DE102017102098A1

DE102017102098A1 - Verfahren und system zum reduzieren von partikelemissionen

Info

Publication number: DE102017102098A1
Application number: DE102017102098.5A
Authority: DE
Inventors: Joseph Norman Ulrey; Paul M. Laing; Michael James Uhrich
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-02-11
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2017-08-17
Also published as: RU2017102224A; RU2678866C2; US9920679B2; CN107060955A; US10590827B2; RU2017102224A3; US20180142600A1; CN107060955B; US20170234196A1

Abstract

Bereitgestellt werden Verfahren und Systeme zum Filtern von Feinstaub in einer Auslassleitung eines Kraftmaschinensystems. In einem Beispiel kann ein Verfahren während einer Kaltstartbedingung, die eine Kraftmaschinentemperatur umfasst, die niedriger als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, ein Leiten von Kraftmaschinenabgas zu einem Abgaspartikelfilter beinhalten, und während einer Bedingung einer warmen Kraftmaschine ein Leiten von Kraftmaschinenabgas zum Umgehen des Abgaspartikelfilters, wobei die Bedingung einer warmen Kraftmaschine umfasst, dass die Kraftmaschinentemperatur größer als die oder gleich der Schwellenkraftmaschinentemperatur ist und Kraftstoff in der Kraftmaschine verbrannt wird. Auf diese Weise kann der Abgaspartikelfilter während Kraftmaschinenabschaltereignissen wie SAS zuverlässig regeneriert werden, während eine Qualitätsverschlechterung des Filters reduziert wird und Feinstaubemissionen gesenkt werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein die Konstruktion und den Gebrauch eines Kraftmaschinenabgassystems zum Reduzieren von Partikelemissionen von einer Brennkraftmaschine.
Hintergrund/Kurzdarstellung
Bei der Kraftmaschinenverbrennung unter Verwendung von Diesel- oder Benzinkraftstoff können Feinstaubpartikel (PM – Particulate Matter) entstehen (beispielsweise Ruß und Aerosole), die an die Atmosphäre abgegeben werden können. Um zu ermöglichen, dass die Emissionen den Vorschriften entsprechen, können in den Kraftmaschinenabgasstrom Partikelfilter wie Dieselpartikelfilter (DPF) und Benzinpartikelfilter (GPF – Gasoline Particulate Filter) integriert werden, die vor dem Abgeben der Abgase die in den Abgasen enthaltenen Feinstaubpartikel ausfiltern. Partikelfilter, die mit Feinstaubpartikeln zugesetzt sind, können lokal während Kraftstoffschubabschaltungsereignissen (SAS-Ereignissen) durch Transportieren von überschüssigem Sauerstoff zum Filter und Erhöhen der Filtertemperatur zum Oxidieren der Feinstaubpartikel regeneriert werden. Ein von Bidner et. al. im US-Patent 8,424,295 gezeigter Beispielansatz legt ein Erhöhen von überschüssigem Sauerstoff zum Partikelfilter während Kraftmaschinenabschaltbedingungen und ein Regenerieren des Partikelfilters mindestens während eines Teils der Kraftmaschinenabschaltung offen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch mögliche Nachteile beim vorstehenden Ansatz erkannt. Der Sauerstofffluss zum Filter während der SAS oder andere Kraftmaschinenabschaltereignisse können die Filtertemperatur übermäßig erhöhen, was zu einer vorzeitigen Qualitätsverschlechterung des Filters führt. Ferner kann das Einsetzen von Strategien zum Begrenzen der SAS-Dauer zum Verringern einer übermäßig hohen Partikelfiltertemperaturerhöhung und einer vorzeitigen Qualitätsverschlechterung des Filters die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verringern und kann auch die Fahrbarkeit reduzieren. Ferner ist es während kurzer Kraftmaschinenlaufzeiten (z. B. während Kurzstreckenfahrten) möglich, dass die Partikelfiltertemperatur keine für die Regeneration ausreichend hohe Temperatur erreicht.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einen Ansatz identifiziert, mit dem die vorstehend genannten Probleme zumindest teilweise in Angriff genommen werden können. In einem Beispiel kann ein Verfahren für eine Brennkraftmaschine Folgendes umfassen: während einer Kaltstartbedingung, die eine Kraftmaschinentemperatur umfasst, die niedriger als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, Leiten von Kraftmaschinenabgas zu einem Abgaspartikelfilter; und während einer Bedingung einer warmen Kraftmaschine Leiten von Kraftmaschinenabgas zum Umgehen des Abgaspartikelfilters, wobei die Bedingung einer warmen Kraftmaschine umfasst, dass die Kraftmaschinentemperatur höher als die oder gleich der Schwellenkraftmaschinentemperatur ist und Kraftstoff in der Kraftmaschine verbrannt wird.
In einem weiteren Beispiel kann ein Verfahren Folgendes umfassen: in Reaktion darauf, dass eine Kraftmaschinentemperatur größer als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, Leiten von Abgas zum Umgehen eines Abgaspartikelfilters während einer Kraftmaschinenkraftstoffverbrennung, und Heizen des Abgaspartikelfilters, wenn eine Abgaspartikelfiltertemperatur unter eine Schwellenfiltertemperatur sinkt; und in Reaktion darauf, dass eine Kraftmaschinentemperatur niedriger als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, Leiten von Abgas zum Abgaspartikelfilter und Beenden des Heizens des Abgaspartikelfilters.
In einem weiteren Beispiel kann ein Kraftmaschinensystem Folgendes umfassen: eine Kraftmaschine; einen Abgaspartikelfilter, positioniert in einer Abgasumgehungsleitung, der Kraftmaschine nachgelagert; ein Abgasumlenkventil, der Abgasumgehungsleitung vorgelagert positioniert; und eine Steuerung, die ausführbare Anweisungen beinhaltet, um während einer ersten Bedingung, die eine Kraftmaschinentemperatur umfasst, die niedriger als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, das Abgasumlenkventil so zu positionieren, dass es Kraftmaschinenabgas zur Abgasumgehungsleitung und zum Abgaspartikelfilter leitet; und während einer zweiten Bedingung Positionieren des Abgasumlenkventils, sodass Kraftmaschinenabgas so geleitet wird, dass es die Abgasumgehungsleitung umgeht, wobei die zweite Bedingung umfasst, dass die Kraftmaschinentemperatur höher als die oder gleich der Schwellenkraftmaschinentemperatur ist und Kraftstoff in der Kraftmaschine verbrannt wird.
Auf diese Weise kann der technische Effekt erreicht werden, dass der Abgaspartikelfilter ohne vorzeitige Qualitätsverschlechterung während Kraftmaschinenabschaltereignissen wie SAS zuverlässig regeneriert werden kann. Darüber hinaus bleiben durch Vermeiden einer Einschränkung der Kraftmaschinenabschaltereignisse Fahrbarkeit und Kraftstoffwirtschaftlichkeit erhalten. Weiterhin kann durch Umleiten des Abgasstroms zum Abgaspartikelfilter während Kraftmaschinenkaltstartbedingungen und Umgehen des Abgaspartikelfilters während Verbrennungsbedingungen einer warmen Kraftmaschine die Abgaspartikelfiltergröße reduziert werden, wodurch Herstellungskosten gesenkt werden und die Zuverlässigkeit verbessert wird, während das Niveau der Feinstaubemissionen des Fahrzeugs beibehalten bleibt. Weiterhin kann durch Heizen des Abgaspartikelfilters während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine und während der Kraftmaschinenkraftstoffverbrennung die Abgaspartikelfiltertemperatur auf eine Temperatur vorgewärmt werden, die zur Regeneration des Filters hoch genug ist.
Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine Schlüsselmerkmale oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, dessen Schutzbereich einzig durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Zudem beschränkt sich der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Umsetzungen, welche die oben oder in einem anderen Teil der vorliegenden Offenbarung genannten Nachteile lösen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein beispielhaftes Kraftmaschinensystem, das einen Abgaspartikelfilter beinhaltet, der einer Abgasreinigungsvorrichtung nachgelagert positioniert ist.
2 zeigt ein Diagramm einer kumulativen Feinstaubpartikelerzeugung von einem Fahrzeug, das gemäß einem neuen europäischen Fahrzyklus (NEDC – New European Driving Cycle) getestet wurde.
Die 3 und 4 zeigen beispielhafte Abgassysteme des Kraftmaschinensystems von 1, das ein Abgasumlenkventil und einen Abgaspartikelfilter beinhaltet.
5 zeigt ein Flowchart für ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines Kraftmaschinensystems, das ein Abgasumlenkventil und einen Abgaspartikelfilter beinhaltet.
6 zeigt eine beispielhafte Zeitleiste, die den Betrieb eines Kraftmaschinensystems darstellt, das ein Abgasumlenkventil und einen Abgaspartikelfilter beinhaltet.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zum Reduzieren von Partikelemissionen von einer Kraftmaschine, die ein Abgasumlenkventil und einen Abgaspartikelfilter beinhaltet. Ein Fahrzeugkraftmaschinensystem, das einen Abgaspartikelfilter beinhaltet, kann dazu ausgelegt sein, mit Kraftstoffen wie Diesel oder Benzin zu arbeiten, wie in 1 gezeigt. Der Abgaspartikelfilter kann einen Dieselpartikelfilter (DPF), einen Benzinpartikelfilter (GPF) und Ähnliches beinhalten, um Feinstaubpartikel (PM) im Kraftmaschinenabgas zu filtern. Der Abgaspartikelfilter kann Feinstaubpartikel während der Fahrt des Fahrzeugs erfassen, wie durch das Diagramm in 2 dargestellt. Wie in den 3–4 gezeigt, kann das Abgas über ein Abgasumlenkventil in der Hauptauslassleitung an einen Abgaspartikelfilter geleitet werden, der in einer Abgasumgehungsleitung angeordnet ist. Ein Verfahren zum Betreiben des Kraftmaschinensystems, das das Abgasumlenkventil zum Leiten von Abgas zum Abgaspartikelfilter beinhaltet, wird in 5 gezeigt. 6 stellt eine beispielhafte Zeitleiste zum Betreiben eines Kraftmaschinensystems über das Verfahren aus 5 dar. Auf diese Weise können Fahrzeugemissionen reduziert werden, während die Kraftstoffwirtschaftlichkeit, die Fahrbarkeit des Fahrzeugs und die Zuverlässigkeit des Kraftmaschinensystems aufrechterhalten bleiben.
1 ist eine schematische Darstellung, die einen Zylinder einer Mehrzylinderkraftmaschine 10 in einem Kraftmaschinensystem 100 zeigt, das in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs enthalten sein kann. Die Kraftmaschine 10 kann zumindest teilweise durch ein Steuerungssystem, das eine Steuerung 12 umfasst, und Eingaben von einem Fahrzeugbediener 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 130 ein Fahrpedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals. Eine Brennkammer 30 der Kraftmaschine 10 beinhaltet einen durch Zylinderwände 32 gebildeten Zylinder mit einem darin positionierten Kolben 36. Der Kolben 36 kann mit einer Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, sodass eine Auf- und Abbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein Zwischengetriebesystem mit mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlassermotor mit der Kurbelwelle 40 über ein Schwungrad gekoppelt sein, um eine Betriebsaufnahme der Kraftmaschine 10 zu ermöglichen.
