DE102022104753A1

DE102022104753A1 - Emissionssteuerung während motorkaltstarts

Info

Publication number: DE102022104753A1
Application number: DE102022104753.9A
Authority: DE
Inventors: Xiaogang Zhang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2022-09-08
Also published as: CN115030801A; US11193438B1

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme für einen Motor eines Fahrzeugs während eines Kaltstarts bereitgestellt. In einem Beispiel kann ein Verfahren Erwärmen eines Katalysators einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Vielzahl von elektrischen Heizungen während eines Motorbetriebs ohne Kraftstoffzufuhr beinhalten. Der Motor kann als Pumpe betrieben werden, um Luft über die Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu oszillieren, wodurch die Luft über die Vielzahl von elektrischen Heizungen erwärmt wird, die wiederum den Katalysator erwärmt. Eine Konfiguration des Katalysators kann ein beschleunigtes Anspringen fördern, das Emissionen während des Kaltstarts verringern kann.

Description

Gebiet
Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme für einen Motor während eines Kaltstarts.
Allgemeiner Stand der Technik
Verschiedene Strategien und Techniken können in modernen Fahrzeugen umgesetzt werden, um Emissionen zu verringern. Beispielsweise können eine oder mehrere Emissionssteuervorrichtungen in Fahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine beinhaltet sein. Die eine oder mehreren Emissionssteuervorrichtungen können einen Katalysator beinhalten, der dazu konfiguriert ist, Verbrennungsnebenprodukte vor Freisetzung in die Atmosphäre zu behandeln. Ein Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators ist jedoch von einer Temperatur des Katalysators abhängig. Als ein Beispiel kann eine Katalysatortemperatur unter einer Schwellentemperatur, z. B. einer Anspringtemperatur, eine Kapazität des Katalysators zum Behandeln von Emissionen beeinträchtigen.
Während Motorkaltstarts kann die Katalysatortemperatur unter der Schwellentemperatur liegen, während Kohlenwasserstoffemissionen aufgrund von schlechter Verdampfung, Kraftstofffilmbildung und unzureichender Zeit für das Verdampfen des Flüssigkeitsfilms während Ansaug- und Verdichtungstakten erhöht sein. Eine Verdampfung des Films während eines Ausstoßtakts kann zu hohen Kohlenwasserstoffemissionen zu einem Abgassystem führen, in dem Katalysatoren möglicherweise noch nicht angesprungen sind, um die Kohlenwasserstoffe zu oxidieren.
Beispiele für Versuche, erhöhte Emissionen während Motorkaltstarts zu beheben, beinhalten die Anwendung von elektrischen Heizungen und komplexen Kühlmittelanordnungen. Durch diese Anordnungen können sich jedoch die Herstellungskosten erhöhen, während gleichzeitig Pumpen und Ventile auf Grundlage komplexer Verfahren betrieben werden müssen. Weiterhin kann ein Zeitraum zum Erwärmen des Katalysators auf die Anspringtemperatur aufgrund einer Größe und geringen Wärmeleitfähigkeit des Katalysatorsubstrats unerwünscht langsam sein. Darüber hinaus können die Bildung eines Kraftstofffilms und eine schlechte Verdampfung während Motorkaltstarts zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führen, um Kraftstoffverluste am Motor auszugleichen, bevor der Katalysator eine Anspringtemperatur erreicht, was die Emissionen von Kohlenwasserstoffen weiter verschlimmern und die Kraftstoffeffizienz verringern kann.
Kurzdarstellung
In einem Beispiel können die vorstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise durch ein Verfahren für einen Motor behoben werden, das Erwärmen eines Katalysators einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Vielzahl von elektrischen Heizungen während eines Motorbetriebs ohne Kraftstoffzufuhr beinhaltet, indem der Motor verwendet wird, um Luft zwischen einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung über die Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu oszillieren. Auf diese Weise erreicht die Abgasnachbehandlungsvorrichtung die Anspringtemperatur schnell, was eine effiziente katalytische Umwandlung während Motorkaltstarts ermöglicht.
Als ein Beispiel kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen Mehrsubstratkatalysator mit mehreren Substraten beinhalten, die entlang einer Richtung eines Luftstroms durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung gestapelt sind. Während eines Motorstarts kann ein nicht gezündeter Motor ohne Kraftstoffzufuhr verwendet werden, um Luft zu pumpen, wenn der Motor mit geöffneten Einlass- und Auslassventilen des Motors angelassen wird. Luft wird in dem Ansaug- und Abgassystem oszilliert (z. B. im Verhältnis zu einer Gasstromrichtung durch das Abgassystem hin- und herzirkuliert) und Luft in dem Abgassystem kann durch die Vielzahl von elektrischen Heizungen erwärmt werden, die zwischen den Substraten des Mehrsubstratkatalysators angeordnet sind. Durch die Oszillation von erwärmter Luft, während der Motor ohne Kraftstoffzufuhr ist, wird die Erzeugung von Emissionen verzögert, bis eines oder mehrere der Substrate eine Anspringtemperatur erreichen. Der Motor kann dann ohne Verlust an Umwandlungswirkungsgrad am Katalysator angelassen werden, wodurch Emissionen während Kaltstarts verringert werden und eine Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs beibehalten wird.
Es versteht sich, dass die vorstehende Kurzdarstellung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben werden. Sie ist nicht dazu gedacht, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu nennen, dessen Umfang einzig durch die Ansprüche im Anschluss an die detaillierte Beschreibung definiert ist. Des Weiteren ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die beliebige der vorstehend oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile beheben.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Schema eines Motors, der in einem Hybridfahrzeug beinhaltet ist, wobei der Motor ein Abgassystem mit einer Nachbehandlungsvorrichtung beinhaltet.
2A veranschaulicht einen ersten beispielhaften Betrieb einer Vielzahl von Zylindern während einer Motorstartanforderung.
2B veranschaulicht einen zweiten beispielhaften Betrieb einer Vielzahl von Zylindern während einer Motorstartanforderung.
