können den Sauerstoffspeichermaterialien zugerechnet werden. Der Katalysator-Washcoat kann eine Dichte von 1 g/in³ aufweisen; somit kann, da 20 % des Katalysator-Washcoats den Sauerstoffspeichermaterialien entsprechen, 0,2 g/in³ den Sauerstoffspeichermaterialien zugerechnet werden. In einer Emissionsregelungsvorrichtung (z. B. der ECD 302), bei der ein zweiter TWC entfällt und durch einen Partikelfilter (PF) ersetzt wird, kann die reduzierte Sauerstoffspeicherung in der ECD, die aus dem Weglassen des zweiten TWC resultiert, durch Erhöhen des Anteils der Sauerstoffspeichermaterialien an dem PF-Washcoat kompensiert werden, beispielsweise um einen Faktor zwischen 1,5 und 2,5. Mit anderen Worten kann die reduzierte Sauerstoffspeicherung durch Wegfall eines zweiten TWC (und der zugehörigen Sauerstoffspeicherungsmaterialien) durch Erhöhen der Sauerstoffspeicherung in einem PF, der den zweiten TWC ersetzt, kompensiert werden.
Ferner kann der PF 336 bei diesem nicht einschränkenden Beispiel derart ausgelegt sein, dass die Sauerstoffspeichermaterialien 358 zwischen 30 % und 50 % des Gewichts des Washcoats 356 des Partikelfilters ausmachen. Relativ zu dem typischen TWC-Washcoat, der oben beschrieben ist, entspricht dies zwischen einem 10 %-igen und einem 30 %-igen Anstieg in dem Anteil von Sauerstoffspeichermaterialien 358 an dem Washcoat 356. Mit einer derartigen Anordnung können zwischen 0,3 g/in³ und 0,5 g/in³ eines Washcoats mit 1 g/in³ den Sauerstoffspeichermaterialien zugerechnet werden.
In einigen Beispielen kann der Anteil der Sauerstoffspeichermaterialien 358 an dem Washcoat 356 des PF 336 ohne eine Erhöhung der Masse des Washcoats erhöht werden. Dies kann durch Ersetzen anderer Bestandteile des Washcoats 356 mit Sauerstoffspeichermaterialien erreicht werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Washcoat 356 γ-Al₂O₃, CeO₂, ZrO₂, La₂O₃ oder Nd₂O₃, BaO oder SrO, NiO und Pt, Pd oder Rh umfassen. In diesem Beispiel kann der Anteil der Sauerstoffspeichermaterialien 358 an dem Washcoat 356 ohne eine Erhöhung der Masse des Washcoats erhöht werden, indem eine inerte Komponente des Washcoats mit den Sauerstoffspeichermaterialien ersetzt wird – beispielsweise, indem γ-Al₂O₃ mit CeO₂ ersetzt wird. In einigen Ansätzen kann das Ausmaß, in dem eine inerte Komponente des Washcoats 356 mit den Sauerstoffspeichermaterialien 358 ersetzt wird, proportional zu dem Ausmaß sein, in dem die Sauerstoffspeichermaterialien gegenüber einem Nennpegel (z. B. der Sauerstoffspeichermaterialien, die in einem typischen TWC-Washcoat enthalten sind) erhöht werden. Zum Beispiel kann der Anteil des inerten Materials, der durch die Sauerstoffspeichermaterialien 358 ersetzt wird, im Wesentlichen gleich (beispielsweise innerhalb von 0,5 %) dem Anteil der Sauerstoffspeichermaterialien, der den ersetzten Anteil des inerten Materials ersetzt, sein, was Gewichtserhöhungen vermeiden kann. In dem oben diskutierten nicht einschränkenden Beispiel, in dem die Sauerstoffspeichermaterialien 358 um einen Faktor zwischen 1,5 und 2,5 erhöht sind, kann die inerte Komponente des Washcoats 356 um den gleichen Faktor, um den die Sauerstoffspeichermaterialien erhöht sind (beispielsweise um einen Faktor zwischen 1,5 und 2,5) reduziert sein, obwohl diese Faktoren in anderen Ansätzen möglicherweise nicht gleich sind.
Somit kann durch Auswählen der Sauerstoffspeichermaterialien 358 in der oben beschriebenen Weise die ansonsten durch Ersetzen eines zweiten TWC mit dem PF 336 reduzierte Sauerstoffspeicherkapazität der ECD 302 ausgeglichen werden und in einigen Beispielen mindestens mit der einer ECD, die doppelte TWC umfasst, übereinstimmen. Folglich kann ausreichend Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden, um Ruß (und/oder anderes Partikelmaterial) zu verbrennen, das in dem PF 336 gespeichert ist, insbesondere während des stöchiometrischen Betriebs einer fremdgezündeten Kraftmaschine. Außerdem kann dies bewerkstelligt werden, ohne dass die Masse des Washcoats 356 erhöht wird, indem mindestens ein inerter Bestandteil des Washcoats mit den Sauerstoffspeichermaterialien 358 ersetzt wird. 6 veranschaulicht ferner den Effekt der Sauerstoffspeicherkapazität auf die Filterregenerierung.
Es versteht sich, dass verschiedene Aspekte des Fahrzeugabgassystems 300 und der ECD 302 abgewandelt werden können, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können die relative Positionierung, die Geometrien und die Abmessungen (beispielsweise Länge, Breite, Höhe) der verschiedenen Komponenten des Systems 300 (beispielsweise des Katalysators 321, des PF 336, des Abgassensors 344A, des Temperatursensors 335) angepasst werden. In einigen Ausführungsformen können zwei oder mehr Abgassensoren und/oder Temperatursensoren bereitgestellt sein, während in anderen Ausführungsformen der Temperatursensor 335 aus dem System 300 entfallen kann. Beispielsweise kann ein erster Abgassensor dem Katalysator 321 vorgeschaltet vorgesehen sein und ein zweiten Abgassensor dem Katalysator nachgeschaltet vorgesehen sein. In einigen Ausführungsformen können zwei oder mehr ECD kaskadenartig vorgesehen sein, so dass auf eine erste ECD (die beispielsweise einen Katalysator und/oder einen Partikelfilter umfasst) eine zweite ECD folgt, die der ersten ECD nachgeschaltet positioniert ist, wobei die zweite ECD die gleichen Komponenten wie die erste ECD umfassen kann oder nicht. Ferner kann die ECD 302 abgewandelt sein, um alternativ oder zusätzlich zu dem Katalysator 321 und/oder dem PF 336 andere Emissionsregelungsvorrichtungen wie eine NOx-Falle, einen SCR-Katalysator usw. zu umfassen.
4A zeigt ein beispielhaftes Fahrzeugabgassystem 400 mit einer Emissionsregelungsvorrichtung (ECD) 402. Es wird versucht, die Unterschiede zwischen 3A und 4A zu erklären und daher sind gleiche Teile ähnlich nummeriert. Wie die ECD 302 ist die ECD 402 somit dazu ausgelegt, Abgase aus einer Kraftmaschine wie etwa der Kraftmaschine 10 von 1 und 2 aufzunehmen. Die ECD 402 unterscheidet sich jedoch im Allgemeinen darin von der ECD 302 von 3A, dass die katalytische Umsetzung und die Filtrierung des Abgases mittels einer einzelnen, einheitlichen Struktur bereitgestellt wird, im Gegensatz zum Durchführen der katalytischen Umwandlung mittels eines Katalysators (beispielsweise des Katalysators 321) und der Filtrierung mittels eines Filters (beispielsweise des PF 336), der wie bei der ECD 302 getrennt und entfernt von dem Katalysator angeordnet ist. Daher umfasst die ECD 402 einen Katalysator-/Filterbehälter 404, der die einzelne, einheitliche Struktur bereitstellt, auf der Katalysator- und Filtermaterialien unter anderen möglichen Elementen ausgebildet sein können. Auf diese Weise kann eine gleichzeitige katalytische Umsetzung und Filtrierung des Abgases, das durch die ECD 402 strömt, in einem Katalysator/Filter 406 mittels der einzelnen, einheitlichen Struktur, die durch den Behälter 404 bereitgestellt wird, implementiert sein.