Die Brennkammer 30 kann Einlassluft über eine Einlassleitung 42 von einem Einlasskrümmer 44 empfangen und kann Verbrennungsgase über eine Auslassleitung (z. B. ein Abgasrohr) 48 auslassen. Der Einlasskrümmer 44 und die Auslassleitung 48 (z. B. die Hauptauslassleitung) können über ein Einlassventil 52 bzw. Auslassventil 54 gezielt mit der Brennkammer 30 kommunizieren. In einigen Beispielen kann die Brennkammer 30 zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile umfassen.
In diesem Beispiel können das Einlassventil 52 und das Auslassventil 54 über Nockenbetätigungssysteme 51 bzw. 53 durch Nockenbetätigung gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 können jeweils einen oder mehrere Nocken umfassen und ein oder mehrere Systeme mit Nockenprofilschaltung (CPS – Cam Profile Switching), variabler Nockenwellensteuerung (VCT – Variable Cam Timing), variabler Ventilsteuerung (VVT – Variable Valve Timing) und/oder variabler Ventilhubsteuerung (VVL – Variable Valve Lift) benutzen, die von der Steuerung 12 zum Variieren des Ventilbetriebs betrieben werden können. Die Position des Einlassventils 52 und des Auslassventils 54 kann durch die Positionssensoren 55 bzw. 57 bestimmt werden. In alternativen Beispielen können das Einlassventil 52 und/oder das Auslassventil 54 durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Zum Beispiel kann der Zylinder 30 alternativ ein Einlassventil, das durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Auslassventil, das über Nockenbetätigung, darunter CPS- und/oder VCT-Systeme, gesteuert wird, umfassen.
Es ist eine Kraftstoffeinspritzdüse 69 gezeigt, die direkt mit der Brennkammer 30 gekoppelt ist, um Kraftstoff proportional zu der Impulsbreite eines von der Steuerung 12 empfangenen Signals direkt darin einzuspritzen. Auf diese Weise stellt die Kraftstoffeinspritzdüse 69 das bereit, was als Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer 30 bekannt ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse kann z. B. in der Seite der Brennkammer (wie gezeigt) oder im Oberteil der Brennkammer angebracht sein. Der Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzdüse 69 durch ein Kraftstoffsystem (nicht gezeigt) zugeführt werden, das einen Kraftstofftank, eine oder mehrere Kraftstoffpumpen und einen Kraftstoffverteiler umfasst. In einigen Beispielen kann die Brennkammer 30 alternativ oder zusätzlich dazu eine Kraftstoffeinspritzdüse umfassen, die im Einlasskrümmer 44 in einer Auslegung angeordnet ist, die das bereitstellt, was als Kanaleinspritzung von Kraftstoff in den der Brennkammer 30 vorgelagerten Einlasskanal bekannt ist. Die Strömungsraten der Kraftstoffeinspritzung können geschätzt und/oder anhand der von der Kraftstoffpumpe an die Kraftstoffeinspritzungen übertragenen Raten gemessen werden. Der Kraftstoff kann Benzin, Diesel, Ethanolgemische, Biodiesel und eine Kombination daraus umfassen.
Das Zünden wird der Brennkammer 30 über die Zündkerze 66 bereitgestellt. Das Zündsystem kann ferner eine Zündspule (nicht gezeigt) zum Erhöhen der der Zündkerze 66 zugeführten Spannung umfassen. In anderen Beispielen, wie etwa bei einer Dieselkraftmaschine, kann die Zündkerze 66 weggelassen werden.
Die Einlassleitung 42 kann eine Drosselklappe 62 mit einer Drosselscheibe 64 umfassen. In diesem bestimmten Beispiel kann die Position der Drosselscheibe 64 von der Steuerung 12 mittels eines Signals variiert werden, das einem Elektromotor oder Aktuator bereitgestellt wird, die in der Drosselklappe 62 enthalten sind, wobei diese Auslegung allgemein als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC – Electronic Throttle Control) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Drosselklappe 62 betrieben werden, um die Einlassluft zu variieren, die der Brennkammer 30 neben anderen Kraftmaschinenzylindern bereitgestellt wird. Die Position der Drosselscheibe 64 kann der Steuerung 12 über ein Drosselklappenpositionssignal bereitgestellt werden. Die Einlassleitung 42 kann einen Luftmassensensor 120 und einen Einlasskrümmerdrucksensor 122 zum Erfassen der in die Kraftmaschine 10 eintretenden Luft umfassen.
Gezeigt wird ein Abgassensor 126, der gemäß einer Richtung des Abgasstroms einem Abgasrückführungssystem 140 und einer Abgasreinigungsvorrichtung 70 nachgelagert und mit der Auslassleitung 48 gekoppelt ist. Der Sensor 126 kann jeder zur Bereitstellung einer Anzeige des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas geeignete Sensor sein, wie etwa ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (Universal or widerange Exhaust Gas Oxygen-Universal- oder Breitbandabgassauerstoffsensor), ein Zweizustandssauerstoffsensor oder ein EGO-, ein HEGO-(Heated EGO-), ein NO_x-, ein HC- oder ein CO-Sensor. In einem Beispiel ist der vorgelagerte Abgassensor 126 ein UEGO, der dazu ausgelegt ist, einen Ausgang bereitzustellen, wie etwa ein Spannungssignal, das proportional zu der im Abgas vorhandenen Sauerstoffmenge ist. Die Steuerung 12 wandelt den Sauerstoffsensorausgang über eine Sauerstoffsensorübertragungsfunktion in ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas um.
Ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) 140 kann einen gewünschten Anteil von Abgas aus der Auslassleitung 48 über den AGR-Kanal 152 zum Einlasskrümmer 44 leiten. Die dem Einlasskrümmer 44 zugeführte AGR-Menge kann durch die Steuerung 12 über das AGR-Ventil 144 variiert werden. Unter manchen Bedingungen kann das AGR-System 140 dazu verwendet werden, die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer zu regulieren und so ein Verfahren zum Steuern des Zündzeitpunkts während einiger Verbrennungsmodi bereitstellen.
Die Abgasreinigungsvorrichtung 70 ist in der Darstellung entlang der Auslassleitung 48 und dem Abgassensor 126 nachgelagert angeordnet. Die Abgasreinigungsvorrichtung 70 kann ein Drei-Wege-Katalysator (TWC – Three Way Catalyst), eine NO_x-Falle, verschiedene andere Abgasreinigungsvorrichtungen oder Kombinationen daraus sein. In einigen Beispielen kann die Abgasreinigungsvorrichtung 70 während des Betriebs der Kraftmaschine 10 durch Betreiben zumindest eines Zylinders der Kraftmaschine in einem bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis regelmäßig zurückgestellt werden.
Ein Partikelfilter 72 wird gezeigt, der entlang einer Abgasumgehungsleitung 82 von der Auslassleitung 48 weg und der Abgasreinigungsvorrichtung 70 nachgelagert angeordnet ist. Wie in der 1 gezeigt, kann in der Hauptauslassleitung 48 an der Einlassverzweigung der Abgasumgehungsleitung 82 ein Abgasumlenkventil 80 positioniert sein. Das Abgasumlenkventil 80 kann so positioniert sein, dass es entweder Abgas von der Hauptauslassleitung 48 zur Abgasumgehungsleitung 82 und zum Abgaspartikelfilter 72 umleitet, oder die Abgasumgehungsleitung 82 und den Abgaspartikelfilter 72 umgeht. Die Steuerung 12 kann das Betätigen des Abgasumlenkventils 80 steuern. Obwohl in 1 nicht gezeigt, kann dem Abgaspartikelfilter 72 in der Abgasumgehungsleitung 82 ein Rückschlagventil nachgelagert positioniert sein, um dem Abgaspartikelfilter 72 in der Hauptauslassleitung 48 nachgelagert ein Strömen von Abgasen zurück zur Abgasumgehungsleitung 82 zu verhindern. Am Abgaspartikelfilter 72 oder in seiner Nähe kann auch ein Partikelfiltertemperatursensor 76 zum Schätzen der Partikelfiltertemperatur positioniert sein. Ferner kann ein Partikelfilterheizer 78 thermisch mit dem Abgaspartikelfilter 72 gekoppelt werden. Der Partikelfilterheizer kann durch die Steuerung 12 zum Vorheizen des Partikelfilters 72 vor der Regeneration des Partikelfilters gesteuert werden.
Das durch die Abgasreinigungsvorrichtung 70 und den Partikelfilter 72 aufbereitete Abgas wird durch das Abgasendrohr 86 in die Atmosphäre abgegeben. Der Partikelfilter 72 kann ein Dieselpartikelfilter, ein Benzinpartikelfilter und dergleichen sein. Ein Substrat des Partikelfilters 72 kann aus Keramik, Silizium, Metall, Papier oder Kombinationen daraus bestehen. Während des Betriebs der Kraftmaschine 10 kann der Partikelfilter 72 Abgasfeinstaubpartikel (PM) erfassen, etwa Asche und Ruß (z. B. aus nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen), um Fahrzeugemissionen zu verringern. Der Ruß kann die Oberflächen des Partikelfilters zusetzen und auf diese Weise einen Abgasstaudruck erzeugen. Der Abgasstaudruck kann die Kraftmaschinenleistung negativ beeinflussen. Sobald der Partikelfilter 72 vollständig mit Ruß belastet ist (z. B. die Rußlast am Partikelfilter eine Rußschwellenlast überschreitet), kann der Staudruck für einen ordnungsgemäßen Abgasausstoß zu hoch sein. Die zum Ausstoßen von Abgas aus der Kraftmaschine 10 genutzte Arbeit wird erhöht, um den vorstehend beschriebenen Staudruck zu überwinden. Um hohen Staudruck zu vermeiden, kann eine Kraftmaschine 10 periodisch den Filter entweder passiv oder aktiv regenerieren.
Der Druckabfall entlang dem Filter kann durch einen oder mehrere Drucksensoren 74 gemessen werden, die sich am Partikelfilter 72 oder in seiner Nähe befinden. Beispielsweise kann der eine Drucksensor oder können die mehreren Drucksensoren dem Partikelfilter 72 in der Abgasumgehungsleitung 82 unmittelbar vor- oder unmittelbar nachgelagert sein. In anderen Beispielen kann der eine Drucksensor oder können die mehreren Drucksensoren an anderen Stellen innerhalb der Hauptauslassleitung 48 oder der Abgasumgehungsleitung 82 positioniert sein. Beispielsweise kann der Partikelfilter in Reaktion auf einen Druckabfall entlang dem Partikelfilter 72 regeneriert werden, der über einen Schwellenfilterdruckabfall ansteigt.