3A veranschaulicht ein Beispiel der Nachbehandlungsvorrichtung aus 1, wobei Gas während der Motorstartanforderung entlang einer ersten Richtung strömt.
3B veranschaulicht die Nachbehandlungsvorrichtung aus 3A, wobei Gas während der Motorstartanforderung entlang einer zweiten Richtung strömt.
4A-4B veranschaulichen ein Verfahren zum Ausführen eines Motorstarts als Reaktion auf eine Motorstartanforderung, wenn eine Katalysatortemperatur unter einer Schwellentemperatur liegt.
5 veranschaulicht eine beispielhafte Motorbetriebssequenz, die Motorbedingungen als Reaktion auf eine Motorstartanforderung veranschaulicht, wenn eine Katalysatortemperatur unter einer Anspringtemperatur liegt.
6 veranschaulicht beispielhafte Vorgänge einer Vielzahl von elektrischen Heizungen, die an einen Katalysator einer Nachbehandlungsvorrichtung gekoppelt sind.

Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren für einen Motor während eines Kaltstarts. In einem Beispiel ist der Motor ein Motor eines Hybridfahrzeugs, wie in 1 veranschaulicht. Ein Abgassystem des Motors kann mehr als eine elektrische Heizung umfassen, die an einen Katalysator mit mehr als einem Substrat gekoppelt ist. Beispielsweise kann der Motor mindestens zwei elektrische Heizungen aufweisen, die an mindestens drei Katalysatorsubstrate gekoppelt sind. Der Motor kann unter bestimmten Bedingungen betrieben werden, um Gase durch den Katalysator und die elektrischen Heizungen hin- und herzupumpen, um den Katalysator schneller zu erwärmen. Zum Pumpen der Gase kann der Motor ohne Kraftstoffzufuhr angelassen werden. Einlass- und Auslassventile des Motors können geöffnet werden, um Pumpverluste zu verringern, während Gase in dem Ansaug- und Abgassystem verdrängt werden, wie in den 2A und 2B dargestellt. Ein Beispiel für einen oszillierenden Gasstrom durch die Heizungen und den Katalysator ist in den 3A und 3B veranschaulicht. Ein Verfahren zum Betreiben des Motors als Reaktion auf eine Startanforderung während Kaltstartbedingungen ist in den 4A-4B veranschaulicht. 5 veranschaulicht eine beispielhafte Motorbetriebssequenz, die Motorbedingungen als Reaktion auf eine Motorstartanforderung veranschaulicht, wenn eine Katalysatortemperatur unter einer Anspringtemperatur liegt. Ein Beispiel dafür, wie die elektrischen Heizungen als Reaktion auf die Katalysatortemperatur betrieben werden können, ist in 6 abgebildet.
Die 3A-3B zeigen beispielhafte Konfigurationen mit einer relativen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Wenn sich derartige Elemente laut Darstellung direkt berühren oder direkt aneinander gekoppelt sind, können derartige Elemente wenigstens in einem Beispiel als sich direkt berührend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die zusammenhängend oder aneinander angrenzend gezeigt sind, zumindest in einem Beispiel zusammenhängen bzw. aneinander angrenzen. Als ein Beispiel können Komponenten, die in einem flächenteilenden Kontakt zueinander liegen als in flächenteilendem Kontakt bezeichnet werden. Als ein anderes Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt positioniert sind, wobei sich dazwischen nur ein Zwischenraum befindet und keine anderen Komponenten, in mindestens einem Beispiel derart bezeichnet werden. In einem anderen Beispiel können Elemente, die über-/untereinander, an gegenüberliegenden Seiten voneinander oder links/rechts voneinander dargestellt sind, in Relation zueinander als solche bezeichnet werden. Ferner kann, wie in den Figuren dargestellt, ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements in mindestens einem Beispiel als „Oberteil“ der Komponente bezeichnet werden und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements als „Unterteil“ der Komponente bezeichnet werden. Im hier verwendeten Sinne kann sich Oberteil/Unterteil, obere(r/s)/untere(r/s), über/unter auf eine vertikale Achse der Figuren beziehen und verwendet werden, um die Anordnung von Elementen der Figuren in Relation zueinander zu beschreiben. Demnach sind in einem Beispiel Elemente, die über anderen Elementen dargestellt sind, vertikal über den anderen Elementen positioniert. Als noch ein anderes Beispiel können Formen der Elemente, die in den Figuren abgebildet sind, als diese Formen aufweisend (z. B. als kreisförmig, gerade, planar, gekrümmt, abgerundet, abgeschrägt, abgewinkelt oder dergleichen) bezeichnet werden. Ferner können Elemente, die einander schneidend dargestellt sind, in mindestens einem Beispiel als einander schneidende Elemente oder einander schneidend bezeichnet werden. Noch ferner kann ein Element, das innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements dargestellt ist, in einem Beispiel derart bezeichnet werden. Es versteht sich, dass eine oder mehrere Komponenten, die als „im Wesentlichen ähnlich und/oder identisch“ bezeichnet werden, sich gemäß Herstellungstoleranzen (z. B. innerhalb von 1-5 % Abweichung) voneinander unterscheiden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren ist in 1 ein Beispiel für einen Zylinder 14 einer Brennkraftmaschine 10 abgebildet, die in einem Fahrzeug 5 beinhaltet sein kann. Der Motor 10 kann zumindest teilweise durch ein Steuersystem, das eine Steuerung 12 beinhaltet, und durch Eingabe von einem Fahrzeugführer 130 über eine Eingabevorrichtung 132 gesteuert werden. In diesem Beispiel beinhaltet die Eingabevorrichtung 132 ein Fahrpedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Der Zylinder (in dieser Schrift auch „Brennkammer“) 14 des Motors 10 kann Brennkammerwände 136 mit einem darin positionierten Kolben 138 beinhalten. Der Kolben 138 kann an eine Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, sodass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt wird. Die Kurbelwelle 140 kann über ein Getriebe 54 an mindestens ein Fahrzeugrad 55 gekoppelt sein, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. Ferner kann ein Startermotor (nicht dargestellt) über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, um einen Startvorgang des Motors 10 zu ermöglichen.