4B zeigt ein Blockdiagramm, das Aspekte des Fahrzeugabgassystems 400 darstellt. Insbesondere zeigt 4B Aspekte der Bildung des Katalysators/Filters 406 und beispielsweise Materialien, die durch den Katalysator/Filter getragen werden können. Im Beispiel von 4B umfasst der Katalysator/Filter 406 ein Katalysator-/Filtersubstrat 408, das in einigen Beispielen ein Wandstromsubstrat sein kann. Das Substrat 408 kann verschiedene geeignete Materialien, die Katalysator- und Filtermaterialien tragen, einsetzen, einschließlich Substratmaterialien mit hoher Porosität (z. B. 40 % bis 80 %) und mit großer Oberfläche wie etwa Cordierit, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid und Edelstahl. In einigen Beispielen kann der Katalysatorblock 320 Substratmaterialien nutzen, die typischerweise in Katalysatoren für Selbstzündungskraftmaschinen eingesetzt werden. In einigen Beispielen kann der Katalysator/Filter 406 Trägermaterialien wie Ceroxid oder Barium für eine erhöhte Stabilisierung enthalten.
Der Katalysator/Filter 406 kann ferner einen Washcoat 410 umfassen, mit dem das Katalysator-/Filtersubstrat 408 beschichtet wird, und dann getrocknet und calciniert wird. Der Washcoat 410 kann ein oder mehrere Katalysatormaterialien 412 enthalten, die die Umwandlung von Abgasspezies (beispielsweise NOx, Kohlenwasserstoffe, CO) in erwünschte inerte Gasen ermöglichen. Katalysatormaterialien 412 können Edelmetalle (z. B. Palladium), Mischungen aus Edelmetallen (z. B. Palladium-Platin) oder Seltenerdmetalle (z. B. Yttrium) enthalten. Der Washcoat 410 kann ferner ein oder mehrere Sauerstoffspeichermaterialien 414 enthalten, um die Speicherung von Sauerstoff in der ECD 402 zu ermöglichen, so dass Sauerstoff verfügbar gemacht werden kann, um Ruß und/oder anderes in dem Katalysator/Filter 406 gespeichertes Partikelmaterial zu verbrennen, um dadurch den Filter zu regenerieren. Die Sauerstoffspeichermaterialien 414 können beispielsweise Ce-Zr umfassen. In einigen Beispielen kann der Washcoat 410 durch Mischen von Katalysatormaterialien 412 und Sauerstoffspeichermaterialien 414 und dann Beschichten des Substrats 408 mit dem gemischten Washcoat ausgebildet werden. Zum Beispiel können eine oder mehrere der oben beschriebenen Katalysatormaterialien in Ce-Zr eingebettet werden, um einen Washcoat zu bilden, mit dem das Substrat 408 beschichtet werden kann. In einigen Implementierungen kann der Washcoat 410 alternativ oder zusätzlich ein oder mehrere Metalloxide enthalten, die katalytische Eigenschaften zur Wassergaskonvertierung, Ammoniakoxidation, Schwefelsteuerung usw. aufweisen.
4A zeigt zudem eine axiale Ansicht 416 innerhalb des Katalysators/Filters 406, wobei Linien 418 innerhalb der axialen Ansicht die Zellwände darstellen, die die Filtermaterialien, Katalysatormaterialien 412 und Sauerstoffspeichermaterialien 414 tragen. Die Anzahl der Linien 418 entspricht der Anzahl von Zellen und ist mit der Zelldichte des Katalysators/Filters 406 verknüpft. Ein Leerraum 420 in der axialen Ansicht 416 stellt die Kanäle dar, durch die Abgas strömen kann. Wie in 4A gezeigt ist die Zelldichte des Katalysators/Filters 406 gleichförmig. In anderen Ausführungsformen kann die Zelldichte des Katalysators/Filters 406 jedoch wie bei der ECD 302 von 3A nicht-einheitlich sein, um beispielsweise die Druckdifferenz in der ECD 402 zu erhöhen.
Für einige Ausführungsformen, in denen die ECD 402 in Verbindung mit einer fremdgezündeten Kraftmaschine verwendet wird, kann der Katalysator/Filter 406 als ein Dreiwegekatalysator (TWC) und ein Benzinpartikelfilter (GPF) ausgelegt sein. In diesem Beispiel ermöglicht die Einbeziehung von Sauerstoffspeichermaterialien 414 in den Washcoat 410 die Bereitstellung von ausreichend Sauerstoff für die Verbrennung von Ruß und/oder anderem Partikelmaterial, das in dem Katalysator/Filter 406 eingefangen wird. Dies kann während eines stöchiometrischen Betriebs der fremdgezündeten Kraftmaschine besonders vorteilhaft sein, wenn der überschüssige Sauerstoff für die Filterregenerierung anderweitig unzureichend wäre.
Es versteht sich, dass das Fahrzeugabgassystem 400 und die ECD 402 als nicht einschränkende Beispiele bereitgestellt sind und dass verschiedene Aspekte des Systems und der ECD abgewandelt werden können, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können die relative Positionierung, die Geometrien und die Abmessungen (beispielsweise Länge, Breite, Höhe) der verschiedenen Komponenten des Systems 300 (beispielsweise des Katalysators 321, des PF 336, des Abgassensors 344A, des Temperatursensors 335) angepasst werden. In anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr Abgassensoren und/oder Temperatursensoren bereitgestellt sein, während in anderen Ausführungsformen der Temperatursensor 335 aus dem System 300 entfallen kann. In einigen Implementierungen können zwei oder mehr ECD kaskadenartig vorgesehen sein, so dass auf eine erste ECD eine zweite ECD folgt, die der ersten ECD nachgeschaltet positioniert ist. In diesem Beispiel kann jede der ECD einen integrierten Katalysator/Filter (beispielsweise den Katalysator/Filter 406), der in einem gemeinsamen Gehäuse implementiert ist, oder separat untergebrachte Katalysatoren und Filter umfassen. Ferner kann die ECD 402 abgewandelt sein, um alternativ oder zusätzlich zu dem Katalysator/Filter 406 andere Emissionsregelungsvorrichtungen wie etwa eine NOx-Falle, einen SCR-Katalysator usw. zu umfassen. Weiterhin können bei einigen Ausführungsformen ein Katalysator und ein Filter in ein einzelnes, einheitliches Gehäuse integriert sein, wobei aber die Katalysatormaterialien und die Filtermaterialien getrennt sind – beispielsweise kann das einheitliche Gehäuse einen ersten Abschnitt umfassen, in dem sich der Katalysator befindet, wobei dem ersten Abschnitt nachgeschaltet ein zweiter Abschnitt folgt, in dem der Filter angeordnet ist.