Eine passive Regeneration kann auftreten, wenn eine Kraftmaschinenlast eine Schwellenlast überschreitet, was eine Abgastemperatur veranlasst anzusteigen. Wenn die Abgastemperatur über eine Schwellentemperatur (z. B. 450°C) ansteigt, kann der Ruß am Partikelfilter 72 verbrennen. Folglich tritt eine passive Regeneration ohne Veränderungen am Kraftmaschinenbetrieb auf. Umgekehrt tritt eine aktive Regeneration auf, wenn die Steuerung 12 Änderungen am Kraftmaschinenbetrieb signalisiert, um Abgastemperaturen unabhängig von der Kraftmaschinenlast zu erhöhen (z. B. Späteinspritzung, Nacheinspritzung, Drosselung, Abgasrückführung, Zündverstellung nach spät und/oder eine Verringerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses). Beispielsweise kann die Steuerung Signale an eine Kraftstoffeinspritzdüse senden, um die Impulsbreite der Kraftstoffeinspritzung zu verringern und ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die Verbrennung (relativ zur Stöchiometrie) zu erreichen. Als ein anderes Beispiel kann die Steuerung Signale an einen elektromechanischen Aktuator senden, der mit der Einlassdrosselklappe gekoppelt ist, um das Drosselklappenventil in Richtung einer stärker offenen Position zu bewegen, wodurch der Luftstrom zur Kraftmaschine erhöht wird. In noch weiteren Beispielen kann die Ventilsteuerung angepasst werden (z. B. über Nockeneinstellungen), um die positive Ventilüberschneidung zu erhöhen. Weiterhin kann die Steuerung das Abgasumlenkventil so positionieren, dass während einer Kraftstoffschubabschaltung (SAS) oder anderer Kraftmaschinenabschaltereignisse Abgas zur Abgasumgehungsleitung 82 und zum Abgaspartikelfilter 72 geleitet wird, um den Abgaspartikelfilter 72 aktiv zu regenerieren. Weiterhin kann die Steuerung 12 den Abgaspartikelfilter 72 unter Verwendung eines Abgaspartikelfilterheizers 78, der vor der aktiven Regeneration thermisch an den Abgaspartikelfilter gekoppelt wird, auf eine Partikelfilterschwellentemperatur vorwärmen. Wenn der Abgaspartikelfilter zugesetzt ist, kann die Steuerung an den Fahrzeugbediener eine Nachricht senden, die angibt, dass eine Regeneration des Abgaspartikelfilters durchgeführt werden muss. Wie oben beschrieben, kann eine aktive Regeneration ein Verzögern eines Kraftmaschinenzündzeitpunkts beinhalten, um den Kraftmaschinenluftstrom zu erhöhen und anschließend die Abgaspartikelfiltertemperatur zu erhöhen.
Wenn der Ruß während der passiven oder aktiven Regeneration verbrennt, erhöht sich die Partikelfiltertemperatur auf eine höhere Temperatur (z. B. 1400° C). Ein ausgedehnter Kraftmaschinenbetrieb bei der erhöhten Regenerationstemperatur kann die Qualitätsverschlechterung des Partikelfilters 72 beschleunigen. Die Qualitätsverschlechterung kann beinhalten, dass der Partikelfilter 72 eine Undichtigkeit (z. B. einen Riss) und/oder ein Loch entwickelt, was verursachen kann, dass Ruß aus dem Filter austritt und in nachgelagerte Richtung weiter in die Auslassleitung 48 strömt und die Fahrzeugemissionen erhöht. Dies kann bei einer Kraftmaschine dazu führen, dass die Emissionen nicht den Vorschriften entsprechen.
Weitere Faktoren, die zu einer Qualitätsverschlechterung des Partikelfilters beitragen, sind Fahrzeugvibrationen und Schmierölasche. Fahrzeugvibrationen können zu einer Verschlechterung der Qualität fragiler Komponenten innerhalb des Partikelfilters 72 aufgrund von Expansion der Komponenten (z. B. einer verringerten Stabilität) führen, verursacht dadurch, dass der Partikelfilter 72 hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Schmierölasche kann Metalloxide enthalten, die mit dem Partikelfilter 72 reagieren können und Phasen bilden (z. B. verschlechtert sich die Qualität von Teilen des Partikelfilters, während andere Teile funktional bleiben), sodass letztlich mindestens an einem Teil des Partikelfilters eine Qualitätsverschlechterung auftritt.
Die Steuerung 12 wird in 1 als Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangs-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das als Nur-Lese-Speicherchip 106 in diesem bestimmten Beispiel gezeigt wird, Arbeitsspeicher 108, Erhaltungsspeicher 110 und einen Datenbus umfasst. Die Steuerung 12 kann verschiedene Signale und Informationen von mit der Kraftmaschine 10 gekoppelten Sensoren empfangen, zusätzlich zu den Signalen, die zuvor besprochen wurden, einschließlich der Messung des eingeführten Luftmassenstroms (MAF) vom Luftmassensensor 120; der Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur (ECT) von einem Temperatursensor 112, der an einen Kühlwassermantel 114 gekoppelt ist; ein Kraftmaschinenpositionssignal von einem Hallsensor 118 (oder einem anderen Typ), der eine Position von Kurbelwelle 40 erfasst; die Drosselklappenposition von einem Drosselklappenpositionssensor 65; und das Krümmerabsolutdrucksignal (MAP – Manifold Absolute Pressure) vom Sensor 122. Ein Kraftmaschinendrehzahlsignal kann durch die Steuerung 12 vom Kurbelwellenpositionssensor 118 erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal bietet auch eine Anzeige von Vakuum, oder Druck, im Einlasskrümmer 44. Es ist zu beachten, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie beispielsweise ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Während des Kraftmaschinenbetriebs kann das Kraftmaschinendrehmoment aus dem Ausgang des MAP-Sensors 122 und der Kraftmaschinendrehzahl abgeleitet werden. Ferner kann dieser Sensor zusammen mit der detektierten Kraftmaschinendrehzahl eine Basis für eine Einschätzung der in den Zylinder angesaugten Ladung (einschließlich Luft) sein. In einem Beispiel kann der Kurbelwellenpositionssensor 118, welcher auch als ein Kraftmaschinendrehzahlsensor verwendet wird, bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine vorbestimmte Anzahl von gleich beabstandeten Impulsen erzeugen.
Das Nur-Lese-Speicher-Speichermedium 106 kann mit computerlesbaren Daten programmiert sein, die nicht-flüchtige Anweisungen darstellen, die durch den Prozessor 102 zur Durchführung der unten beschriebenen Verfahren sowie anderer Varianten, die erwartet, aber nicht speziell angeführt werden, ausführbar sind.
Die Steuerung 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren aus 1 und setzt die verschiedenen Aktuatoren aus 1 ein, um den Kraftmaschinenbetrieb basierend auf den empfangenen Signalen und Anweisungen, die in einem Speicher der Steuerung 12 gespeichert sind, einzustellen. Wie oben beschrieben, kann die Steuerung basierend auf den empfangenen Signalen von einem oder mehreren Drucksensoren 74, Temperatursensoren 76 und anderen Kraftmaschinensystemsensoren Aktuatoren einsetzen, etwa den Abgaspartikelfilterheizer 78 und das Abgasumlenkventil 80. Beispielsweise kann die Steuerung basierend auf Signalen, die von einem Kraftmaschinentemperatursensor (wie dem ECT-Sensor 112) und einer oder mehreren Kraftstoffpumpen empfangen werden, beispielsweise die Kraftstoffpumpenströmungsrate oder die Kraftstoffeinspritzungsströmungsrate, auch den Partikelfilterheizer 78 und das Abgasumlenkventil betätigen.
Nunmehr Bezug nehmend auf 2, stellt sie ein Beispieldiagramm 200 dar, das eine kumulative Feinstaubpartikelerzeugung von einer Brennkraftmaschine zeigt, die gemäß einem neuen europäischen Fahrzyklus (NEDC) getestet wurde. Das Diagramm 200 stellt dar, dass sich ein großer Teil der gesamten Feinstauberzeugung während des Kaltstartzeitraums ereignet; angegeben vor der gestrichelten Grenzlinie 220. Während des Kaltstartzeitraums, wenn die Kraftmaschinentemperatur niedrig (die Kraftmaschine beispielsweise kalt) ist, kann die Qualität der Kraftstoffverbrennung in einer Brennkraftmaschine gering bzw. die Verbrennung unvollständig sein, was Ursache für eine größere Feinstaubmenge ist. Das Umlenken von Abgasen zu einem Abgaspartikelfilter mit dem Ziel, den während Kaltstartbedingungen erzeugten Feinstaub zu erfassen, kann die Feinstaubemissionen einer Kraftmaschine erheblich reduzieren.
Nunmehr Bezug nehmend auf 3, stellt diese ein beispielhaftes Kraftmaschinenabgassystem 300 des in 1 gezeigten Kraftmaschinensystems 100 dar. Das Abgas von der Kraftmaschine strömt von der Hauptauslassleitung 48 durch die Abgasreinigungsvorrichtung (ECD – Emission Control Device) 70 zur Auslassleitung 348, die der Abgasumgehungsleitung 82 unmittelbar vorgelagert ist. Wie in der 3 gezeigt, kann die Steuerung 12 das Abgasumlenkventil 80 so positionieren, dass es Abgas von der Auslassleitung 348 zur Abgasumgehungsleitung 82 umleitet, wo es vom Abgaspartikelfilter 72 gefiltert werden kann. Alternativ kann die Steuerung 12 das Abgasumlenkventil 80 in der Richtung des Pfeils 380 bewegen, sodass das Abgas in der Auslassleitung 348 den Abgaspartikelfilter 72 umgeht und weiter entlang der Auslassleitung 348 zum Abgasendrohr strömt. Wie oben beschrieben, kann in dem Teil der Abgasumgehungsleitung 382, der dem Abgaspartikelfilter 72 nachgelagert ist, ein Rückschlagventil positioniert werden, um ein Zurückströmen von Abgasen von der Auslassleitung 348 zur Abgasumgehungsleitung 382 zu verhindern. In einigen Beispielen kann die Abgasumgehungsleitung 82 (einschließlich 382) kleiner als die Hauptauslassleitung 48 sein, wodurch eine Querschnittsfläche oder ein Durchmesser der Abgasumgehungsleitung 82 kleiner als eine Querschnittsfläche oder ein Durchmesser der Hauptauslassleitung 48 ist. Die Steuerung 12 kann auch den Abgaspartikelfilterheizer 78 betätigen, der mit dem Abgaspartikelfilter 72 thermisch gekoppelt ist, um die Temperatur des Abgaspartikelfilters vor der Regeneration des Abgaspartikelfilters 72 über eine Filterschwellentemperatur anzuheben. Der Abgaspartikelfilterheizer kann einen elektrisch angetriebenen, gewendelten Elementheizer beinhalten, der teilweise oder vollständig um die äußere Oberfläche des Gehäuses des Abgaspartikelfilters 72 gewickelt ist, oder Heizer andere Typen.
Während Kaltstartbedingungen kann das Abgasumlenkventil 80 so positioniert sein, dass es Abgase von der Hauptauslassleitung 48 zur Abgasumgehungsleitung 82 und zum Abgaspartikelfilter 72 umleitet. Auf diese Weise kann ein wesentlicher Teil der bei der Kraftstoffverbrennung in der Kraftmaschine erzeugten Feinstaubpartikel vom Abgaspartikelfilter 72 gefiltert werden, wodurch das Niveau der Feinstaubemissionen erhalten bleibt oder reduziert wird. Kaltstartbedingungen können auch den Kraftmaschinenzustand EIN und die Kraftmaschinentemperatur beinhalten, beispielsweise die vom Temperatursensor 112 gemessene Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur (ECT – Engine Coolant Temperature), die unter einer Schwellenkraftmaschinentemperatur liegt. Die Schwellenkraftmaschinentemperatur kann mit einer Temperatur korrespondieren, oberhalb welcher der durch Verbrennung von Kraftstoff in der Kraftmaschine erzeugte Feinstaub erheblich reduziert oder nahe null ist. In anderen Beispielen kann die Kraftmaschinentemperatur mit einer Kraftmaschinenöltemperatur, einer Kraftmaschinenblocktemperatur, einer Kraftmaschinenauslasstemperatur und ähnlichen Werten korrespondieren. Ferner kann die Kaltstartbedingung alternativ mehrere solcher Kraftmaschinentemperaturen umfassen, die unter mehreren entsprechender Schwellenkraftmaschinentemperaturen liegen. Darüber hinaus kann die Kaltstartbedingung eine Dauer nach dem Umschalten eines Kraftmaschinenzustands von AUS in EIN umfassen, in der die Kraftmaschinentemperatur niedriger als die Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, und die länger als eine Schwellenwertdauer ist.