In einigen Beispielen kann das Fahrzeug 5 ein Hybridfahrzeug mit mehreren Drehmomentquellen sein, die einem oder mehreren Fahrzeugrädern 55 zur Verfügung stehen. In anderen Beispielen handelt es sich bei dem Fahrzeug 5 um ein herkömmliches Fahrzeug nur mit einem Motor. In dem dargestellten Beispiel beinhaltet das Fahrzeug 5 einen Motor 10 und eine elektrische Maschine 52. Die elektrische Maschine 52 kann ein Elektromotor oder ein Motorgenerator sein. Die Kurbelwelle 140 des Motors 10 und die elektrische Maschine 52 sind über das Getriebe 54 mit den Fahrzeugrädern 55 verbunden, wenn eine oder mehrere Kupplungen 56 eingerückt sind. In dem abgebildeten Beispiel ist eine erste Kupplung 56 zwischen der Kurbelwelle 140 und der elektrischen Maschine 52 bereitgestellt und ist eine zweite Kupplung 56 zwischen der elektrischen Maschine 52 und dem Getriebe 54 bereitgestellt. Die Steuerung 12 kann ein Signal an einen Aktor jeder Kupplung 56 senden, um die Kupplung einzurücken oder auszurücken, um die Kurbelwelle 140 mit der elektrischen Maschine 52 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden bzw. von diesen zu trennen und/oder um die elektrische Maschine 52 mit dem Getriebe 54 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden bzw. von diesen zu trennen. Bei dem Getriebe 54 kann es sich um ein Schaltgetriebe, ein Planetenradsystem oder eine andere Getriebeart handeln.
Der Antriebsstrang kann verschiedenartig konfiguriert sein, darunter als ein Parallel-, Serien- oder Serien-Parallel-Hybridfahrzeug. In Ausführungsformen als Elektrofahrzeug kann eine Systembatterie 61 eine Traktionsbatterie sein, die der elektrischen Maschine 52 elektrische Leistung zuführt, um den Fahrzeugrädern 55 Drehmoment bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann die elektrische Maschine 52 außerdem als Generator betrieben werden, um zum Beispiel während eines Bremsbetriebs elektrische Leistung zum Laden der Systembatterie 61 bereitzustellen. Es versteht sich, dass die Systembatterie 61 in anderen Ausführungsformen, einschließlich Ausführungsformen als Nicht-Elektrofahrzeug, eine typische Starter-, Licht- und Zündbatterie (starting, lighting, ignition battery - SLI-Batterie) sein kann, die an eine Lichtmaschine 46 gekoppelt ist.
Die Lichtmaschine 46 kann dazu konfiguriert sein, die Systembatterie 61 unter Verwendung von Motordrehmoment über die Kurbelwelle 140 bei laufendem Motor zu laden. Darüber hinaus kann die Lichtmaschine 46 ein oder mehrere elektrische Systeme des Motors, wie etwa ein oder mehrere Hilfssysteme, die ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystem (HLK-System), Fahrzeugleuchten, ein fahrzeugeigenes Unterhaltungssystem und andere Hilfssysteme beinhalten, auf der Grundlage ihrer entsprechenden elektrischen Bedarfe mit Leistung versorgen. In einem Beispiel kann ein an der Lichtmaschine entnommener Strom auf Grundlage von jedem von einem Fahrgastraumkühlbedarf des Bedieners, einer Batterieladeanforderung, Bedarfe von anderen Fahrzeughilfssystemen und Elektromotordrehmoment fortwährend variieren. Ein Spannungsregler kann an die Lichtmaschine 46 gekoppelt sein, um die Leistungsabgabe der Lichtmaschine auf Grundlage von Systemnutzungsanforderungen, einschließlich Hilfssystembedarfen, zu regulieren.
Der Zylinder 14 des Motors 10 kann über eine Reihe von Ansaugdurchlässen 142 und 144 und einen Ansaugkrümmer 146 Ansaugluft empfangen. Der Ansaugkrümmer 146 kann zusätzlich zum Zylinder 14 mit anderen Zylindern des Motors 10 kommunizieren. Einer oder mehrere der Ansaugkanäle können eine oder mehrere Aufladevorrichtungen beinhalten, wie etwa einen Turbolader oder einen Kompressor. Beispielsweise ist der Motor 10 der Darstellung in 1 nach mit einem Turbolader konfiguriert, der einen Verdichter 174, der zwischen den Ansaugkanälen 142 und 144 angeordnet ist, und eine Abgasturbine 176, die entlang eines Abgaskanals 135 angeordnet ist, beinhaltet. Der Verdichter 174 kann zumindest teilweise über eine Welle 180 durch die Abgasturbine 176 mit Leistung versorgt werden, wenn die Aufladevorrichtung als Turbolader konfiguriert ist. In anderen Beispielen, wie etwa, wenn der Motor 10 mit einem Kompressor versehen ist, kann der Verdichter 174 jedoch durch mechanische Eingabe von dem Motor mit Leistung versorgt werden und kann die Abgasturbine 176 optional weggelassen sein. In wieder anderen Beispielen kann der Motor 10 mit einem elektrischen Kompressor (z. B. einem „eBooster“) versehen sein und kann der Verdichter 174 durch einen Elektromotor angetrieben werden.
Eine Drossel 162, die eine Drosselklappe 164 beinhaltet, kann in den Motoransaugkanälen bereitgestellt sein, um die Strömungsgeschwindigkeit und/oder den Druck der Ansaugluft zu variieren, die den Motorzylindern bereitgestellt wird. Wie in 1 dargestellt, kann die Drossel 162 zum Beispiel stromabwärts des Verdichters 174 positioniert sein oder kann alternativ dazu stromaufwärts des Verdichters 174 bereitgestellt sein.