Der Kraftmaschinenbetrieb kann so gesteuert werden, dass die ECD 302 und 402 von 3A bzw. 4A jeweils unter gewünschten Bedingungen arbeiten. Beispielsweise kann eine Kraftmaschine (z. B. die Kraftmaschine 10 von 1 und 2) so gesteuert werden, dass die katalytische Umwandlung von Abgasspezies mit einer bestimmten Rate erreicht wird, um die Kraftmaschinenemissionen innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu halten. Da die katalytische Umwandlung zumindest teilweise eine Funktion der Temperatur ist, kann der Kraftmaschinenbetrieb gesteuert werden, um die Temperatur der Katalysatoren der ECD 302 und 402 innerhalb eines gewünschten Bereichs zu halten. Die Kraftmaschinensteuerung kann auf diese Weise beispielsweise ein Verwenden von Messwerten aus dem Temperatursensor 335 und ein Steuern eines oder mehrerer Betriebsparameter der Kraftmaschine mittels eines Kraftmaschinencontrollers wie beispielsweise des Controllers 12 von 2 umfassen.
Ein Einfangen von Partikelmaterial (PM) wie etwa Ruß in den Partikelfiltern der ECD 302 und 402 mit einer bestimmten Rate kann auch erwünscht sein, um die Kraftmaschinenemissionen innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu halten. Da das PM sich in den Filtern sammelt, erhöht sich aber der Gegendruck, der von den Filtern verursacht wird, was den Kraftstoffverbrauch erhöhen kann. Dementsprechend kann das PM, das in den Filtern der ECD 302 und 402 gespeichert ist, regelmäßig oxidiert werden und die Filter können regeneriert werden, so dass das angesammelte PM reduziert und der Gegendruck begrenzt wird. In einigen Beispielen kann die Menge an PM, die in den Filtern der ECD 302 und 402 gespeichert ist, durch Messen (beispielsweise mittels eines oder mehrerer Drucksensoren, die in 3A bis 4B gezeigt sind) oder Ableiten des Gegendrucks innerhalb der ECD bestimmt werden. Auf eine geeignete Datenstruktur wie beispielsweise eine Nachschlagetabelle kann dann mit dem bestimmten Gegendruck zugegriffen werden, um eine entsprechende Menge an PM (z. B. die Masse) abzurufen. Alternativ kann eine Übertragungsfunktion verwendet werden, um die entsprechende Menge an PM auf Grundlage des bestimmten Gegendrucks zu bestimmen.
Wenn bestimmt wird, dass eine Oxidation von PM, das in dem Filter der ECD 302 und 402 gespeichert ist, und die Regenerierung der Filter gewünscht wird (z. B. auf der Basis des gespeicherten PM und/oder des Gegendrucks, die jeweilige Schwellen überschreiten), können die Verfügbarkeit von Sauerstoff bei den ECD und ihre Temperaturen beurteilt werden, da die Regenerierung des PF im Allgemeinen eine Funktion des verfügbaren überschüssigen Sauerstoffs und der Umgebungstemperaturbedingungen ist. Insbesondere kann die Filtertemperatur auf mindestens eine Anspringtemperatur (z. B. 400–600 °C) gesteuert werden, bei der die Regenerierung des Filters bei ausreichender Sauerstoffzufuhr eingeleitet wird. Während der Filterregenerierung kann das gespeicherte PM mit einer Rate, die größer als die Rate ist, mit der das PM in den Filtern abgeschieden wird, oxidiert werden. Die Partikelfilterregenerierungsreaktion ist exotherm, so dass, sobald die Reaktion beginnt, die Temperatur schnell zunehmen kann, wenn die Sauerstoffzufuhr nicht sorgfältig gesteuert wird. Wenn beispielsweise die Temperatur eine obere Schwelle überschreitet, kann die Reaktion unkontrollierbar werden und kann ganz anhalten, da ein Pegel von überschussigem Sauerstoff, der für die Filterregenerierung bei hohen Temperaturen erforderlich ist, nicht geliefert werden kann. Wenn außerdem die Sauerstoffversorgung unzureichend ist, ist die Regenerierungsreaktion vielleicht nicht in der Lage, sich selbst aufrechtzuerhalten. Mehr noch, wenn die Pegel des überschüssigen Sauerstoffs zu hoch sind, können die Temperaturen sinken und die Regenerierungsreaktion langsamer werden.
In einigen Beispielen kann die Sauerstoffversorgung an die ECD 302 und 304 basierend auf dem Gegendruck in den ECD bestimmt werden. Die Oxidationsrate von gespeichertem PM in den ECD 302 und 304 kann auf der Basis der Messwerte aus dem Abgassensor 344A und dem Temperatursensor 335 bestimmt werden; eine geeignete Datenstruktur wie beispielsweise eine Nachschlagetabelle kann Oxidationsraten von PM, die nach der Filtertemperatur und dem Massenstrom des Sauerstoffs indiziert sind, speichern.
Alternativ oder zusätzlich zu einer oder mehreren der oben beschriebenen Betrachtungen können Steuerroutinen die Sauerstoffspeicherkapazität der ECD 302 und 402 berücksichtigen. Die "Sauerstoffspeicherkapazität", wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich auf die Kapazität einer ECD, Sauerstoff zu speichern, wie sie durch die Einbeziehung von einem oder mehreren Sauerstoffspeichermaterialien bestimmt wird, die wie oben beschrieben in einem Washcoat, der auf einem Katalysatorsubstrat und/oder einem Filtersubstrat angeordnet ist, eingebettet sind. Die Sauerstoffspeicherkapazität der ECD 302 und 402 kann bestimmt und verwendet werden, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff zu den ECD zu steuern, und zwar beispielsweise so, dass die Menge an überschüssigem Sauerstoff, die an eine ECD in einem gegebenen Zeitintervall geliefert wird, die Sauerstoffspeicherkapazität der ECD in diesem Zeitintervall nicht überschreitet. In einigen Beispielen kann die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff an die ECD 302 und 402 auf einen Teil ihrer Sauerstoffspeicherkapazitäten begrenzt sein – beispielsweise kann die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff auf 40–60 % der Gesamtsauerstoffspeicherkapazität einer ECD begrenzt sein. In einem Beispiel kann die Sauerstoffspeicherkapazität sowohl der ECD 302 als auch 402 durch Messen der Differenz in der Sauerstoffkonzentration, die durch einen vorgeschalteten Sauerstoffsensor und einen nachgeschalteten Sauerstoffsensor unter ausgewählten Bedingungen erfasst wird, bestimmt werden – beispielsweise kann die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators/Filters 406 von 4A basierend auf der Differenz zwischen den Messwerten aus dem Abgassensor 344A, der dem Katalysator/Filter vorgeschaltet ist, und aus dem Abgassensor 344B, der dem Katalysator/Filter nachgeschaltet ist, während einer Zeitspanne, in der Abgas, das an den Katalysator/Filter geliefert wird, von fetten zu mageren Bedingungen übergeht, bestimmt werden. Die Abgassensoren 344A und 344B können verwendet werden, um den an eine ECD gelieferten Sauerstoff während eines Übergangs von dem fetten zu dem mageren Zustand zu bestimmen. In anderen Implementierungen kann die Sauerstoffspeicherkapazität der ECD 302 und 402 durch den Zugriff auf eine Datenstruktur (z. B. die Nachschlagetabelle) bestimmt werden, die Sauerstoffspeicherkapazitäten enthält, die nach der Temperatur indexiert sind (beispielsweise die Katalysatortemperatur, die Abgastemperatur). In diesem Beispiel kann eine Sauerstoffspeicherkapazität, die aus der Datenstruktur abgerufen wird, angepasst werden, um den Katalysatorabbau, der im Laufe der Zeit auftreten kann, zu berücksichtigen.