Während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine, einschließlich, wenn eine Kraftmaschinentemperatur wie die vom Temperatursensor 112 gemessene ECT größer als die Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, kann das Abgasumlenkventil 80 so positioniert werden, wie durch den Pfeil 380 angegeben, sodass Abgas während Kraftmaschinenverbrennungsbedingungen den Abgaspartikelfilter 72 umgeht. Die Kraftmaschinentemperatur kann eine Zylinderkopftemperatur (CHT – Cylinder Head Temperature) beinhalten, und die Schwellenkraftmaschinentemperatur kann eine Schwellen-CHT beinhalten. In anderen Beispielen können Bedingungen einer warmen Kraftmaschine (oder einer Abweichung von Kaltstartbedingungen) dadurch bestimmt werden, dass sich die seit einem Kraftmaschinenstart vergangene Dauer, in der die Kraftmaschine EIN war, über eine Schwellenwertdauer hinaus verlängert hat. Die Bedingungen einer warmen Kraftmaschine können ferner über ein abgeleitetes Kolbentemperaturmodell an Bord der Steuerung bestimmt werden. In anderen Beispielen können Bedingungen einer warmen Kraftmaschine durch Übergang von einem ersten Kraftstoffeinspritzmodus zu einem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus in einem Kraftmaschinenbetrieb mit Kraftstoffeinspritzung in geteiltem Modus bestimmt werden. In noch einem weiteren Beispiel können Bedingungen einer warmen Kraftmaschine durch einen Heizmodus eines Katalysators einer Abgasreinigungsvorrichtung (ECD) bestimmt werden. Beispielsweise kann der ECD-Katalysator während Kaltstartbedingungen schnell erhitzt werden, um Kraftmaschinenemissionen zu verringern. Umgekehrt kann unter Bedingungen einer warmen Kraftmaschine das schnelle Erhitzen des ECD-Katalysators ausgeschaltet werden. Auf diese Weise können Bedingungen einer warmen Kraftmaschine dadurch angegeben werden, dass der Heizmodus des ECD-Katalysators ausgeschaltet ist. Kraftmaschinenverbrennungsbedingungen können dadurch bestimmt werden, dass eine Kraftstoffeinspritzströmungsrate zur Kraftmaschine oberhalb einer Schwellenkraftstoffeinspritzströmungsrate liegt. Wie weiter oben beschrieben, kann die Kraftstoffeinspritzungsströmungsrate geschätzt oder auf der Grundlage einer Pumpenrate einer oder mehrerer Kraftstoffpumpen im Kraftmaschinenkraftstoffsystem bestimmt werden. Alternativ können Kraftmaschinenverbrennungsbedingungen durch die Übermittlung eines Funkens über eine Zündkerze 66 zu einer Brennkammer 30 bestimmt werden, während die Kraftstoffeinspritzströmungsrate größer als eine Schwellenkraftstoffeinspritzströmungsrate ist. In einem Beispiel kann die Übermittlung eines Funkens zur Brennkammer 30 durch die Lieferung von Strom an das Zündsystem angegeben werden, das eine Zündspule (nicht dargestellt) zum Erhöhen der an die Zündkerze 66 gelieferten Spannung umfasst. Folglich können Kraftmaschinenverbrennungsbedingungen angegeben werden, wenn eine an eine Zündkerze 66 gelieferte Spannung größer als eine Schwellenspannung und die Kraftstoffeinspritzströmungsrate größer als die Schwellenkraftstoffeinspritzströmungsrate ist. In einem anderen Beispiel kann die Kraftmaschinenverbrennung daran detektiert werden, dass sich eine Kurbelwellenbeschleunigung über eine Schwellenkurbelwellenbeschleunigung erhöht. Die Kurbelwellenbeschleunigung kann über einen Kurbelwellenpositionssensor (CKP – Crankshaft Position) wie einen Hall-Effekt-Positionssensor 118 gemessen werden, und die Schwellenkurbelwellenbeschleunigung kann mit einer Kurbelwellenbeschleunigung korrespondieren, oberhalb der eine Verbrennung in der Kraftmaschine angegeben ist.
Wenn Kraftstoffverbrennung während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine auftritt, kann der Betrag an von der Kraftmaschine erzeugtem Feinstaub im Vergleich zu dem Feinstaub, der während Kaltstartbedingungen erzeugt wurde, sehr gering sein. Dementsprechend kann das Abgasumlenkventil in Reaktion auf einen Anstieg der Kraftmaschinentemperatur über eine Schwellenkraftmaschinentemperatur und in Reaktion auf die Angabe von Kraftstoffverbrennungsbedingungen so positioniert werden, dass Abgas so geleitet wird, dass es den Abgaspartikelfilter 72 umgeht, während das Niveau der Feinstaubemissionen aufrechterhalten bleibt. Dementsprechend kann verbranntes Abgas (z. B. Kraftmaschinenabgas, das aus Kraftstoffverbrennung in der Kraftmaschine resultiert) während Kaltstartbedingungen nur zur Abgasumgehungsleitung und zum Abgaspartikelfilter 72 geleitet werden. Während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine, wenn eine Kraftmaschinentemperatur größer als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, kann das Abgasumlenkventil so positioniert werden, dass es das verbrannte Abgas so leitet, dass es den in der Abgasumgehungsleitung 82 positionierten Abgaspartikelfilter 72 umgeht. Dementsprechend kann während Kraftmaschinenverbrennungsbedingungen außerhalb der Kaltstartbedingungen Kraftmaschinenabgas (verbranntes Abgas) so geleitet werden, dass es den Abgaspartikelfilter 72 umgeht. Darüber hinaus kann das Kraftmaschinenabgassystem ferner einen zweiten Abgaspartikelfilter umfassen, der an der ECD 70 positioniert ist, um den zusätzlichen Feinstaub zu erfassen, der während der Kraftstoffverbrennung unter den Bedingungen einer warmen Kraftmaschine erzeugt wurde.
Obwohl das Abgasumlenkventil 80 so positioniert sein kann, dass es Abgas so leitet, dass es den Abgaspartikelfilter 72 umgibt, kann die Steuerung 12 den Abgaspartikelfilterheizer 78 einschalten, um während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine und Kraftstoffverbrennungsbedingungen den Abgaspartikelfilter 72 zu heizen. Der Abgaspartikelfilter 78 kann einen elektrisch betriebenen Heizer oder einen Heizer eines anderen Typs umfassen, der thermisch an den Abgaspartikelfilter 72 gekoppelt ist. In dem Beispielabgassystem 400 von 4 kann das Erhitzen des Abgaspartikelfilters 72 ein Positionieren des Abgaspartikelfilters 72 direkt angrenzend an die ECD 70 umfassen, sodass der Abgaspartikelfilter 72 über eine thermisch leitfähige Oberfläche 472 thermisch mit der ECD 70 gekoppelt ist. Das Heizen des Abgaspartikelfilters 72 während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine und einer Kraftstoffverbrennung kann vor der Regeneration ein Vorwärmen des Abgaspartikelfilters 72 auf eine Schwellenfiltertemperatur erlauben. Das Vorwärmen des Abgaspartikelfilters 72 auf die Schwellenfiltertemperatur kann dazu beitragen sicherzustellen, dass der Abgaspartikelfilter 72 unverzüglich regeneriert werden kann, wenn der Abgaspartikelfilter zugesetzt ist, beispielsweise, wenn ein Abgaspartikelfilterdruck entlang dem Filter größer als ein Schwellenfilterdruckabfall ist. In einem Beispiel kann die Schwellenfiltertemperatur etwa 500°C betragen (z. B. über der Schwellentemperatur von 450°C liegen, bei der Ruß verbrennt). Wenn beispielsweise die Abgaspartikelfiltertemperatur oberhalb der Schwellenfiltertemperatur liegt, kann das Leiten von Abgassauerstoff zum Abgaspartikelfilter die darin enthaltenen Rußpartikel oxidieren und verbrennen, wodurch der Abgaspartikelfilter regeneriert wird. Wenn die Abgaspartikelfiltertemperatur unter der Schwellenfiltertemperatur liegt, reicht die im Abgaspartikelfilter enthaltene thermische Energie möglicherweise nicht aus, um den Abgaspartikelfilter 72 vollständig oder teilweise zu regenerieren, wenn Abgassauerstoff zum Filter geleitet wird. In Reaktion darauf, dass die Abgaspartikelfiltertemperatur über die Schwellenfiltertemperatur ansteigt, kann die Steuerung 12 den Abgaspartikelfilterheizer 78 AUSSCHALTEN. Dementsprechend kann während Kraftmaschinenverbrennungsbedingungen außerhalb der Kaltstartbedingungen Kraftmaschinenabgas (verbranntes Abgas) so geleitet werden, dass es den Abgaspartikelfilter 72 umgeht, und der Abgaspartikelfilter 72 kann über den Abgaspartikelfilterheizer 78 gezielt elektrisch geheizt werden. Darüber hinaus kann, wenn die Abgaspartikelfiltertemperatur über die Schwellenfiltertemperatur erhitzt wurde, unverbranntes Abgas (Kraftmaschinenabgas während Kraftmaschinenabschaltbedingungen wie SAS-Bedingungen) zur Abgasumgehungsleitung 82 geleitet werden, um den Abgaspartikelfilter 72 zu regenerieren.
Die Steuerung 12 kann eine Regeneration des Abgaspartikelfilters 72 während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen initiieren. Bedingungen einer warmen Kraftmaschine außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen können auftreten, wenn die Kraftmaschine, nachdem sie eine Weile eingeschaltet war, AUSGESCHALTET wird. Beispielsweise kann die Kraftmaschine während SAS-Ereignissen oder für ein Hybridfahrzeug bei Betrieb in einem rein elektrischen Modus (z. B. wenn das Hybridfahrzeug vom Elektromotor, aber nicht von der Kraftmaschine angetrieben wird) AUSGESCHALTET werden. Darüber hinaus kann die Steuerung 12 während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen eine Regeneration des Abgaspartikelfilters initiieren, wenn die Abgaspartikelfiltertemperatur größer als eine Schwellenfiltertemperatur ist. Ferner kann die Steuerung 12 während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen eine Regeneration des Abgaspartikelfilters initiieren, wenn die Abgaspartikelfiltertemperatur größer als die Schwellenfiltertemperatur ist, und wenn der Abgaspartikelfilterdruckabfall größer als ein Schwellenfilterdruckabfall ist. Das Initiieren der Regeneration des Abgaspartikelfilters kann ein solches Positionieren des Abgasumlenkventils 80 umfassen, dass Abgas so geleitet wird, dass es zur Abgasumgehungsleitung 82 und zum Abgaspartikelfilter 72 strömt. Während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen (z. B. Kraftmaschine-AUS-Bedingungen, SAS-Bedingungen) wird im Inneren der Kraftmaschine kein Kraftstoff verbrannt, und das Abgas kann große Anteile Luft, einschließlich Sauerstoff, enthalten. Wie vorstehend beschrieben, kann, wenn die Abgaspartikelfiltertemperatur oberhalb der Schwellenfiltertemperatur liegt, das Strömen von Abgassauerstoff durch den Filter die darin enthaltenen Feinstaubrußpartikel oxidieren und verbrennen, wodurch der Abgaspartikelfilter regeneriert wird.