Ein Abgaskrümmer 148 kann zusätzlich zu dem Zylinder 14 Abgase aus anderen Zylindern des Motors 10 aufnehmen. Ein Abgassensor 126 ist der Darstellung nach stromaufwärts einer Nachbehandlungsvorrichtung 70 an den Abgaskrümmer 148 gekoppelt. Der Abgassensor 126 kann aus verschiedenen geeigneten Sensoren zum Bereitstellen einer Angabe eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (LKV) des Abgases ausgewählt sein, wie etwa einer linearen Lambdasonde oder UEGO-Sonde (Breitband- oder Weitbereichslambdasonde), einer binären Lambdasonde oder EGO-Sonde, einer HEGO-Sonde (beheizten EGO-Sonde), einem NOx-, HC- oder CO-Sensor. In dem Beispiel aus 1 ist der Abgassensor 126 ein UEGO. Bei der Nachbehandlungsvorrichtung 70 kann es sich um einen Dreiwegekatalysator, eine NOx-Falle, verschiedene andere Emissionssteuervorrichtungen oder Kombinationen davon handeln. In dem Beispiel aus 1 ist die Nachbehandlungsvorrichtung 70 ein Dreiwegekatalysator.
In einem Beispiel kann die Nachbehandlungsvorrichtung 70 einen Mehrsubstratkatalysator beinhalten, der aus mehr als einem Katalysatorsubstrat gebildet ist. Jedes Katalysatorsubstrat ist ein Abschnitt, z. B. ein Wabenkörper, des Dreiwegekatalysators der Nachbehandlungsvorrichtung 70 in dem Beispiel aus 1. Beispielsweise kann jeder Abschnitt des Mehrsubstratkatalysators aus einem Material gebildet sein, das eine oder mehrere chemische Reaktionen, wie etwa die Umwandlung von CO zu CO₂, HCs zu H₂O und CO₂ usw., katalysiert. Weiterhin können in einigen Fällen eine oder mehrere elektrische Heizungen 75, wie in 1 dargestellt, an den Katalysator der Nachbehandlungsvorrichtung 70 gekoppelt sein, um den Katalysator elektrisch zu erwärmen.
Jeder Zylinder des Motors 10 kann ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile beinhalten. Beispielsweise beinhaltet der Zylinder 14 der Darstellung nach mindestens ein Einlasstellerventil 150 und mindestens ein Auslasstellerventil 156, die in einem oberen Bereich des Zylinders 14 positioniert sind. In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Motors 10, einschließlich des Zylinders 14, mindestens zwei Einlasstellerventile und mindestens zwei Auslasstellerventile beinhalten, die sich in einem oberen Bereich des Zylinders befinden. Das Einlassventil 150 kann durch die Steuerung 12 über einen Einlassaktor 152 gesteuert werden. Ebenso kann das Auslassventil 156 über einen Aktor 154 durch die Steuerung 12 gesteuert werden. Die Positionen des Einlassventils 150 und des Auslassventils 156 können durch jeweilige Ventilpositionssensoren (nicht dargestellt) bestimmt werden.
Unter einigen Bedingungen kann die Steuerung 12 die den Aktoren 152 und 154 bereitgestellten Signale variieren, um das Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlass- und Auslassventile zu steuern. Beispielsweise können die Ventilaktoren von einem Nockenbetätigungstyp sein und können die Steuerzeiten des Einlass- und Auslassventils gleichzeitig gesteuert werden, und es kann eine beliebige von einer Möglichkeit mit variablen Einlassnockensteuerzeiten, variablen Auslassnockensteuerzeiten, dualen unabhängigen variablen Nockensteuerzeiten oder festen Nockensteuerzeiten in Verbindung mit mehreren Nockenprofilen oder oszillierenden Nocken verwendet werden. In einigen Beispielen kann das Nockenbetätigungssystem ein einzelner Nocken sein und kann eines oder mehrere aus Systemen zur Nockenprofilverstellung (cam profile switching - CPS), variablen Nockenansteuerung (variable cam timing - VCT), variablen Ventilansteuerung (variable valve timing - VVT) und/oder zum variablen Ventilhub (variable valve lift - VVL), die durch die Steuerung 12 betrieben werden können, zum Variieren des Ventilbetriebs verwenden. In einem Beispiel kann das Nockenbetätigungssystem zusätzliche Stößel beinhalten, welche die Einlass-/Auslassventile an eine Nockenwelle koppeln, wobei die zusätzlichen Stößel dazu konfiguriert sind, die Ventile selektiv mit der Nockenwelle zu koppeln und von dieser zu entkoppeln. Auf diese Weise kann die Betätigung der Einlass-/Auslassventile unabhängig von der Drehung der Nockenwelle ermöglicht werden. In wieder anderen Beispielen kann ein nockenloses System verwendet werden und können die Aktoren 152, 154 elektronisch gesteuert werden. Beispielsweise können die Ventile elektropneumatische Ventile, elektrohydraulische Ventile oder elektromagnetische Ventile sein.
Der Zylinder 14 kann ein Verdichtungsverhältnis aufweisen, das ein Verhältnis vom Volumen des Kolbens 138 am unteren Totpunkt (UT) zu dem am oberen Totpunkt (OT) ist. In einem Beispiel liegt das Verdichtungsverhältnis im Bereich von 9:1 bis 10:1. In einigen Beispielen kann das Verdichtungsverhältnis jedoch erhöht sein, wenn andere Kraftstoffe verwendet werden. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn Kraftstoffe mit einer höheren Oktanzahl oder Kraftstoffe mit einer höheren latenten Verdampfungsenthalpie verwendet werden. Das Verdichtungsverhältnis kann zudem erhöht sein, falls Direkteinspritzung verwendet wird, da sich diese auf das Motorklopfen auswirkt.