In einigen Implementierungen kann der Kraftmaschinenbetrieb so gesteuert werden, dass die Sauerstoffspeicherkapazität der ECD 302 und 402 abgewandelt wird. Zum Beispiel kann das der ECD 302 und 402 zugeführte Abgas von fetten auf magere Bedingungen umgestellt werden, um die ECD-Sauerstoffspeicherkapazität anzupassen. Unterschiede in der Ausgabe des vor- und des nachgeschalteten Abgassensors können verwendet werden, um zu bestimmen, wann sich die ECD-Sauerstoffspeicherkapazität wie oben beschrieben geändert hat.
Die Filterregenerierung in den ECD 302 und 402 kann passive und/oder aktive Filterregenerierungstechniken verwenden. Während der passiven Filterregenerierung kann der Kraftmaschinenbetrieb nicht abgewandelt werden, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff an die ECD 302 und 402 zu erhöhen. Stattdessen kann die Kraftmaschine nominell betrieben werden (z. B. im stöchiometrischen Betrieb), wobei zuvor gespeicherter Sauerstoff in den ECD 302 und 402 verwendet wird, um die Filterregenerierung durchzuführen. In den ECD 302 und 402 gespeicherter Partikelstoff kann mit einer Rate größer als die Rate, mit der Partikelstoff in den ECD während der passiven Filterregenerierung abgeschieden wird, oxidiert werden.
Eine aktive Filterregenerierung kann dagegen Anpassungen an dem Kraftmaschinenbetrieb umfassen, um die Filterregenerierung zu erleichtern. Beispielsweise kann der Kraftmaschinenbetrieb während der aktiven Filterregenerierung abgewandelt werden, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff an die ECD 302 und 402 zu erhöhen. In einigen Implementierungen kann die Schubabschaltung (DFSO) unter geeigneten Bedingungen als Antwort auf eine Bestimmung, dass eine aktive Filterregenerierung durchgeführt werden soll, eingeleitet werden – beispielsweise als Antwort auf eine Bestimmung, dass die Menge an Partikelmaterial, die in einer ECD gespeichert ist, eine Schwelle überschreitet. In diesem Beispiel kann die DFSO genutzt werden, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff an die ECD 302 und 402 zu erhöhen und dabei die Filterregenerierung zu erleichtern. Die DFSO kann alternativ oder zusätzlich verwendet werden, um die Menge an Sauerstoff, die in den ECD 302 und 402 gespeichert ist, zu erhöhen, was in einigen Szenarien eine Menge des zuvor gespeicherten Sauerstoffs auffüllt. In einigen Beispielen kann eine aktive Filterregenerierung während der DFSO eine erste Phase umfassen, in der die DFSO genutzt wird, um überschüssigen Sauerstoff für die Oxidation von Partikelmaterial zu liefern. Der überschüssige Sauerstoff, der an die ECD 302 und 402 während der ersten Phase geliefert wird, kann im Wesentlichen (z. B. zu 90% oder mehr) bei der Regenerierungsreaktion verwendet werden und kann daher nicht in den ECD gespeichert werden. Die DFSO kann sich über die erste Phase in eine zweite Phase erstrecken, in der überschüssiger Sauerstoff an die ECD 302 und 402 zur Speicherung darin geliefert wird, wobei der gespeicherte Sauerstoff für einen nachfolgenden Filterregenerierungsvorgang verwendet werden kann. Im Gegensatz dazu kann die DFSO für Szenarien nur die erste Phase umfassen, in der die DFSO gewünscht ist, aber die Filterregenerierung nicht enthalten ist.
Die aktive Filterregenerierung kann auch andere Maßnahmen enthalten, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff an die ECD 302 und 402 zu erhöhen, einschließlich des Anpassens einer Drosselöffnung (beispielsweise der Öffnung der Drossel 62 von 1 und 2), des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, der variablen Nockenzeitvorgabe usw., ist aber nicht darauf beschränkt. Die aktive Filterregenerierung kann alternativ oder zusätzlich eine oder mehrere Maßnahmen zum Erhöhen der Abgastemperatur an den ECD 302 und 304 umfassen, wie beispielsweise eine Verzögerungszündzeitvorgabe und/oder eine zunehmende Drosselöffnung.
Während der DFSO wird eine Kraftmaschine (beispielsweise die Kraftmaschine 10 von 1 und 2) ohne Kraftstoffeinspritzung betrieben, während sich die Kraftmaschine dreht, und Luft durch die Zylinder pumpt. DFSO-Eintritts- und Austrittsbedingungen können auf verschiedenen Fahrzeug- und Kraftmaschinenbetriebsbedingungen basieren. Insbesondere kann eine Kombination aus der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Fahrzeugbeschleunigung, der Kraftmaschinendrehzahl, der Kraftmaschinenlast, der Drosselklappenstellung, der Fahrpedalstellung, der Getriebegangstellung und/oder verschiedener anderer Parameter zum Steuern des Ein- oder Austretens aus oder in die DFSO verwendet werden. In einem Beispiel können die DFSO-Eintrittsbedingungen darauf basieren, dass eine Kraftmaschinendrehzahl unter einer Schwelle liegt. In einem anderen Beispiel können die DFSO-Eintrittsbedingungen darauf basieren, dass eine Kraftmaschinenlast unter einer Schwelle liegt. In noch einem anderen Beispiel kann die DFSO-Bedingung auf einer Fahrpedalstellung basieren. Zusätzlich oder alternativ kann der Eintritt in die DFSO basierend auf einem befohlenen Signal zum Beenden der Kraftstoffeinspritzung bestimmt werden. Ein Austritt aus der DFSO kann in einem Beispiel auf einem befohlenen Signal zum Beginnen der Kraftstoffeinspritzung basieren. In einem weiteren Beispiel kann ein DFSO-Ereignis basierend auf einer Fahrerpedalbetätigung oder darauf, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit eine Schwelle erreicht und/oder die Kraftmaschinenlast eine Schwelle erreicht, beendet werden. Es versteht sich, dass die DFSO eine teilweise Zylinderdeaktivierung umfassen kann, bei der mindestens ein, aber nicht alle Kraftmaschinenzylinder deaktiviert werden (z. B. wird die Kraftstoffeinspritzung darin beendet, aber Luft hindurchgepumpt), während in den anderen Beispielen die DFSO eine Deaktivierung aller Zylinder der Kraftmaschine umfassen kann.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Regenerieren eines Partikelfilters (PF) einer Emissionsregelungsvorrichtung (ECD). Das Verfahren 500 kann beispielsweise verwendet werden, um den PF der ECD 302 (3A) und/oder 402 (4A) zu regenerieren. Daher kann sich die Filterregenerierung in dem Verfahren 500 auf eine Regenerierung eines Filters, der von einer oder mehreren anderen ECD getrennt ist, oder auf eine Regenerierung eines kombinierten Katalysators/Filters beziehen. In einem Beispiel kann das Verfahren 500 verwendet werden, um einen Benzin-PF zu regenerieren (z. B. darin gespeicherten Ruß zu oxidieren), der einem Dreiwegekatalysator (TWC) nachgeschaltet positioniert ist. Das Verfahren 500 kann beispielsweise in dem Speicher des Controllers 12 (2) gespeichert und von der CPU 102 ausgeführt werden.