Während der Filterregeneration kann sich der Druckabfall entlang dem Abgaspartikelfilter 72 verringern, wenn darin enthaltene Feinstaubrußpartikel oxidiert und verbrannt werden. Wie oben beschrieben, kann die Filterregeneration mindestens teilweise in Reaktion auf Kraftmaschinenbetriebsbedingungen, einschließlich einer Erhöhung des Druckabfalls entlang dem Abgaspartikelfilter über einen Schwellendruckabfall, initiiert werden. Dementsprechend kann die Filterregeneration in Reaktion auf den Druckabfall entlang dem Abgaspartikelfilter unterhalb des Schwellendruckabfalls von der Steuerung 12 gestoppt werden. Das Beenden der Filterregeneration kann ein Positionieren des Abgasumlenkventils beinhalten, sodass Abgas so geleitet wird, dass es den Abgaspartikelfilter umgeht. Wie oben beschrieben, ereignet sich die Filterregeneration während Bedingungen einer warmen Kraftmaschine außerhalb einer Kraftstoffverbrennung in der Kraftmaschine. Folglich ist es möglich, dass das Leiten von Abgas zum Umgehen des Abgaspartikelfilters und Passieren durch die Auslassleitung 48, die ECD 70 und die Auslassleitung 348 zum Abgasendrohr die Feinstaubemissionen nicht substanziell erhöht. Sollte darüber hinaus nach dem Beenden der Filterregeneration die Kraftmaschinentemperatur unter die Schwellenkraftmaschinentemperatur absinken, kann die Steuerung 12 in Reaktion darauf das Abgasumlenkventil 80 so neu positionieren, dass es Abgas so leitet, dass es durch die Abgasumgehungsleitung 82 und den Abgaspartikelfilter 72 strömt, wodurch Feinstaubemissionen reduziert werden.
Wie oben beschrieben, gestattet die Positionierung in der Abgasumgehungsleitung 82, dass der Abgaspartikelfilter 72 zum gezielten Filtern der Feinstaubpartikel im Abgas während Kaltstartbedingungen genutzt wird. Die Größe des Abgaspartikelfilters 72 kann kleiner als die Größe konventioneller Abgaspartikelfilter sein. Konventionelle Abgaspartikelfilter wie DPFs und GPFs, die in der Hauptauslassleitung positioniert sind, filtern das gesamte Abgas von der Kraftmaschine. Konventionelle Abgaspartikelfilter sind anderen Typen von Partikeln als Feinstaubrußpartikel ausgesetzt, einschließlich größerer inerter Partikel wie Rost, Fragmentpartikel eines vorgelagerten Katalysators, Metallpartikel und Ähnlichem. Diese größeren inerten Partikel können während der Filterregeneration nicht oxidiert oder verbrannt werden und können sich folglich permanent in Partikelfiltern ansammeln und zu deren Qualitätsverschlechterung führen. Durch Positionieren des Abgaspartikelfilters 72 in der Abgasumgehungsleitung und durch gezieltes Strömen von Abgas zum Abgaspartikelfilter 72 während Kaltstartbedingungen und zur Filterregeneration, wie weiter oben beschrieben, kann die Menge der größeren inerten Partikel, die auf den Abgaspartikelfilter 72 treffen, wesentlich reduziert werden. Dementsprechend kann die Größe des Abgaspartikelfilters kleiner sein, und die Häufigkeit und Effektivität von dessen Regenerationen kann höher sein, wodurch die Herstellungs- und Betriebskosten für das Fahrzeug sinken und die Fahrzeugzuverlässigkeit steigt.
Die Leistung des Abgaspartikelfilterheizers 78 kann wesentlich geringer als die eines konventionellen elektrischen Heizers sein, der für das elektrische Heizen konventioneller Abgasreinigungsvorrichtungen verwendet wird, beispielsweise ein TWC zur Reduktion von Kohlenwasserstoff. Beispielsweise verbrauchen konventionelle Heizer in der Regel mehr als 2,2 kW Leistung, der Abgaspartikelfilterheizer 78 kann jedoch einen wesentlich geringeren Betrag Leistung verbrauchen, beispielsweise 75 W. Der Abgaspartikelfilterheizer 78 kann zum Heizen des Abgaspartikelfilters 72 bestimmt sein und kann so hinsichtlich der Größe kleiner sein und weniger Leistung verbrauchen als konventionelle ECD-Heizer, die zum Heizen von Katalysatorbausteinen verwendet werden, die in andere, zusätzliche ECD-Vorrichtungen wie Partikelfilter, Gehäuse und Ähnliches integriert sind. Darüber hinaus ist der Abgaspartikelfilter 72, wie oben beschrieben, in der Abgasumgehungsleitung 82 positioniert und kann in seiner Größe wesentlich kleiner als konventionelle Partikelfilter sein, die in der Hauptauslassleitung 48 (die in ihrer Querschnittsfläche größer als die Abgasumgehungsleitung 82 ist) positioniert sind. Darüber hinaus kann der Abgaspartikelfilterheizer 78 kleiner als konventionelle ECD-Heizer sein, da der Abgaspartikelfilter 72 in der Abgasumgehungsleitung 82 positioniert ist und bei Kraftmaschinenbetriebsbedingungen mit weniger Feinstaubpartikeln umgangen werden kann; mit anderen Worten, die Filterlast und damit die Regenerationsfrequenz des Abgaspartikelfilters kann reduziert werden. In einem Beispiel kann der Abgaspartikelfilter einen Minipartikelfilter umfassen, wobei annähernde Abmessungen des Abgaspartikelfilters 72 einen Durchmesser von < 30 mm, eine Länge von < 205 mm, eine Querschnittsfläche von < 1 Quadratzoll und ein keramisches Volumen von < 50 000 mm³ umfassen können. Darüber hinaus kann die Masse des im Filter enthaltenen keramischen Materials < 65 g sein. Die Abgaspartikelfiltergröße kann entsprechend dem Hubraum der Kraftmaschine, dem Rußausstoß und der maximalen Rußschwellenlast variieren. Ferner kann der Abgaspartikelfilter 72 einen thermisch isolierten Filter umfassen, sodass die Verluste an thermischer Energie vom Abgaspartikelfilter 72 reduziert werden, sodass die zum Heizen des Abgaspartikelfilters 72 verbrauchte Leistung reduziert ist. Das thermische Isolieren des Abgaspartikelfilters 72 kann thermisch isolierende Außenflächen des Abgaspartikelfilters 72 mit einem isolierenden, nicht entzündbaren Material umfassen.
Nunmehr Bezug nehmend auf 4, wird eine weitere beispielhafte Konfiguration eines Abgassystems 400 eines Kraftmaschinensystems 100 gezeigt. Das Abgassystem 400 kann als Teil des Kraftmaschinensystems 100 ähnlich dem Abgassystem 300 betrieben werden, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Im Abgassystem 400 sind jedoch die Abgasumgehungsleitung 82 und der Abgaspartikelfilter 72 so angeordnet, dass der Abgaspartikelfilter 72 über mindestens eine gemeinsame thermisch leitfähige Oberfläche 472 an die ECD 70 gekoppelt ist. Auf diese Weise kann thermische Energie von der ECD 70 über eine thermisch leitfähige Oberfläche 472 geleitet oder übertragen werden, um den Abgaspartikelfilter 72 zu heizen, wodurch der Betrag des Heizleistungsausgangs vom Abgaspartikelfilterheizer 78 zum Erhöhen der Temperatur des Abgaspartikelfilters 72 auf eine Schwellenfiltertemperatur vor der Filterregeneration weiter verringert wird. Die ECD 70 kann mindestens teilweise von den heißen Kraftmaschinenabgasen, die durch sie hindurch passieren, geheizt werden. Darüber hinaus kann ein ECD-Heizer eingesetzt und von der Steuerung 12 gesteuert werden, um die ECD 70 zu heizen. In dem Fall, in dem die Abgasumgehungsleitung 82 und der Abgaspartikelfilter 72 so angeordnet sind, dass der Abgaspartikelfilter 72 thermisch über mindestens eine gemeinsame thermisch leitfähige Oberfläche 472 an die ECD 70 gekoppelt ist, können alle äußeren Oberflächen des Abgaspartikelfilters 72 thermisch isoliert werden – mit Ausnahme der gemeinsamen thermisch leitfähigen Oberfläche 472.
Das Positionieren des Abgaspartikelfilters 72 nachgelagert zur ECD 70 (einschließlich eines Katalysators wie eines TWC, eines NOx-Reduktionskatalysators oder einer ähnlichen Vorrichtung) kann ferner dazu genutzt werden, den Staudruck in der Hauptauslassleitung 48 zum Erhöhen von ECD-Temperaturen während Kaltstartbedingungen zu erhöhen, obwohl im Abgas während Kaltstartbedingungen die Feinstaubpartikelpegel niedrig sein können. Auf diese Weise kann die zum Heizen des Katalysators verbrauchte Leistung reduziert werden, und der Katalysator kann schneller vorgeheizt werden, wodurch sich die Kraftstoffwirtschaftlichkeit erhöht und die Abgasemissionen sinken.
Auf diese Weise kann ein Kraftmaschinensystem Folgendes umfassen: eine Kraftmaschine; einen Abgaspartikelfilter, positioniert in einer Abgasumgehungsleitung, der Kraftmaschine nachgelagert; ein Abgasumlenkventil, der Abgasumgehungsleitung vorgelagert in einer Abgashauptleitung positioniert; und eine Steuerung einschließlich ausführbarer Anweisungen, um während einer ersten Bedingung, die eine Kraftmaschinentemperatur umfasst, die niedriger als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, das Abgasumlenkventil so zu positionieren, dass es Kraftmaschinenabgas von der Abgashauptleitung zur Abgasumgehungsleitung und zum Abgaspartikelfilter leitet; und während einer zweiten Bedingung Positionieren des Abgasumlenkventils, sodass Kraftmaschinenabgas so geleitet wird, dass es die Abgasumgehungsleitung umgeht, wobei die zweite Bedingung umfasst, dass die Kraftmaschinentemperatur höher als die oder gleich der Schwellenkraftmaschinentemperatur ist und Kraftstoff in der Kraftmaschine verbrannt wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Kraftmaschinensystem ferner einen Abgaspartikelfilterheizer umfassen, wobei die ausführbaren Anweisungen während der zweiten Bedingung ferner ein Heizen des Abgaspartikelfilters mit dem Abgaspartikelfilterheizer auf eine Regenerationstemperatur umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu umfasst der Abgaspartikelfilterheizer ein elektrisches Heizelement, das thermisch mit dem Abgaspartikelfilter gekoppelt ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Abgaspartikelfilterheizer eine dem Abgaspartikelfilter vorgelagerte Abgasreinigungsvorrichtung umfassen und thermisch mit dem Abgaspartikelfilter gekoppelt sein, und das Heizen des Abgaspartikelfilters kann während der zweiten Bedingung ein Übertragen thermischer Energie von der Abgasreinigungsvorrichtung zum Abgaspartikelfilter umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu können die ausführbaren Anweisungen ferner während einer dritten Bedingung ein solches Positionieren des Abgasumlenkventils umfassen, dass Kraftmaschinenabgas zur Abgasumgehungsleitung und zum Abgaspartikelfilter geleitet wird, wobei die dritte Bedingung eine Kraftstoffeinspritzströmungsrate umfasst, die kleiner als ein Schwellenstrom ist, während die Kraftmaschinentemperatur größer als die Schwellenkraftmaschinentemperatur ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die dritte Bedingung ferner umfassen, dass die Abgaspartikelfiltertemperatur größer als die Regenerationstemperatur ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die dritte Bedingung ferner einen Abgaspartikelfilterdruckabfall umfassen, der größer als ein Schwellendruckabfall ist. Zusätzlich oder alternativ dazu können die ausführbaren Anweisungen ferner während der dritten Bedingung in Reaktion auf ein Absinken des Abgaspartikelfilterdruckabfalls auf ein Niveau unterhalb des Schwellendruckabfalls ein solches Positionieren des Abgasumlenkventils umfassen, dass Kraftmaschinenabgas so geleitet wird, dass es die Abgasumgehungsleitung umgeht. Zusätzlich oder alternativ dazu können die ausführbaren Anweisungen ferner während der dritten Bedingung in Reaktion auf ein Absinken der Abgaspartikelfiltertemperatur auf ein Niveau unterhalb der Regenerationstemperatur ein solches Positionieren des Abgasumlenkventils umfassen, dass Kraftmaschinenabgas so geleitet wird, dass es die Abgasumgehungsleitung umgeht. Zusätzlich oder alternativ dazu ist eine Querschnittsfläche der Abgasumgehungsleitung kleiner als eine Querschnittsfläche der Abgashauptleitung.