Jeder Zylinder des Motors 10 kann eine Zündkerze 192 zum Einleiten einer Verbrennung beinhalten. Ein Zündsystem 190 kann der Brennkammer 14 als Reaktion auf ein Frühzündungssignal SA von der Steuerung 12 bei ausgewählten Betriebsmodi über die Zündkerze 192 einen Zündfunken bereitstellen. Steuerzeiten des Signals SA können auf Grundlage der Motorbetriebsbedingungen und des Fahrerdrehmomentbedarfs eingestellt werden. Zum Beispiel kann eine Zündung bei einem Zeitpunkt mit maximalem Bremsmoment (maximum brake torque - MBT) bereitgestellt werden, um die Leistung und den Wirkungsgrad des Motors zu maximieren. Die Steuerung 12 kann Motorbetriebsbedingungen, einschließlich Motordrehzahl und Motorlast, in eine Lookup-Tabelle eingeben und die entsprechenden MBT-Steuerzeiten für die eingegebenen Motorbetriebsbedingungen ausgeben. In anderen Beispielen kann der Zündfunken vom MBT nach spät verstellt werden, wie etwa, um das Aufwärmen des Katalysators während des Motorstarts zu beschleunigen oder ein Auftreten von Motorklopfen zu verringern.
In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Motors 10 mit einer oder mehreren Kraftstoffeinspritzeinrichtungen konfiguriert sein, welche diesen Kraftstoff bereitstellen. In der Darstellung beinhaltet der Zylinder 14 als nicht einschränkendes Beispiel eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 kann dazu konfiguriert sein, von einem Kraftstoffsystem 8 aufgenommenen Kraftstoff abzugeben. Das Kraftstoffsystem 8 kann eine(n) oder mehrere Kraftstofftanks, Kraftstoffpumpen und Kraftstoffverteiler beinhalten. Der Darstellung nach ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 direkt an den Zylinder 14 gekoppelt, um Kraftstoff proportional zu einer Impulsbreite eines Signals FPW, das von der Steuerung 12 über einen elektronischen Treiber 168 empfangen ist, direkt in diesen einzuspritzen. Auf diese Weise stellt die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 166 eine sogenannte Direkteinspritzung (im Folgenden auch als „DI“ (direct injection) bezeichnet) von Kraftstoff in den Zylinder 14 bereit. Während die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 der Darstellung in 1 nach auf einer Seite des Zylinders 14 positioniert ist, kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 alternativ dazu oberhalb des Kolbens angeordnet sein, wie etwa in der Nähe der Position der Zündkerze 192. Eine derartige Position kann das Vermischen und die Verbrennung verbessern, wenn der Motor mit einem Kraftstoff auf Alkoholbasis betrieben wird, da einige Kraftstoffe auf Alkoholbasis eine niedrigere Flüchtigkeit aufweisen. Alternativ dazu kann die Einspritzvorrichtung oberhalb und nahe dem Einlassventil angeordnet sein, um das Vermischen zu verbessern. Über eine Hochdruckkraftstoffpumpe und einen Kraftstoffverteiler kann Kraftstoff aus einem Kraftstofftank des Kraftstoffsystems 8 an die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 abgegeben werden. Ferner kann der Kraftstofftank einen Druckwandler aufweisen, welcher der Steuerung 12 ein Signal bereitstellt.
In einem alternativen Beispiel kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 in einer Konfiguration, die eine sogenannte Einlasskanaleinspritzung von Kraftstoff (im Folgenden auch als „PFI“ (port fuel injection) bezeichnet) in einen Einlasskanal stromaufwärts des Zylinders 14 bereitstellt, in einem Ansaugkanal angeordnet sein, anstatt direkt an den Zylinder 14 gekoppelt zu sein. In noch anderen Beispielen kann der Zylinder 14 mehrere Einspritzvorrichtungen beinhalten, die als Kraftstoffdirekteinspritzvorrichtungen, Einlasskanaleinspritzvorrichtungen oder eine Kombination daraus konfiguriert sein können. Demnach versteht es sich, dass die in dieser Schrift beschriebenen Kraftstoffsysteme nicht durch die in dieser Schrift beispielhaft beschriebenen konkreten Konfigurationen von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen beschränkt sein sollten.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 kann dazu konfiguriert sein, unterschiedliche Kraftstoffe aus dem Kraftstoffsystem 8 in variierenden relativen Mengen als Kraftstoffgemisch aufzunehmen, und sie kann ferner dazu konfiguriert sein, dieses Kraftstoffgemisch direkt in den Zylinder 14 einzuspritzen. Ferner kann während unterschiedlicher Takte eines einzelnen Zyklus des Zylinders Kraftstoff an den Zylinder 14 abgegeben werden. Zum Beispiel kann direkt eingespritzter Kraftstoff zumindest teilweise während eines vorherigen Ausstoßtakts, während eines Ansaugtakts und/oder während eines Verdichtungstakts abgegeben werden. Dabei können bei einem einzelnen Verbrennungsereignis eine oder mehrere Einspritzungen von Kraftstoff pro Zyklus durchgeführt werden. Die mehreren Einspritzungen können während des Verdichtungstakts, des Ansaugtakts oder einer beliebigen geeigneten Kombination daraus durchgeführt werden, was als geteilte Kraftstoffeinspritzung bezeichnet wird.