Bei 502 des Verfahrens 500 wird Partikelmaterial (PM) wie etwa Ruß in dem PF angesammelt. PM kann sich in dem PF im Nennkraftmaschinenbetrieb, beispielsweise der Kraftstoffverbrennung unter stöchiometrischen Bedingungen, ansammeln, da Abgase, die sich aus der Kraftstoffverbrennung ergeben, durch den PF strömen.
Bei 504 des Verfahrens 500 wird PM. das in dem PF gespeichert ist, mit gespeichertem Sauerstoff (O₂) oxidiert. Sauerstoff kann in Abhängigkeit von der Anordnung der ECD an verschiedenen Orten in der ECD gespeichert werden; beispielsweise kann Sauerstoff in ECD-Komponenten, die Sauerstoffspeichermaterialien umfassen, die dazu ausgelegt sind, Sauerstoff zu speichern, gespeichert werden. Daher kann sich der gespeicherte Sauerstoff in der ECD in dem PF und/oder einem Katalysator, der in einigen Ausführungsformen wie oben beschrieben in einem kombinierten Katalysator/Filter integriert sein kann, befinden. Die Oxidation von PM, das in dem PF gespeichert ist, kann erfolgen, sobald der PF eine Anspringtemperatur erreicht, bei der die PM-Oxidation stattfinden kann. Weiterhin kann die Oxidation von PM, das in dem PF gespeichert ist, bei 504 eine passive Regenerierung des PF darstellen, wenn die Rate der PM-Oxidation größer ist als die Rate, mit der PM, das sich aus der Verbrennung ergibt, in dem PF abgeschieden wird. Die passive Regenerierung des PF ermöglicht zumindest eine teilweise Regenerierung des PF ohne Anpassen der Kraftmaschinenbetriebsparameter, um die Filterregenerierung zu ermöglichen.
Bei 506 des Verfahrens 500 werden die Menge an PM, die sich in dem PF angesammelt hat, und die Oxidationsrate des PM, das in dem PF gespeichert ist, bestimmt. In einigen Beispielen kann die Menge an PM, die sich in dem PF angesammelt hat, durch Messen (beispielsweise mittels eines Drucksensors in dem Abgassystem durch Messen der Druckdifferenz über den PF hinweg) oder Ableiten des Gegendrucks, der durch den PF verursacht wird, bestimmt werden, wobei der gemessene oder abgeleitete Gegendruck verwendet wird, um auf eine Datenstruktur oder Übertragungsfunktion zuzugreifen, die eine angesammelte PF-Menge, die dem Gegendruck entspricht, ergibt. Die Oxidationsrate von PM, das in dem PF gespeichert ist, kann durch Zugreifen auf eine Datenstruktur, die Oxidationsraten von PM speichert, die beispielsweise nach Temperatur und Massendurchfluss von Sauerstoff indiziert sind, bestimmt werden, wobei die Temperatur mit dem Temperatursensor 335 (3A) erfasst werden kann und die Massendurchflussrate von Sauerstoff basierend auf einer Differenz zwischen den Messwerten aus den Abgassensoren 344A und 344B (3A) erfasst werden kann.
Bei 508 des Verfahrens 500 wird bestimmt, ob der PF aktiv regeneriert werden soll oder nicht. Eine aktive Filterregenerierung kann ein Anpassen eines oder mehrerer Betriebsparameter der Kraftmaschine, um die aktive PF-Regenerierung zu erleichtern, umfassen. Die Bestimmung, ob der PF aktiv regeneriert werden soll oder nicht, kann auf der Menge an PM, die sich in dem PF angesammelt hat, und/oder der Oxidationsrate von PM, das in dem PF gespeichert ist, basieren, wie sie bei 506 bestimmt werden. Wenn beispielsweise die Menge von angesammeltem PM größer oder gleich einer Schwellenmenge an PM ist und/oder die Oxidationsrate von angesammeltem PM kleiner als eine Schwellenoxidationsrate ist, kann die aktive PF-Regenerierung durchgeführt werden. Wenn die Menge an angesammeltem PM kleiner als die Schwellenmenge an PM ist und/oder die Oxidationsrate von angesammeltem PM größer oder gleich der Schwellenoxidationsrate ist, kann die passive PF-Regenerierung und nicht die aktive PF-Regenerierung durchgeführt werden. Andere Bedingungen können alternativ oder zusätzlich als Teil der Bestimmung, ob der PF aktiv regeneriert werden soll oder nicht, beurteilt werden – wenn beispielsweise der Gegendruck in der ECD größer als eine Schwelle ist, kann eine aktive PF-Regenerierung durchgeführt werden. Wenn bestimmt wird, dass der PF nicht aktiv regeneriert werden soll (NEIN), kehrt das Verfahren 500 zu 502 zurück. Auf diese Weise kann PM, das in dem PF gespeichert ist, zumindest teilweise in der passiven Weise oxidiert werden, bis die aktive Regenerierung aufgerufen wird. Wenn bestimmt wird, dass der PF aktiv regeneriert werden soll (JA), schreitet das Verfahren 500 zu 510 fort.
Bei 510 wird bestimmt, ob der PF bei einer Regenerierungstemperatur ist oder nicht. Die PF-Temperatur kann beispielsweise auf der Grundlage einer Ausgabe eines Abgastemperatursensors wie etwa des Temperatursensors 335 von 3A bestimmt werden. Die Regenerierungstemperatur kann eine Filterregenerierungs-Anspringtemperatur sein, bei der, ausreichend überschüssigen Sauerstoff vorausgesetzt, das angesammelte PM in dem PF oxidiert werden kann. Wenn bestimmt wird, dass der PF nicht bei der Regenerierungstemperatur (beispielsweise darunter) liegt (NEIN), schreitet das Verfahren 500 zu 512 fort, wo die Abgastemperatur in dem Bemühen, den PF auf die Regenerierungstemperatur zu bringen, erhöht wird. Die Abgastemperatur kann auch gesteuert werden, um eine gewünschte Rate der PM-Oxidation zu erzielen. Das Erhöhen der Abgastemperatur bei 512 kann ein Verzögern einer Zündzeitvorgabe, ein Erhöhen einer Drosselöffnung (beispielsweise ein Öffnen der Drossel 62 von 1), ein Erhöhen der Kraftmaschinendrehzahl und/oder ein Erhöhen der Kraftmaschinenlast und/oder weiteres umfassen. Wenn bestimmt wird, dass der PF bei der Regenerierungstemperatur liegt (JA) (beispielsweise größer oder gleich ist), schreitet das Verfahren 500 zu 516 fort.
Bei 516 des Verfahrens 500 wird die aktive Regenerierung des PF eingeleitet. Die Einleitung der aktiven PF-Regenerierung kann bei 518 ein Einleiten der Schubabschaltung (DFSO), um Sauerstoff für die PM-Oxidation bereitzustellen, umfassen. In einigen Beispielen kann die DFSO wie oben beschrieben nur unter ausgewählten Bedingungen eingeleitet werden; beispielsweise kann die DFSO eingeleitet werden, wenn die Kraftmaschinendrehzahl und/oder -last unter jeweiligen Schwellen liegen und/oder andere Eingaben (z. B. die Fahrpedalstellung) keine unmittelbar bevorstehende Fahrerpedalbetätigung oder Anforderung von Drehmoment angeben. Durch Einleiten der DFSO können dem PF ausreichende Mengen an überschüssigem Sauerstoff zugeführt werden, die in Kombination mit einer ausreichenden Temperatur die Oxidation von angesammeltem PM und zumindest eine teilweise Regenerierung des PF ermöglichen. Somit kann der PF mittels überschüssigen Sauerstoffs, der aus der Kraftmaschine erhalten wird, aktiv regeneriert werden. Andere Ansätze können alternativ oder zusätzlich zu der DFSO verwendet werden, um überschüssigen Sauerstoff in dem PF zu erhöhen. Zum Beispiel können eine Drosselöffnung, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (beispielsweise Abmagerung) und/oder eine variable Nockenzeitvorgabe angepasst werden, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff zu erhöhen.