Nunmehr Bezug nehmend auf 5, stellt diese ein Flowchart eines beispielhaften Verfahrens 500 zum Betreiben eines Kraftmaschinensystems dar, das ein Abgasumlenkventil und einen Abgaspartikelfilter, positioniert in einer Abgasumgehungsleitung und thermisch gekoppelt mit einem Abgaspartikelfilterheizer, umfasst. Das Verfahren 500 kann in Form ausführbarer Anweisungen an Bord einer Fahrzeugsteuerung, etwa einer Steuerung 12, ausgeführt werden. Das Verfahren 500 beginnt bei 502, wobei Kraftmaschinensystembedingungen wie Fahrzeuggeschwindigkeit (Vs), Kraftmaschinendrehzahl, Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur (ECT), Kraftstoffeinspritzströmungsrate (Q_inj) und Ähnliches geschätzt und/oder von der Steuerung gemessen werden.
Bei 510 kann die Steuerung bestimmen, ob Kraftmaschinenkaltstartbedingungen erfüllt wurden. Kraftmaschinenkaltstartbedingungen können eine Kraftmaschinentemperatur T_engine umfassen, die kleiner als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur T_engine,TH ist. Wie oben beschrieben, kann T_engine eine ECT, Kraftmaschinenöltemperatur, Kraftmaschinenblocktemperatur, Kraftmaschinenabgastemperatur oder eine andere Temperatur sein, die für die Kraftmaschinenbetriebstemperatur indikativ ist, oder eine Kombination davon. T_engine,TH kann eine Temperatur repräsentieren, unterhalb der ein Verbrennen von Kraftstoff in der Kraftmaschine stärker unvollständig oder von mangelhafterer Qualität ist, sodass ein wesentlich höherer Betrag von Feinstaubpartikeln in das Kraftmaschinenabgas abgegeben wird. Umgekehrt gilt: Wenn T_engine > T_engine,TH, ist das Verbrennen von Kraftstoff in der Kraftmaschine stärker vollständig oder von höherer Qualität, sodass ein wesentlich niedrigerer Betrag von Feinstaubpartikeln in das Kraftmaschinenabgas abgegeben wird.
Wenn die Kaltstartbedingungen erfüllt werden, fährt Verfahren 500 mit 514 fort, wo die Steuerung das Abgasumlenkventil 80 so positionieren kann, dass es Abgas über eine Abgasumgehungsleitung 82 an den Abgaspartikelfilter 72 umleitet. Durch das Leiten von Abgas zum Abgaspartikelfilter 72 können die durch Kraftstoffverbrennung während Kaltstartbedingungen erzeugten Feinstaubpartikel von dem Abgas gefiltert werden, und Feinstaubemissionen können reduziert werden. Bei 518 kann die Steuerung 12 den Abgaspartikelfilterheizer 78 ausschalten, um das Heizen des Abgaspartikelfilters 72 zu stoppen. Nach 518 endet das Verfahren 500.
Zu 510 zurückkehrend, wird das Verfahren 500, wenn die Kaltstartbedingungen nicht erfüllt sind, bei 520 fortgesetzt, wo die Steuerung 12 bestimmen kann, ob die Kraftmaschine außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen arbeitet. Wie oben beschrieben, kann die Kraftmaschine außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen arbeiten, wenn die Kraftstoffeinspritzströmungsrate Q_inj niedriger als eine Schwellenkraftstoffeinspritzströmungsrate Q_inj,TH ist. Die Kraftstoffeinspritzströmungsrate kann geschätzt oder auf der Grundlage einer Kraftstoffpumpenströmungsrate einer oder mehrerer Kraftstoffpumpen im Kraftmaschinenkraftstoffsystem bestimmt werden. Alternativ kann die Kraftmaschine außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen arbeiten, wenn eine an eine Zündkerze eines Kraftmaschinenzylinders gelieferte Spannung niedriger als eine Schwellenspannung ist, während die an diesen Kraftmaschinenzylinder geleitete Kraftstoffeinspritzströmungsrate größer als die Schwellenkraftstoffeinspritzströmungsrate ist. Die Schwellenspannung kann mit einer Spannung korrespondieren, unterhalb der an der Zündkerze des Kraftmaschinenzylinders ein Funken nicht erzeugt wird. In einem Beispiel kann Q_inj,TH null sein. In einem anderen Beispiel können die Kraftmaschinenverbrennungsbedingungen daran detektiert werden, dass sich eine Kurbelwellenbeschleunigung über eine Schwellenkurbelwellenbeschleunigung erhöht. Die Kurbelwellenbeschleunigung kann über einen Kurbelwellenpositionssensor (CKP-Sensor) gemessen werden, wie etwa einen Hall-Effekt-Positionssensor 118. Folglich kann bestimmt werden, ob die Kraftmaschine außerhalb von Kraftmaschinenverbrennungsbedingungen arbeitet, wenn die Kurbelwellenbeschleunigung unterhalb der Schwellenkurbelwellenbeschleunigung liegt. Wenn die Kraftmaschine außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen arbeitet, etwa wenn die Kraftmaschine während Kraftmaschinenabschaltereignissen wie während einer SAS aus ist, kann eine Möglichkeit zum Regenerieren des Abgaspartikelfilters bestehen, da das Abgas im Wesentlichen Luft oder Sauerstoff enthält. In einigen Beispielen kann der Abgaspartikelfilter während magerer Luft-Kraftstoff-Kraftmaschinenbetriebsbedingungen regeneriert werden. Andere Beispiele für Kraftmaschinenbetrieb außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen beinhalten Zeiten eines verlängerten Kraftmaschinenstarts und während eines Abschaltens der Kraftmaschine.
Wenn die Kraftmaschine bei 520 außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen arbeitet, wird das Verfahren 500 bei 522 fortgesetzt, wo die Steuerung 12 bestimmen kann, ob die Abgaspartikelfiltertemperatur T_PF größer als eine Schwellenfiltertemperatur T_PF,TH ist. Wie weiter oben beschrieben, kann T_PF,TH mit einer Filtertemperatur korrespondieren, oberhalb der durch den Abgaspartikelfilter strömender Abgassauerstoff eine Verbrennung der darin enthaltenen Feinstaubrußpartikel initiieren kann und auf diese Weise den Filter regeneriert. Beispielsweise kann T_PF,TH größer als 450°C sein, oder T_PF,TH kann 500°C beinhalten. Wenn T_PF > T_PF,TH, kann der Abgaspartikelfilter vorgeheizt werden und ist bereit für die Filterregeneration, und die Steuerung 12 kann den Abgaspartikelfilterheizer 78 bei 524 ausschalten, um das Heizen des Abgaspartikelfilters 72 zu stoppen. Danach wird das Verfahren 500 bei 526 fortgesetzt, wo die Steuerung 12 bestimmen kann, ob der Abgaspartikelfilterdruckabfall, ΔP_PF, größer als ein Schwellenabgaspartikelfilterdruckabfall ΔP_PF,TH ist. ΔP_PF,TH kann mit einem Druckabfall korrespondieren, oberhalb von dem der Abgaspartikelfilter einen wesentlichen Feinstaubpartikelgehalt aufweisen kann, sodass ΔP_PF einen ordnungsgemäßen Abgasausstoß verhindern und die Kraftmaschinenbetriebsfähigkeit reduzieren kann. Wenn ΔP_PF > ΔP_PF,TH, wird das Verfahren 500 bei 528 fortgesetzt, wo die Steuerung 12 das Abgasumlenkventil so positionieren kann, dass Abgas zur Abgasumgehungsleitung 82 geleitet wird, um die Regeneration des Abgaspartikelfilters 72 zu initiieren. Nach 528 endet das Verfahren 500.
Zurückkehrend zu 520 für den Fall, dass die Kraftmaschine unter Kraftstoffverbrennungsbedingungen läuft, wird das Verfahren 500 bei 530 fortgesetzt, wo die Steuerung 12 bestimmen kann, ob T_PF < T_PF,TH. Wenn bei 530 oder 522 T_PF < T_PF,TH, wird das Verfahren 500 bei 534 fortgesetzt, wo die Steuerung 12 den Abgaspartikelfilterheizer 78 auf EIN schaltet, um das Heizen des Abgaspartikelfilters zu starten. Auf diese Weise kann der Abgaspartikelfilter 72 während Kraftmaschinenverbrennungsbedingungen, wenn die Kraftmaschine warm ist und nur wenig Feinstaubpartikel erzeugt werden, vorgeheizt werden. Der Abgaspartikelfilter 72 kann auch während kurzer Zeiträume, in denen die Kraftmaschine EIN ist, zur Regeneration vorbereitet (z. B. vorgeheizt) werden. Danach wird das Verfahren 500 von 534 oder von 526 fortgesetzt, wenn bei 536 ΔP_PF < ΔP_PF,TH, wobei die Steuerung 12 das Abgasumlenkventil 80 so positionieren kann, dass Abgas so umgeleitet wird, dass es den Abgaspartikelfilter 72 umgeht. Während der Kraftstoffverbrennung und Bedingungen einer warmen Kraftmaschine ist die Erzeugung von Feinstaubpartikeln in der Kraftmaschine reduziert und das Abgas kann den Abgaspartikelfilter umgehen, während der Filter zur Regeneration vorgeheizt wird. Darüber hinaus befindet sich der Abgaspartikelfilter außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen, bei denen ΔP_PF < ΔP_PF,TH ist, in einem degenerierten Zustand, und das Abgas kann so geleitet werden, dass es den Abgaspartikelfilter umgeht.