Kraftstofftanks in dem Kraftstoffsystem 8 können Kraftstoffe unterschiedlicher Kraftstoffarten enthalten, wie etwa Kraftstoffe mit unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten und unterschiedlichen Kraftstoffzusammensetzungen. Die Unterschiede können Unterschiede in Bezug auf Alkoholgehalt, Wassergehalt, Oktanzahl, Verdampfungswärme, Kraftstoffgemische und/oder Kombinationen davon usw. beinhalten. Ein Beispiel für Kraftstoffe mit unterschiedlicher Verdampfungswärme beinhaltet Benzin als erste Kraftstoffart mit niedrigerer Verdampfungswärme und Ethanol als zweite Kraftstoffart mit höherer Verdampfungswärme. In einem anderen Beispiel kann der Motor Benzin als erste Kraftstoffart und ein alkoholhaltiges Kraftstoffgemisch, wie etwa E85 (das ungefähr zu 85 % aus Ethanol und zu 15 % aus Benzin besteht) oder M85 (das ungefähr zu 85 % aus Methanol und zu 15 % aus Benzin besteht), als zweite Kraftstoffart verwenden. Zu anderen einsetzbaren Substanzen gehören Wasser, Methanol, ein Gemisch aus Alkohol und Wasser, ein Gemisch aus Wasser und Methanol, ein Gemisch aus Alkoholen usw. In einem wieder anderen Beispiel kann es sich ferner bei beiden Kraftstoffen um Alkoholgemische mit variierenden Alkoholzusammensetzungen handeln, wobei die erste Kraftstoffart ein Benzin-Alkohol-Gemisch mit einer niedrigeren Alkoholkonzentration sein kann, wie etwa E10 (das ungefähr zu 10 % aus Ethanol besteht), während die zweite Kraftstoffart ein Benzin-Alkohol-Gemisch mit einer höheren Alkoholkonzentration sein kann, wie etwa E85 (das ungefähr zu 85 % aus Ethanol besteht). Darüber hinaus können sich der erste und der zweite Kraftstoff auch in Bezug auf andere Kraftstoffqualitäten unterscheiden, wie etwa durch einen Unterschied hinsichtlich der Temperatur, Viskosität, Oktanzahl usw. Überdies können die Kraftstoffeigenschaften eines oder beider Kraftstofftanks häufig variieren, zum Beispiel aufgrund täglicher Schwankungen beim Auffüllen des Tanks.
In 1 ist die Steuerung 12, die ein Antriebssteuermodul (powertrain controle module - PCM) beinhalten kann, als ein Mikrocomputer dargestellt, der eine Mikroprozessoreinheit 106, Eingabe-/Ausgabeanschlüsse 108, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme (z. B. ausführbare Anweisungen) und Kalibrierungswerte, das in diesem konkreten Beispiel als dauerhafter Festwertspeicherchip 110 dargestellt ist, Direktzugriffsspeicher 112, Keep-Alive-Speicher 114 und einen Datenbus beinhaltet. Die Steuerung 12 kann verschiedene Signale von an den Motor 10 gekoppelten Sensoren empfangen, die bereits erörterte Signale beinhalten und zusätzlich eine Messung der Folgenden beinhalten: des eingebrachten Luftmassenstroms (mass air flow - MAF) von einem Luftmassensensor 122; einer Motorkühlmitteltemperatur (engine coolant temperature - ECT) von einem Temperatursensor 116, der an eine Kühlhülse 118 gekoppelt ist; einer Abgastemperatur von einem Temperatursensor 158, der an den Abgaskanal 135 gekoppelt ist; eines Profilzündungsaufnahmesignals (profile ignition pickup - PIP) von einem Hall-Sensor 120 (oder einer anderen Art), der an die Kurbelwelle 140 gekoppelt ist; eines Drosselpositionssignals (throttle position - TP) von einem Drosselpositionssensor; des Signals UEGO vom Abgassensor 126, das durch die Steuerung 12 verwendet werden kann, um das LKV des Abgases zu bestimmen; und eines Absolutkrümmerdrucksignals (absolute manifold pressure - MAP) von einem MAP-Sensor 124. Ein Motordrehzahlsignal (revolutions per minute - RPM) kann durch die Steuerung 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von dem MAP-Sensor 124 kann verwendet werden, um eine Anzeige von Vakuum oder Druck in dem Ansaugkrümmer bereitzustellen. Die Steuerung 12 kann eine Motortemperatur auf Grundlage der Motorkühlmitteltemperatur ableiten und eine Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtung 70 auf Grundlage des von dem Temperatursensor 158 empfangenen Signals ableiten.
Die Steuerung 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren aus 1, verarbeitet die empfangenen Signale und setzt die verschiedenen Aktoren aus 1 (z. B. die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 und die Zündkerze 192) ein, um den Motorbetrieb auf Grundlage der empfangenen Signale und Anweisungen, die auf einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, einzustellen. Beispielsweise kann die Steuerung eine Anforderung zum Verlangsamen des Fahrzeugs auf Grundlage einer Eingabe von dem Fahrpedal empfangen (z. B. wird das Fahrpedal losgelassen). Als Reaktion auf die Anforderung kann die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung an einem oder mehreren Zylindern befehlen, zu stoppen, wodurch der Kraftstoffverbrauch während eines Zeitraums, in dem kein Drehmoment angefordert wird, verringert wird.
Wie vorstehend beschrieben, zeigt 1 lediglich einen Zylinder eines Mehrzylindermotors. Dabei kann jeder Zylinder auf ähnliche Weise einen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, (eine) Kraftstoffeinspritzvorrichtung(en), eine Zündkerze usw. beinhalten. Es versteht sich, dass der Motor 10 eine beliebige geeignete Anzahl von Zylindern, einschließlich 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 oder mehr Zylinder, beinhalten kann, die in der folgenden Beschreibung als eine Vielzahl von Zylindern 30 bezeichnet werden, wie in den 2A-3B abgebildet. Ferner kann jeder dieser Zylinder einige oder sämtliche der verschiedenen Komponenten beinhalten, die in 1 unter Bezugnahme auf den Zylinder 14 beschrieben und abgebildet sind.
Während Motorkaltstarts kann ein Motor, wie etwa der Motor 10 aus 1, verwendet werden, um den Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators zu erhöhen. Wenn die Katalysatorsubstrattemperatur unter einer Anspringtemperatur liegt, ist der katalytische Umwandlungswirkungsgrad sehr niedrig. Ein Zeitraum zum Erwärmen des Katalysators auf seine Anspringtemperatur kann unerwünscht lang sein, woraus sich ein Zeitraum mit geringem Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators ergibt, während dessen unbehandelte Verbrennungsnebenprodukte und Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre freigesetzt werden können. Das Erwärmen des Katalysators auf mindestens die Anspringtemperatur kann beschleunigt werden, indem Gase über das Motorsystem über Heizelemente und Katalysatorsubstrate oszillieren, wenn der Katalysator als ein Katalysator mit mehreren Substraten konfiguriert ist.