Bei 520 des Verfahrens 500 wird die DFSO optional verlängert, um den Sauerstoff, der in dem PF gespeichert ist, aufzufüllen. In einigen Beispielen kann die Verlängerung der DFSO bei 520 eine zweite Phase der DFSO nach einer ersten Phase der DFSO darstellen. Während der ersten Phase der DFSO kann überschüssiger Sauerstoff im Wesentlichen verwendet werden, um PM, das in dem PF gespeichert ist, zu oxidieren, und nicht für die Speicherung in dem PF für eine nachfolgende PM-Oxidation verwendet werden. Dementsprechend kann die erste Phase der DFSO für eine Dauer, in der die DFSO-Eintrittsbedingungen erfüllt sind und über die eine gewünschte Menge des gespeicherten PM oxidiert wird, verwendet werden. Während der zweiten Phase der DFSO kann überschüssiger Sauerstoff im Wesentlichen in dem PF für eine nachfolgende PM-Oxidation gespeichert werden und nicht für die Oxidation von PM, das momentan in dem PF gespeichert ist, verwendet werden. Die zweite Phase der DFSO kann durchgeführt werden, solange die DFSO Eintrittsbedingungen erfüllt sind und wenn eine Auffüllung des gespeicherten Sauerstoffs erwünscht ist und durchgeführt werden kann. In einigen Beispielen kann die Dauer, für die die DFSO bei 520 verlängert wird, auf der Durchflussrate von überschüssigem Sauerstoff und der Sauerstoffspeicherkapazität der ECD basieren. Beispielsweise kann die DFSO für eine Dauer verlängert werden, die in Anbetracht der Durchflussrate von überschüssigem Sauerstoff die Speicherung von Sauerstoff derart ermöglicht, dass ein gewünschter Anteil der Sauerstoffspeicherkapazität, z. B. 40–60 %, gefüllt wird. Sobald der gewünschte Prozentsatz der Sauerstoffspeicherkapazität gefüllt ist, kann die Verlängerung der DFSO beendet werden. Auf diese Weise kann die Dauer der aktiven PF-Regenerierung als Antwort auf die Sauerstoffspeicherkapazität des PF gesteuert werden. Nach 520 endet das Verfahren 500. Es versteht sich jedoch, dass das Verfahren 500 zu 502 zurückkehren kann, so dass das Verfahren auf einer iterativen Basis während des gesamten Kraftmaschinenbetriebs durchgeführt werden kann. Nach Beendigung der aktiven PF-Regenerierung kann sich die passive PF-Regenerierung fortsetzen, und zwar beispielsweise unter Verwendung des gespeicherten Sauerstoffs, der als Ergebnis der Verlängerung der DFSO bei 520 gespeichert wird.
Es versteht sich auch, dass in manchen Beispielen die DFSO beendet werden kann, bevor eine gewünschte Menge an PM, die in dem PF gespeichert ist, oxidiert ist oder bevor der gespeicherte Sauerstoff bis zu einem gewünschten Pegel aufgefüllt ist – beispielsweise aufgrund dessen, dass die Betriebsbedingungen nicht mehr für die DFSO geeignet sind. Die DFSO kann beispielsweise als Antwort auf eine Fahrerpedalbetätigung beendet werden. In jedem Fall können die PM-Oxidation und/oder die Sauerstoffspeicherauffüllung an dem Punkt wiederaufgenommen werden, an dem sie beendet worden sind, sobald die DFSO anschließend eingeleitet wird. In einigen Beispielen können andere Maßnahmen als die DFSO durchgeführt werden, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff zu dem PF zu erhöhen, wenn die DFSO nicht ausgeführt werden kann, einschließlich der oben beschriebenen wie etwa der Anpassung (z. B. Abmagerung) des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Zum Beispiel kann nach der ersten Phase der aktiven PF-Regenerierung, bei der eine gewünschte Menge an PM, das in dem PF gespeichert ist, oxidiert wird, der Luft-Kraftstoff-Betrieb auf der Grundlage der Sauerstoffmenge, die in dem PF gespeichert ist, angepasst werden, wenn die zweite Phase der aktiven PF-Regenerierung nicht durchgeführt werden kann. In einem Beispiel kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Ausmaß, das proportional zu der Differenz zwischen der Menge an Sauerstoff, die in dem PF gespeichert ist, und einer gewünschten Menge an Sauerstoff, die in dem PF gespeichert ist, abgemagert werden – beispielsweise kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem größeren Ausmaß für eine relativ größere Differenz zwischen dem gespeichertem Sauerstoffpegel und dem gewünschten gespeicherten Sauerstoffpegel abgemagert werden und in einem geringeren Ausmaß für eine relativ geringere Differenz zwischen den beiden Sauerstoffpegeln abgemagert werden. In anderen Beispielen wird die Sauerstoffspeicherkapazität des PF möglicherweise auch nach Beenden der zweiten Phase der aktiven PF-Regenerierung nicht in einem gewünschten Maße gefüllt sein; in diesem Fall können eine oder mehrere der vorstehend beschriebenen Maßnahmen durchgeführt werden, um überschüssigen Sauerstoff zuzuführen, um die gewünschte Wiederauffüllung der Sauerstoffspeicherkapazität zu vervollständigen, wie etwa eine Abmagerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, wobei das Ausmaß der Abmagerung proportional zu der gewünschten Auffüllung sein kann. Auf diese Weise kann der Luft-Kraftstoff-Betrieb nach Abschluss der aktiven PF-Regenerierung basierend auf dem tatsächlichen Sauerstoffspeicherpegel in dem PF angepasst werden.
Andere Maßnahmen, die nicht in 5 gezeigt sind, können als Teil des Verfahrens 500 ausgeführt werden. Wie oben beschrieben hängt die Regenerierungsreaktion an einem PF stark von der Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff und der Temperatur ab; eine übermäßige Sauerstoffversorgung und Temperatur können die Regenerierungsreaktion sowohl verschlechtern als auch beenden. Daher kann das Verfahren 500 ein Begrenzen der Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff und/oder der Abgastemperatur umfassen, wenn bestimmt wird, dass sie eine jeweilige Schwelle überschreiten oder überschreiten werden. Ferner kann wie oben beschrieben die Abgastemperatur gesteuert werden, um eine gewünschte Regenerierungsrate zu erreichen. Allgemeiner kann das Verfahren 500 abgewandelt werden, ohne von dem Schutzbereich dieser Offenbarung abzuweichen.