Zurückkehrend zu 530 für den Fall, dass T_PF > T_PF,TH wird das Verfahren 500 bei 538 fortgesetzt, wo die Steuerung 12 den Abgaspartikelfilter AUSSCHALTET, um das Heizen des Abgaspartikelfilters 72 zu stoppen. Wenn T_PF > T_PF,TH, ist der Abgaspartikelfilter 72 vorgeheizt und zur Regeneration bereit; ein weiteres Heizen des Abgaspartikelfilters 72 kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeit unnötig reduzieren. Nach 538 wird das Verfahren 500 bei 536 fortgesetzt, wo das Abgasumlenkventil so positioniert wird, dass das Abgas so geleitet wird, dass es den Abgaspartikelfilter umgeht. Nach 536 endet das Verfahren 500.
Auf diese Weise kann ein Verfahren für eine Brennkraftmaschine Folgendes umfassen: während einer Kaltstartbedingung, die eine Kraftmaschinentemperatur umfasst, die niedriger als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, Leiten von Kraftmaschinenabgas zu einem Abgaspartikelfilter; und während einer Bedingung einer warmen Kraftmaschine Leiten von Kraftmaschinenabgas zum Umgehen des Abgaspartikelfilters, wobei die Bedingung einer warmen Kraftmaschine umfasst, dass die Kraftmaschinentemperatur höher als die oder gleich der Schwellenkraftmaschinentemperatur ist und Kraftstoff in der Kraftmaschine verbrannt wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren ferner umfassen, dass verbranntes Abgas nur während der Kaltstartbedingung zum Abgaspartikelfilter geleitet wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren ferner während der Bedingung einer warmen Kraftmaschine ein Heizen des Abgaspartikelfilters umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren ferner während der Kaltstartbedingung ein Stoppen des Heizens des Abgaspartikelfilters umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren ferner während einer Regenerationsbedingung das Leiten von Kraftmaschinenabgas zum Abgaspartikelfilter umfassen, wobei die Regenerationsbedingung umfasst, dass die Kraftmaschinentemperatur größer als die oder gleich der Schwellenkraftmaschinentemperatur ist und eine Kraftstoffeinspritzströmungsrate kleiner als eine Schwelleneinspritzströmungsrate ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren ferner ein Leiten von Kraftmaschinenabgas umfassen, sodass es während der Regenerationsbedingung in Reaktion auf einen Abgaspartikelfilterdruckabfall, der geringer als ein Schwellendruckabfall ist, den Abgaspartikelfilter umgeht. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren ferner während der Regenerationsbedingung ein Stoppen des Heizens des Abgaspartikelfilters umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren ferner ein Stoppen des Heizens des Abgaspartikelfilters in Reaktion darauf umfassen, dass eine Abgaspartikelfiltertemperatur größer als eine Schwellenfiltertemperatur ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren ferner ein thermisches Isolieren des Abgaspartikelfilters umfassen.
Auf diese Weise kann ein Verfahren Folgendes umfassen: in Reaktion darauf, dass eine Kraftmaschinentemperatur größer als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, Leiten von Abgas zum Umgehen eines Abgaspartikelfilters während einer Kraftmaschinenkraftstoffverbrennung, und Heizen des Abgaspartikelfilters, wenn eine Abgaspartikelfiltertemperatur unter eine Schwellenfiltertemperatur sinkt; und in Reaktion darauf, dass eine Kraftmaschinentemperatur niedriger als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, Leiten von Abgas zum Abgaspartikelfilter und Stoppen des Heizens des Abgaspartikelfilters. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren in Reaktion darauf, dass die Kraftmaschinentemperatur größer als die Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, dass Leiten von Abgas zum Abgaspartikelfilter während der Schubabschaltung (SAS) umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren in Reaktion darauf, dass die Kraftmaschinentemperatur größer als die Schwellenkraftmaschinentemperatur und ein Abgaspartikelfilterdruckabfall kleiner als ein Schwellendruckabfall ist, das Leiten von Abgas umfassen, sodass der Abgaspartikelfilter während der SAS umgangen wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verfahren in Reaktion darauf, dass die Abgaspartikelfiltertemperatur durch das Heizen über die Schwellenfiltertemperatur ansteigt, unverbranntes Abgas so leiten, dass der Abgaspartikelfilter regeneriert wird. Nunmehr Bezug nehmend auf 6, stellt diese eine Zeitachse 600 dar, die den Betrieb eines Abgassystems abbildet, das ein Abgasumlenkventil 80 und einen Abgaspartikelfilter 72 und einen Abgaspartikelfilterheizer 78 umfasst, positioniert in einer Abgasumgehungsleitung 82. Die Zeitachse 600 beinhaltet Trendlinien für den Kraftmaschinenstatus 604, die Kraftmaschinentemperatur, T_engine 610, die Kraftstoffeinspritzströmungsrate, Q_inj 620, die Abgaspartikelfiltertemperatur, T_PF 630, den Abgaspartikelfilterdruckabfall, ΔP_PF 640, die Abgasumlenkventilposition 650, den Abgaspartikelfilterheizerstatus 660 und den Abgaspartikelfilterregenerationsstatus 670. Ebenfalls in der Zeitachse 600 gezeigt werden die Schwellenkraftmaschinentemperatur, T_engine,TH 612, die Schwellenkraftstoffeinspritzströmungsrate, Q_inj,TH 622, die Schwellenfiltertemperatur, T_PF,TH 632, der Schwellenfilterdruckabfall, und ΔP_PF,TH 642.
Zu einem Zeitpunkt < Zeitpunkt t1 ist die Kraftmaschine AUS, T_engine ist niedrig (z. B. niedriger als T_engine,TH), Q_inj ist niedrig (niedriger als Q_inj,TH), T_PF < T_PF,TH, das Abgasumlenkventil ist so positioniert, dass der Abgaspartikelfilter umgangen wird, der Abgaspartikelfilterheizer ist AUS, und der Abgaspartikelfilterregenerationsstatus ist AUS. ΔP_PF ist auf einer moderaten Ebene größer als ΔP_PF,TH, möglicherweise aufgrund des vorhergehenden Fahrzeugbetriebs, als der Abgaspartikelfilter teilweise mit Feinstaubpartikeln vom Kaltstartkraftmaschinenbetrieb zugesetzt war. Zum Zeitpunkt t1, die Kraftmaschine ist EIN, erhöht sich Q_inj über Q_inj,TH und die Kraftmaschinentemperatur beginnt zu steigen, was auf die Kraftstoffverbrennung in der Kraftmaschine hinweist. In Reaktion darauf, dass die Kraftmaschine EIN ist und T_engine < T_engine,TH (z. B. bei Kaltstartbedingungen), positioniert die Steuerung 12 das Abgasumlenkventil so, dass Abgas zum Abgaspartikelfilter umgeleitet wird, sodass die durch Verbrennung in der kalten Kraftmaschine erzeugten Feinstaubpartikel aus der Auslassleitung gefiltert und die Feinstaubemissionen reduziert werden können. Folglich beginnt nach dem Zeitpunkt t1 ein Anstieg von ΔP_PF, da im Abgaspartikelfilter Feinstaubpartikel eingeschlossen sind. Wenn T_engine steigt, kann sich die Rate der durch die Kraftstoffverbrennung erzeugten Feinstaubpartikel verringern, die Rate des Anstiegs von ΔP_PF kann sich jedoch in Reaktion auf die höheren Niveaus von Feinstaubpartikeln, die im Abgaspartikelfilter enthalten sind, erhöhen.
Zum Zeitpunkt t2 erhöht sich T_engine über T_engine,TH, was auf Bedingungen einer warmen Kraftmaschine hinweist. In Reaktion darauf kann die Steuerung 12 das Abgasumlenkventil so positionieren, dass das Abgas so geleitet wird, dass es den Abgaspartikelfilter umgeht, da die Feinstaubpartikelerzeugungsraten während der Bedingungen einer warmen Kraftmaschine im Vergleich zu Bedingungen einer kalten Kraftmaschine, wenn T_engine < T_engine,TH ist, sehr niedrig sein können. Folglich erhöht sich ab dem Zeitpunkt t2 ΔP_PF nicht weiter, da durch den Abgaspartikelfilter 72 keine weiteren Feinstaubpartikel aus dem Abgas gefiltert werden. In Reaktion auf T_engine > T_engine,TH und in Reaktion auf Q_inj > Q_inj,TH (Bedingungen einer warmen Kraftmaschine und Kraftstoffverbrennungsbedingungen) schaltet die Steuerung 12 den Abgaspartikelfilterheizer EIN, um das Vorheizen des Abgaspartikelfilters in Vorbereitung auf die Filterregeneration zu beginnen. Wie beim Zeitpunkt t2 gezeigt, beginnt T_PF sich in Reaktion darauf, dass der Heizerstatus 660 EIN ist, zu erhöhen.
Zum Zeitpunkt t3 sinkt Q_inj unter Q_inj,TH, was auf eine SAS oder ein anderes Kraftmaschinenabschaltereignis außerhalb von Kraftmaschinenkraftstoffverbrennungsbedingungen hinweist. Da zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 T_PF < T_PF,TH ist, ist die Abgaspartikelfiltertemperatur zur Filterregeneration nicht ausreichend hoch, und die Steuerung 12 belässt das Abgasumlenkventil so positioniert, dass das Abgas den Abgaspartikelfilter umgeht und der Partikelfilterregenerationsstatus AUS bleibt. Zum Zeitpunkt t4 erhöht sich T_PF über T_PF,TH, was darauf hinweist, dass der Abgaspartikelfilter vorgeheizt und zur Filterregeneration bereit ist. In Reaktion darauf, dass T_PF über T_PF,TH ansteigt, schaltet die Steuerung den Abgaspartikelfilterheizer aus, was dadurch angegeben ist, dass sich der Heizerstatus zum Zeitpunkt t4 zu AUS ändert. Da zum Zeitpunkt t4 Q_inj größer als Q_inj,TH ist, läuft die Kraftmaschine unter Kraftstoffverbrennungsbedingungen, und die Steuerung 12 belässt das Abgasumlenkventil so positioniert, dass der Abgaspartikelfilter umgangen wird.
Zum Zeitpunkt t5 sinkt Q_inj noch einmal unter Q_inj,TH, was auf eine SAS oder ein Kraftmaschinenabschaltereignis außerhalb von Kraftmaschinenkraftstoffverbrennungsbedingungen hinweist. In Reaktion auf das SAS-Ereignis und in Reaktion auf T_PF > T_PF,TH und da ΔP_PF > ΔP_PF,TH ist (was darauf hinweist, dass der Filter einen wesentlichen Feinstaubpartikelgehalt aufweist, der regeneriert werden kann), kann die Steuerung 12 das Abgasumlenkventil so positionieren, dass das Abgas so geleitet wird, dass es von der Hauptauslassleitung zur Abgasumgehungsleitung 82 durch den Abgaspartikelfilter 72 strömt. Da die Kraftmaschine zum Zeitpunkt t5 außerhalb von Kraftstoffverbrennungsbedingungen betrieben wird, kann das Abgas primär Luft oder Sauerstoff sein. Der Abgassauerstoff, der durch den vorgeheizten Abgaspartikelfilter strömt, kann die darin enthaltenen Feinstaubpartikel oxidieren und verbrennen, wodurch der Abgaspartikelfilter regeneriert wird.
Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 sind T_PF > T_PF,TH, ΔP_PF > ΔP_PF,TH, und Q_inj erhöht sich mehrfach über und sinkt danach unter Q_inj,TH, was auf Zeiträume eines Kraftmaschinenbetriebs mit und ohne (z. B. SAS) Kraftstoffverbrennung hinweist. Dementsprechend positioniert die Steuerung 12 zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 in Reaktion auf einen Anstieg von Q_inj über Q_inj,TH das Abgasumlenkventil so, dass Abgas so geleitet wird, dass es den Abgaspartikelfilter umgeht und der Partikelfilterregenerationsstatus AUS ist. Umgekehrt positioniert die Steuerung 12 zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 in Reaktion auf ein Absinken von Q_inj unter Q_inj,TH das Abgasumlenkventil so, dass Abgas durch den Abgaspartikelfilter strömt und der Partikelfilterregenerationsstatus auf EIN geschaltet ist. Wenn der Partikelfilterregenerationsstatus auf EIN geschaltet ist, verringert sich ΔP_PF; wenn der Partikelfilterregenerationsstatus auf AUS geschaltet ist, bleibt ΔP_PF relativ konstant, da Abgas den Abgaspartikelfilter umgeht.
Zum Zeitpunkt t6 sinkt ΔP_PF unter ΔP_PF,TH, was auf einen Abschluss der Filterregeneration hindeutet (z. B. wurden die im Feinstaubpartikelfilter enthaltenen Feinstaubpartikel in einem gewissen Ausmaß oxidiert und verbrannt, wodurch der Druckabfall entlang dem Filter aufgrund der darin enthaltenen Feinstaubpartikel den Abgasstrom nicht negativ beeinflusst). In Reaktion darauf positioniert die Steuerung 12 das Abgasumlenkventil so, dass es Abgas so leitet, dass es den Abgaspartikelfilter umgeht und der Partikelfilterregenerationsstatus auf AUS geschaltet ist. Darüber hinaus bleibt nach t6 der Partikelfilterregenerationsstatus aus, und das Abgasumlenkventil bleibt so positioniert, dass es Abgas so lenkt, dass der Abgaspartikelfilter selbst dann umgangen wird, wenn Q_inj unter Q_inj,TH absinkt (wobei T_PF > T_PF,TH und T_engine > T_engine, T_H), da ΔP_PH < ΔP_PF,TH.
Auf diese Weise kann der Abgaspartikelfilter während Kraftmaschinenabschaltereignissen wie SAS zuverlässig regeneriert werden, während eine vorzeitige Qualitätsverschlechterung des Filters reduziert wird. Ferner bleiben durch Vermeiden einer Einschränkung der Kraftmaschinenabschaltereignisse während der Filterregeneration Fahrbarkeit und Kraftstoffwirtschaftlichkeit aufrechterhalten. Weiterhin kann durch Umleiten des Abgasstroms zum Abgaspartikelfilter während Kraftmaschinenkaltstartbedingungen und Umgehen des Abgaspartikelfilters während Verbrennungsbedingungen einer warmen Kraftmaschine die Abgaspartikelfiltergröße reduziert werden, wodurch Herstellungskosten gesenkt werden und die Zuverlässigkeit verbessert wird, während das Niveau der Feinstaubemissionen des Fahrzeugs beibehalten bleibt.
Es ist anzumerken, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Kraftmaschinen- und/oder Fahrzeugsystemauslegungen verwendbar sind. Die hier offenbarten Steuerungsverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in nicht-flüchtigem Speicher gespeichert werden und können durch das Steuerungssystem, einschließlich der Steuerung zusammen mit den verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und anderer Kraftmaschinenhardware ausgeführt werden. Die spezifischen Routinen, die hier beschrieben werden, können eine oder mehrere von einer beliebigen Zahl von Verarbeitungsstrategien wie z. B. ereignisgesteuert, interruptgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen aufweisen. Somit können verschiedene dargestellte Aktionen, Betriebe und/oder Funktionen im dargestellten Ablauf oder parallel durchgeführt werden oder in einigen Fällen weggelassen werden. Dementsprechend ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zu erreichen, sondern dient lediglich der Erleichterung der Darstellung und Beschreibung. Eine oder mehrere der dargestellten Aktionen, Betriebe und/oder Funktionen können in Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Darüber hinaus können die beschriebenen Aktionen, Betriebe und/oder Funktionen grafisch einen im nicht-flüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums im Kraftmaschinensteuerungssystem zu programmierenden Code darstellen, wobei die beschriebenen Aktionen durch Ausführen der Anweisungen in einem System, einschließlich den verschiedenen Kraftmaschinenhardwarekomponenten zusammen mit der elektronischen Steuerung, umgesetzt werden.
Es versteht sich, dass die hier offenbarten Auslegungen und Routinen beispielhafter Natur 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-, 4-Zylinder-Boxer- und andere Kraftmaschinentypen anwendbar. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Auslegungen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften ein, die hier offenbart werden.
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 einschließen, 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8424295 [0002]

Claims

Verfahren für eine Kraftmaschine, das Folgendes umfasst: während einer Kaltstartbedingung, die eine Kraftmaschinentemperatur umfasst, die unter einer Schwellenkraftmaschinentemperatur liegt, Leiten von Kraftmaschinenabgas zu einem Abgaspartikelfilter; und während einer Bedingung einer warmen Kraftmaschine Leiten von Kraftmaschinenabgas zum Umgehen des Abgaspartikelfilters, wobei die Bedingung einer warmen Kraftmaschine umfasst, dass die Kraftmaschinentemperatur größer als die oder gleich der Schwellenkraftmaschinentemperatur ist und in der Kraftmaschine Kraftstoff verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner nur während der Kaltstartbedingung das Leiten von verbranntem Abgas zum Abgaspartikelfilter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner während der Bedingung einer warmen Kraftmaschine das Heizen des Abgaspartikelfilters und während der Kaltstartbedingung das Stoppen des Heizens des Abgaspartikelfilters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner während einer Regenerationsbedingung das Leiten von Kraftmaschinenabgas zum Abgaspartikelfilter umfasst, wobei die Regenerationsbedingung umfasst, dass die Kraftmaschinentemperatur größer als die oder gleich der Schwellenkraftmaschinentemperatur ist und eine Kurbelwellenbeschleunigung kleiner als eine Schwellenkurbelwellenbeschleunigung ist.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner ein Leiten von Kraftmaschinenabgas umfasst, sodass es während der Regenerationsbedingung in Reaktion auf einen Abgaspartikelfilterdruckabfall, der geringer als ein Schwellendruckabfall ist, den Abgaspartikelfilter umgeht.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner während der Regenerationsbedingung ein Stoppen des Heizens des Abgaspartikelfilters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Stoppen des Heizens des Abgaspartikelfilters in Reaktion darauf umfasst, dass eine Abgaspartikelfiltertemperatur größer als eine Schwellenfiltertemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner ein thermisches Isolieren des Abgaspartikelfilters umfasst.
Verfahren, das Folgendes umfasst: in Reaktion darauf, dass eine Kraftmaschinentemperatur größer als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, Leiten von Abgas, sodass während einer Kraftmaschinenkraftstoffverbrennung ein Abgaspartikelfilter umgangen wird, und Heizen des Abgaspartikelfilters, wenn eine Abgaspartikelfiltertemperatur unter eine Schwellenfiltertemperatur sinkt; und in Reaktion darauf, dass eine Kraftmaschinentemperatur kleiner als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, Leiten von Abgas zum Abgaspartikelfilter und Stoppen des Heizens des Abgaspartikelfilters.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner in Reaktion darauf, dass die Kraftmaschinentemperatur größer als die Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, das Leiten von Abgas zum Abgaspartikelfilter während der Schubabschaltung (SAS) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner in Reaktion darauf, dass die Abgaspartikelfiltertemperatur durch das Heizen über die Schwellenfiltertemperatur ansteigt, das Leiten von unverbranntem Abgas umfasst, sodass der Abgaspartikelfilter regeneriert wird.
Kraftmaschinensystem, das Folgendes umfasst: eine Kraftmaschine; einen Abgaspartikelfilter, der in einer der Kraftmaschine nachgelagerten Abgasumgehungsleitung positioniert ist; ein Abgasumlenkventil, das in einer der Abgasumgehungsleitung vorgelagerten Abgashauptleitung positioniert ist; und eine Steuerung, die ausführbare Anweisungen enthält, um während einer ersten Bedingung, die eine Kraftmaschinentemperatur umfasst, die niedriger als eine Schwellenkraftmaschinentemperatur ist, das Abgasumlenkventil so zu positionieren, dass Kraftmaschinenabgas von der Abgashauptleitung zur Abgasumgehungsleitung geleitet wird; und während einer zweiten Bedingung das Abgasumlenkventil so zu positionieren, dass Kraftmaschinenabgas so geleitet wird, dass es die Abgasumgehungsleitung umgeht, wobei die zweite Bedingung umfasst, dass die Kraftmaschinentemperatur größer als die oder gleich der Schwellenkraftmaschinentemperatur ist und in der Kraftmaschine Kraftstoff verbrannt wird.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 12, das ferner einen Abgaspartikelfilterheizer umfasst, wobei die ausführbaren Anweisungen ferner während der zweiten Bedingung ein Heizen des Abgaspartikelfilters mit dem Abgaspartikelfilterheizer auf eine Regenerationstemperatur umfassen.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 13, wobei der Abgaspartikelfilterheizer ein elektrisches Heizelement umfasst, das thermisch mit dem Abgaspartikelfilter gekoppelt ist.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 14, wobei der Abgaspartikelfilterheizer eine dem Abgaspartikelfilter vorgelagerte und mit dem Abgaspartikelfilter thermisch gekoppelte Abgasreinigungsvorrichtung umfasst, und das Heizen des Abgaspartikelfilters während der zweiten Bedingung das Übertragen von thermischer Energie von der Abgasreinigungsvorrichtung zum Abgaspartikelfilter umfasst, wobei der Filter regeneriert wird, ohne dass Kraftmaschinenabgas hindurchströmt.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 15, wobei die ausführbaren Anweisungen ferner während einer dritten Bedingung ein solches Positionieren des Abgasumlenkventils umfassen, dass Kraftmaschinenabgas zur Abgasumgehungsleitung und zum Abgaspartikelfilter geleitet wird, wobei die dritte Bedingung eine Kurbelwellenbeschleunigungsrate umfasst, die kleiner als eine Schwellenkurbelwellenbeschleunigung ist, während die Kraftmaschinentemperatur größer als die Schwellenkraftmaschinentemperatur ist.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 16, wobei die dritte Bedingung ferner umfasst, dass die Abgaspartikelfiltertemperatur größer als die Regenerationstemperatur und ein Abgaspartikelfilterdruckabfall größer als ein Schwellendruckabfall ist.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 17, wobei die ausführbaren Anweisungen ferner während der dritten Bedingung in Reaktion auf ein Absinken des Abgaspartikelfilterdruckabfalls unter den Schwellendruckabfall ein solches Positionieren des Abgasumlenkventils umfassen, dass Kraftmaschinenabgas so geleitet wird, dass es die Abgasumgehungsleitung umgeht.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 18, wobei die ausführbaren Anweisungen ferner während der dritten Bedingung in Reaktion auf ein Absinken der Abgaspartikelfiltertemperatur unter die Regenerationstemperatur ein solches Positionieren des Abgasumlenkventils umfassen, dass Kraftmaschinenabgas so geleitet wird, dass es die Abgasumgehungsleitung umgeht.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 12, wobei eine Querschnittsfläche der Abgasumgehungsleitung kleiner als eine Querschnittsfläche der Abgashauptleitung ist.