Vor der Kraftstoffeinspritzung kann der Motor als Pumpe verwendet werden, um Gase in einem oszillierenden Strömungsmuster innerhalb eines Ansaugsystems, z. B. der Ansaugkanäle 142, 144 und des Ansaugkrümmers 146 aus 1, und eines Abgassystems, z. B. des Abgaskrümmers 148 und der Nachbehandlungsvorrichtung 70 aus 1, zu zirkulieren. Die Kraftstoffeinspritzung kann angehalten werden und Einlassventile und Auslassventile der Zylinder werden geöffnet. Die Kurbelwelle kann durch eine elektrische Vorrichtung gedreht werden, welche die Kolben innerhalb der Zylinder pumpt, was den Strom von Ansauggasen und Abgasen in die oder aus den Zylindern in Abhängigkeit der Kurbelwellenphase erleichtert. Die oszillierenden Ansauggase und Abgase zirkulieren durch die Katalysatorsubstrate und die daran gekoppelten elektrischen Heizungen hin und her, um den Katalysator zu erwärmen. Die Gase werden erwärmt, während sie über die elektrischen Heizungen strömen, und erwärmen dann den Katalysator, während die warmen Gase über die Katalysatorsubstrate strömen.
Unter Bezugnahme auf die 2A und 2B sind jeweils ein erstes Beispiel 200 bzw. ein zweites Beispiel 250 für den Betrieb der Vielzahl von Zylindern 30 während eines Kaltstarts dargestellt. Dabei kann die Vielzahl von Zylindern 30 in dem Motor 10 aus 1 verwendet werden. Bereits eingeführte Komponenten sind in den 2A-2B und nachfolgenden Figuren ähnlich nummeriert. Das Einlassventil 204, das Auslassventil 206, der Kolben 208, der Einlassaktor 205 und der Auslassaktor 207 sind ähnlich wie das Einlassventil 150, das Auslassventil 156, der Kolben 138, der Einlassaktor 152 bzw. der Auslassaktor 154 in 1 abgebildet. Die Vielzahl von Zylindern 30 ist mit vier Zylindern abgebildet, jedoch versteht es sich, dass mehr als vier oder weniger als vier Zylinder verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Weiterhin versteht es sich, dass, während jeder der Vielzahl von Zylindern 30 in derselben Phase, z. B. an einem selben Punkt desselben Takts, in den 2A-2B dargestellt ist, dies der Veranschaulichung dient. Die Vielzahl von Zylindern 30 kann eine variierende Phasenstellung aufweisen, sodass die Phasenstellung jedes Zylinder zueinander versetzt sein kann. Die Vielzahl von Zylindern 30 beinhaltet einen ersten Zylinder 202, einen zweiten Zylinder 212, einen dritten Zylinder 222 und einen vierten Zylinder 232. In den Beispielen aus den 2A-2B ist jeder der Vielzahl von Zylindern 30 in der Konfiguration identisch.
Jeder Zylinder der Vielzahl von Zylindern 30 weist ein Einlassventil 204, ein Auslassventil 206 und einen Kolben 208 auf. Das Einlassventil 204 kann über einen Einlassaktor 205 betätigt werden und das Auslassventil 206 kann über einen Auslassaktor 207 betätigt werden. In einem Beispiel können der Einlassaktor 205 und der Auslassaktor 207 ein beliebiger der oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Ventilaktoren sein, die Positionen des Einlass- und Auslassventils in vollständig geschlossene Positionen, vollständig geöffnete Positionen (z. B. wie in den 2A-2B veranschaulicht) und Positionen dazwischen einstellen können.
In einem Beispiel können das Einlassventil 204 und das Auslassventil 206 gleichzeitig während eines Motorkaltstarts in die vollständig geöffneten Positionen eingestellt werden. Beispielsweise kann die Steuerung 12 als Reaktion darauf, dass eine Startanforderung auftritt, während eine Motortemperatur niedrig ist, z. B. einem Kaltstart entspricht, befehlen, dass die Kraftstoffzufuhr zu der Vielzahl von Zylindern 30 gesperrt wird. Die Steuerung 12 kann dann einem Startermotor oder einer anderen elektrischen Vorrichtung signalisieren, die Vielzahl von Zylindern 30 anzulassen, sodass Ansauggase 242 und Abgase 244 je nach der Phasenstellung der Kurbelwelle in die Vielzahl von Zylindern 30 strömen können oder aus der Vielzahl von Zylindern 30 ausströmen können. Insbesondere kann der Kolben 208 jedes Zylinders die Ansauggase 242 und die Abgase 244 in die Brennkammern der Vielzahl von Zylindern 30 hinein- und aus diesen herauspumpen, was zu einer oszillierenden Bewegung der Ansauggase 242 in einem Ansaugsystem des Motors, z. B. dem Motoransaugkrümmer 146 aus 1, und der Abgase 244 in einem Abgassystem des Motors, z. B. dem Motorabgaskrümmer 148 aus 1, führt.
Die Kurbelwelle, z. B. die Kurbelwelle 140 aus 1, kann mit einer vorbestimmten Drehzahl, wie etwa 1250 U/min, ohne Kraftstoffeinspritzung, Fremdzündung oder Verbrennung an der Vielzahl von Zylindern 30 gedreht werden. Die Ansauggase 242 können daher anfänglich Frischluft sein und die Abgase 244 können anfänglich ein Gemisch aus Luft und verbranntem Restkraftstoff sein (z. B. aus einem vorherigen Fahrzyklus). Indem das Einlassventil 204 und das Auslassventil 206 offen gehalten werden, während die Kurbelwelle betrieben wird, werden Pumpverluste minimiert. Weiterhin fördert die oszillierende Strömung der Abgase 244 durch das Abgassystem eine schnelle Erwärmung einer Nachbehandlungsvorrichtung des Abgassystems, die nachstehend unter Bezugnahme auf die 3A-3B erläutert wird.