Somit kann das Verfahren 500 wie gezeigt und beschrieben die Regenerierung eines Partikelfilters unter Berücksichtigung der Versorgung des PF mit überschüssigem Sauerstoff als auch der Sauerstoffspeicherkapazität der gesamten Emissionsregelungsvorrichtung ermöglichen. Das Verfahren 500 ermöglicht sowohl eine passive Filterregenerierung, bei der ein PF zumindest teilweise ohne Anpassen des Kraftmaschinenbetriebs, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff zu erhöhen, regeneriert werden kann, indem Sauerstoff, der vorher in der ECD gespeichert worden ist, verwendet wird, als auch eine aktive Regenerierung, bei der der Kraftmaschinenbetrieb abgewandelt werden kann, um die Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff für die Filterregenerierung und gegebenenfalls die zumindest teilweise Wiederauffüllung der Sauerstoffspeicherkapazität der ECD zu erhöhen.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 500 in Verbindung mit einer ECD verwendet werden, die einen Katalysator und einen Partikelfilter umfasst und eine erhöhte Sauerstoffspeicherkapazität aufweist, da ein Abschnitt von mindestens einer inerten Komponente eines Washcoats, der auf dem Katalysator und/oder dem Filter angeordnet ist, mit zusätzlichen Sauerstoffspeichermaterialien ersetzt ist. Eine solche ECD kann die oben beschriebene ECD 302 (3A) oder die oben beschriebene ECD 402 (4A) sein, bei der γ-Al₂O₃, eine inerte Komponente eines Washcoats, zumindest teilweise mit CeO₂, einem Sauerstoffspeichermaterial, ersetzt sein kann. Auf diese Weise kann die passive Filterregenerierung durch erhöhte Speicherung von Sauerstoff in der ECD gründlicher gemacht werden, was die Häufigkeit, mit der die aktive und passive Filterregenerierung verwendet wird, reduzieren kann. Außerdem kann aufgrund der erhöhten Sauerstoffspeicherkapazität der ECD die Häufigkeit, mit der überschüssiger Sauerstoff zur Speicherung in der ECD geliefert wird, reduziert werden. Beide Effekte können die Kraftmaschinenemissionen reduzieren und beispielsweise den Kraftstoffverbrauch und das Fahrverhalten des Fahrzeugs verbessern.
6 zeigt einen Graph 600, der darstellt, wie die Filterregenerierung als eine Funktion der Sauerstoffspeicherkapazität variiert. Der Graph 600 zeigt verschiedene Parameter für vier beispielhafte Filterregenerierungsereignisse, die Sauerstoff nutzen, der in einer Emissionsregelungsvorrichtung gespeichert ist, die den Filter enthält (z. B. in Sauerstoffspeichermaterialien gespeichert ist, die in dem Filter und/oder einem Katalysator, der in einigen Beispielen mit dem Filter in einem einzigen Gehäuse integriert sein kann, enthalten sind), um Ruß und/oder anderes Partikelmaterial, das in dem Filter gespeichert ist, zu oxidieren. Die vier Filterregenerierungsereignisse können beispielsweise in einer Testumgebung durchgeführt worden sein und dort können ihre zugehörigen Daten erhalten worden sein, wobei der gespeicherte Sauerstoff verwendet wird, um einen Filter ohne Eingreifen der aktiven Filterregenerierung und Anpassen des Kraftmaschinenbetriebs zur Filterregenerierung passiv zu regenerieren. Es sind jedoch Implementierungen möglich, bei denen die Filterregenerierungsereignisse eine aktive Regenerierung enthielten, die in einigen Beispielen in einem im Wesentlichen gleichen Ausmaß (z. B. innerhalb 5 %) verwendet worden sein kann. Die partielle Regenerierung ist für jedes Filterregenerierungsereignis durch Diamanten gezeigt, wobei die partielle Regenerierung das Verhältnis des gespeicherten PM, das nach Beendigung der Regenerierung oxidiert ist, zu dem Verhältnis des gesamten gespeicherten PM vor dem Einleiten der Regenerierung ist. Die Rußbeladung, die durch Quadrate dargestellt ist, ist ebenfalls für jedes Filterregenerierungsereignis gezeigt, wobei sie den Rußpegel in Gramm pro Liter, der in dem Filter vor der Regenerierung gespeichert ist, liefert. Der Graph 600 zeigt ferner die Sauerstoffspeicherkapazität in Mikromol, die von dem Filter bei jedem Regenerierungsereignis angenommen wird.
Wie in 6 ersichtlich weisen die vier Filterereignisse eine sehr lineare Korrelation zwischen der partiellen Regenerierung und der Sauerstoffspeicherkapazität auf. Genauer gesagt zeigen die in 6 dargestellten Daten, dass die partielle Regenerierung in einer sehr linearen Weise mit der Sauerstoffspeicherkapazität steigt, so dass sich eine relativ höhere partielle Regenerierung ergeben kann, wenn ein Filter eine relativ höhere Sauerstoffspeicherkapazität umfasst, und sich eine relativ geringere partielle Regenerierung ergeben kann, wenn der Filter eine relativ geringere Sauerstoffspeicherkapazität umfasst. In einigen Szenarien kann dieses Ergebnis lediglich eine Folge der erhöhten (oder verringerten) Speicherung von Sauerstoff sein, wie sie durch die momentane Sauerstoffspeicherkapazität bestimmt ist. Als nicht einschränkendes Beispiel ist eine lineare Funktion, die durch eine Linie 602 dargestellt ist, an die Daten der vier Filterregenerierungsereignisse angepasst worden, die eine Steigung von 0,0003, einen Y-Achsenabschnitt von 0,3497 und einen Bestimmungskoeffizient von 0,9271 aufweist.
Der Graph 600 veranschaulicht daher, warum die Maximierung der Sauerstoffspeicherkapazität einer Emissionsregelungsvorrichtung erwünscht sein kann, um die partielle Regenerierung, die sich aus der Regenerierung eines Filters ergibt, unter Verwendung zumindest eines Teils des in der Emissionsregelungsvorrichtung gespeicherten Sauerstoffs zu maximieren. Durch Erhöhen der Sauerstoffspeicherkapazität kann ein größerer Anteil an Sauerstoff für Regenerierungsereignisse gespeichert werden, wodurch die Zeiten, in denen der Filter passiv und nicht aktiv regeneriert wird, erhöht werden. Ein Ersetzen zumindest eines Teils der aktiven Filterregenerierung mit passiver Regenerierung verringerte die Häufigkeit, mit der der Kraftmaschinenbetrieb für die aktive Regenerierung abgewandelt wird, was die Emissionen reduzieren kann und den Kraftstoffverbrauch und das Fahrverhalten des Fahrzeugs verbessern kann. Wie oben beschrieben kann in einigen Beispielen die Sauerstoffspeicherkapazität einer Emissionsregelungsvorrichtung ohne Erhöhen des Gewichts der Emissionsregelungsvorrichtung durch Ersetzen der inerten Washcoat-Materialien mit Sauerstoffspeichermaterialien erhöht werden. Eine erhöhte Sauerstoffspeicherkapazität kann auch eine bessere Ausnutzung der Ereignisse, bei denen überschüssiger Sauerstoff für eine Emissionsregelungsvorrichtung zur Sauerstoffspeicherung bereitgestellt wird, ermöglichen.
Es ist zu beachten, dass die hierin enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Kraftmaschinen- und/oder Fahrzeugsystemanordnungen verwendbar sind. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Befehle in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sein und können durch das Steuersystem, das den Controller in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktoren und anderer Kraftmaschinenhardware umfasst, ausgeführt werden. Die spezifischen Routinen, die hier beschrieben sind, können eine oder mehrere von einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien wie z.B. einer ereignisgesteuerten Strategie, einer unterbrechungsgesteuerten Strategie, Mehrprozessbetrieb, Mehrsträngigkeit und dergleichen darstellen. Daher können verschiedene Vorgänge, Operationen und/oder Funktionen in der dargestellten Abfolge oder parallel durchgeführt werden oder in einigen Fällen auch weggelassen werden. Ebenso ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zu erreichen, sondern dient lediglich zur Erleichterung der Darstellung und Beschreibung. Eine oder mehrere der dargestellten Vorgänge, Operationen und/oder Funktionen können abhängig von der jeweils verwendeten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Vorgänge, Operationen und/oder Funktionen grafisch einen Code darstellen, der in einen nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Kraftmaschinensteuerungssystem programmiert werden soll, wobei die beschriebenen Vorgänge durch Ausführen der Befehle in einem System, das verschiedene Hardwarekomponenten in Kombination mit dem elektronischen Controller umfasst, durchgeführt werden.
Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhaft sind, und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne aufzufassen sind, da zahlreiche Varianten möglich sind. Die obige Technologie ist zum Beispiel auf V6-, I4-, I6-, V12-, Boxer-4- und andere Kraftmaschinentypen anwendbar. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und anderer Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart sind.
Die folgenden Ansprüche heben bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen, die als neuartig und nicht offensichtlich betrachtet werden, besonders hervor. Diese Ansprüche beziehen sich möglicherweise auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder das Äquivalent davon. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie den Einschluss eines oder mehrerer dieser Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehr von diesen Elementen weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob ihr Schutzbereich weiter, enger, gleich oder anders in Bezug auf die ursprünglichen Ansprüche ist, auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.

Claims

Verfahren für eine Emissionsregelungsvorrichtung, die einen Katalysator und einen Filter aufweist, das Folgendes umfasst: passives Regenerieren des Filters; und Anpassen einer Dauer der aktiven Regenerierung des Filters auf der Basis einer Sauerstoffspeicherkapazität der Emissionsregelungsvorrichtung mittels eines Controllers.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Bestimmen einer Menge an in dem Filter gespeichertem Partikelmaterial; und aktives Regenerieren des Filters, wenn die Menge an Partikelmaterial größer oder gleich einer Schwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das passive Regenerieren des Filters ein Oxidieren von in dem Filter gespeichertem Partikelmaterial mit in der Emissionsregelungsvorrichtung gespeichertem Sauerstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: dann, wenn eine Filtertemperatur größer oder gleich einer Filterregenerierungstemperatur ist, aktives Regenerieren des Filters; und dann, wenn die Filtertemperatur geringer als die Filterregenerierungstemperatur ist, Erhöhen einer Abgastemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktive Regenerierung des Filters ein Einleiten einer Schubabschaltung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner ein Verlängern einer Dauer der Schubabschaltung, um zumindest einen Teil des in der Emissionsregelungsvorrichtung gespeicherten Sauerstoffs aufzufüllen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Bestimmen der Sauerstoffspeicherkapazität der Emissionsregelungsvorrichtung auf Basis einer Ausgabe aus einem ersten Sauerstoffsensor und einer Ausgabe aus einem zweiten Sauerstoffsensor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktive Regenerierung des Filters ein Erhöhen der Zufuhr von überschüssigem Sauerstoff zu der Emissionsregelungsvorrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktive Regenerierung des Filters nach einem Bestimmen, dass ein Schwellenpegel des in dem Filter gespeicherten Partikelmaterials oxidiert worden ist, beendet wird, wobei das Verfahren ferner nach Beendigung der aktiven Regenerierung des Filters ein passives Regenerieren des Filters mit in der Emissionsregelungsvorrichtung gespeichertem Sauerstoff umfasst, wobei der gespeicherte Sauerstoff als ein Ergebnis der aktiven Regenerierung des Filters in der Emissionsregelungsvorrichtung gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Katalysator ein Dreiwegekatalysator ist und wobei der Filter ein Benzinpartikelfilter ist.
Verfahren für eine Emissionsregelungsvorrichtung, die einen Katalysator und einen Filter aufweist, das Folgendes umfasst: passives Regenerieren des Filters; Anpassen der Dauer der aktiven Regenerierung des Filters auf der Basis einer Sauerstoffspeicherkapazität der Emissionsregelungsvorrichtung mittels eines Controllers; und Anpassen des Luft-Kraftstoff-Betriebs nach Abschluss der aktiven Regenerierung auf der Basis des tatsächlichen Sauerstoffspeicherpegels.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anpassen des Luft-Kraftstoff-Betriebs eine Abmagerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, um überschüssigen Sauerstoff in dem Filter zu erhöhen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Filter als Antwort darauf, dass eine Menge an in dem Filter gespeichertem Partikelmaterial größer oder gleich einer Schwelle ist, aktiv regeneriert wird, wobei die aktive Regenerierung eine Einleitung der Schubabschaltung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die aktive Regenerierung eine erste Phase, in der in dem Filter gespeichertes Partikelmaterial mit in der Emissionsregelungsvorrichtung gespeichertem Sauerstoff oxidiert wird, und eine zweite Phase, in der die Sauerstoffspeicherkapazität zumindest teilweise aufgefüllt wird, umfasst.
Kraftmaschinensystem, das Folgendes umfasst: eine Kraftmaschine; eine Emissionsregelungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, Abgase aus der Kraftmaschine aufzunehmen, wobei die Emissionsregelungsvorrichtung Folgendes umfasst: einen Katalysator; einen Partikelfilter; und ein oder mehrere Sauerstoffspeichermaterialien, die dazu ausgelegt sind, Sauerstoff zu speichern, einen Kraftmaschinencontroller, der einen Prozessor und einen computerlesbaren Speicher umfasst, wobei der computerlesbare Speicher Befehle enthält, die durch den Prozessor ausführbar sind, um Folgendes durchzuführen: Bestimmen einer Menge an in dem Filter gespeichertem Partikelmaterial; passives Regenerieren des Partikelfilters mit in dem einen oder den mehreren Sauerstoffspeichermaterialien gespeichertem Sauerstoff; aktives Regenerieren des Partikelfilters mit überschüssigem Sauerstoff, der aus der Kraftmaschine erhalten wird, wenn die Menge an Partikelmaterial größer oder gleich der Schwelle ist; und Steuern einer Dauer der aktiven Regenerierung auf der Basis einer Sauerstoffspeicherkapazität des einen oder der mehreren Sauerstoffspeichermaterialien.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 15, wobei der Katalysator und der Partikelfilter in jeweiligen Gehäusen angeordnet sind, die voneinander getrennt sind, und wobei das eine oder die mehreren Sauerstoffspeichermaterialien in einem Washcoat des Katalysators und/oder einem Washcoat des Partikelfilters eingebettet sind.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 15, wobei der Katalysator und der Partikelfilter in einem einzelnen Gehäuse mit einem Washcoat, der das eine oder die mehreren Sauerstoffspeichermaterialien umfasst, integriert sind.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 15, wobei der Katalysator einen Katalysator-Washcoat umfasst, wobei der Partikelfilter einen Filter-Washcoat umfasst und wobei zumindest ein Teil des einen oder der mehreren Sauerstoffspeichermaterialien in dem Filter-Washcoat eingebettet ist, wobei der Teil des einen oder der mehreren Sauerstoffspeichermaterialien mindestens einen Teil eines inerten Materials des Filter-Washcoats ersetzt.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 18, wobei der Teil des einen oder der mehreren Sauerstoffspeichermaterialien im Wesentlichen gleich dem ersetzten Teil des inerten Materials ist, um ein Gewicht des Partikelfilters nicht zu erhöhen.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 18, wobei das eine oder die mehreren Sauerstoffspeichermaterialien Ce-Zr umfassen, und wobei das inerte Material Al₂O₃ ist.