Beispielsweise ist der Kolben 208 jedes Zylinders der Vielzahl von Zylindern 30 am unteren Totpunkt (UT) in dem ersten Beispiel 200 aus 2A dargestellt. Das erste Beispiel 200 kann daher einem Ende eines Ansaugtakts oder eines Arbeitstakts eines Viertaktzylinderzyklus entsprechen, wie er durch Drehung der Kurbelwelle angetrieben wird. Wenn sich der Kolben 208 während des Ansaugtakts oder Arbeitstakts nach unten bewegt, strömen die Ansauggase 242 und die Abgase 244, wie in 2A dargestellt, in jeden Zylinder durch das geöffnete Einlassventil 204 und das geöffnete Auslassventil 206 aus dem Ansaugsystem bzw. dem Abgassystem. Obwohl die Ansauggase 242 und die Abgase 244 als durch das Ansaugsystem bzw. das Abgassystem oszillierend beschrieben sind, versteht es sich, dass die Beschreibung der Veranschaulichung dient und das Mischen der Gase innerhalb der Zylinder derart erfolgen kann, dass die Ansauggase während des Anlassens des Motors ohne Kraftstoffzufuhr nicht von den Abgasen getrennt bleiben.
Während eines Verdichtungs- oder eines Ausstoßtakts des Zylinderzyklus bewegt sich der Kolben 208 bis zum oberen Totpunkt (OT), wodurch die Ansauggase 242 und die Abgase 244 aus der Vielzahl von Zylindern 30 gedrückt werden. Der Kolben 208 jedes Zylinders der Vielzahl von Zylindern 30 ist in 2B beim OT abgebildet und kann einem Ende des Verdichtungstakts oder Ausstoßtakts entsprechen.
Wenn sich der Kolben 208 während des Verdichtungstakts oder Ausstoßtakts zum OT nach oben bewegt, strömen die Ansauggase 242 und die Abgase 244, wie in 2B dargestellt, aus jedem Zylinder durch das geöffnete Einlassventil 204 und das geöffnete Auslassventil 206 zu dem Ansaugsystem bzw. dem Abgassystem.
Zusätzlich zum oszillierenden Luft-/Gasstrom durch Zylinder eines Motors, wobei sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil geöffnet sind, können eine oder mehrere elektrische Heizungen in dem Nachbehandlungsgehäuse angeordnet sein, wie in der Ausführungsform der 3A und 3B veranschaulicht, um das Anspringen des Katalysators zu beschleunigen. Wenn der Motor während eines Kaltstarts angelassen wird, können Abgase über den Katalysator, der aus drei oder mehr Substraten gebildet sein kann, hin- und herströmen. Dabei können Abgase über die elektrische Heizung strömen, wenn sie über die Substrate oszilliert, wodurch ermöglicht wird, dass der Katalysator schnell die Anspringtemperatur erreicht, was Emissionen und Kraftstoffverbrauch verringern kann.
Unter Bezugnahme auf die 3A und 3B zeigen diese nun Ausführungsformen 300 und 350, die den Abgasstrom durch die Nachbehandlungsvorrichtung 70 des Motors 10 (z. B. aus 1) jeweils während eines Kaltstarts veranschaulichen. Die Nachbehandlungsvorrichtung 70 kann einen Mehrsubstratkatalysator beinhalten. Wie veranschaulicht, strömt Abgas in einer ersten Richtung 302 in der Nachbehandlungsvorrichtung 70 in der Ausführungsform 300 und in einer zweiten Richtung 304 entgegengesetzt zu der ersten Richtung 302 in der Ausführungsform 350.
Die Nachbehandlungsvorrichtung 70 umfasst zwei oder mehr elektrische Heizungen, die Beispiele für die elektrischen Heizungen 75 aus 1 sein können, die zwischen drei oder mehr Katalysatorsubstraten angeordnet. Das Aufteilen des Katalysatorsubstrats in mehrere kleinere Substrate und das Anordnen von elektrischen Heizungen dazwischen ermöglichen ein schnelles Erwärmen der Katalysatorsubstrate auf die Anspringtemperatur, sogar während eines Motorkaltstarts. In einem Beispiel kann die Anspringtemperatur größer als 200 °C sein. In einem Beispiel kann die Anspringtemperatur 300 °C betragen. Katalysatorsubstrate können durch Konvektion aus oszillierender erwärmter Luft und Wärmeleitung aus direktem Kontakt mit elektrischen Heizungen erwärmt werden.
Wie in den 3A und 3B veranschaulicht, ist eine erste elektrische Heizung 303 zwischen einem ersten Katalysatorsubstrat 301 und einem zweiten Katalysatorsubstrat 311 angeordnet, ist eine zweite elektrische Heizung 313 zwischen dem zweiten Katalysatorsubstrat 311 und einem dritten Katalysatorsubstrat 321 angeordnet und ist eine dritte elektrische Heizung 323 zwischen dem dritten Katalysatorsubstrat 321 und einem vierten Katalysatorsubstrat 331 angeordnet. Das erste Katalysatorsubstrat 301 und das vierte Katalysatorsubstrat 331 können für Motorbedingungen unter Spitzenleistung und -last bemessen sein, bei denen der Abgasstrom hoch ist. Beispielsweise kann eine Größe eines Substrats auf Grundlage eines Volumens des Substrats bestimmt werden, das von einem Hubraum des Motors abhängen kann, z. B. kann das Substratvolumen mit einer Zunahme des Hubraums zunehmen. Das Substratvolumen kann eine vorderen Oberfläche und/oder einen hydraulischen Durchmesser des Substrats bestimmen, was einen Druckverlust über das Substrat beeinflusst. Somit können das erste Katalysatorsubstrat und das vierte Katalysatorsubstrat 331 mit einem geeigneten Volumen konfiguriert sein, um hohe Strömungsraten und einen minimalen Druckabfall aufzunehmen. In einem anderen Beispiel können innere Strömungskanäle und/oder Poren des ersten und vierten Katalysatorsubstrats größer als diejenigen des zweiten und dritten Katalysatorsubstrats 311, 321 sein, wodurch ein schnellerer Durchfluss dadurch ermöglicht wird. Die Wärmeübertragung von den elektrischen Heizungen auf das erste und das vierte Katalysatorsubstrat 301, 331 kann langsamer sein als die auf das zweite und das dritte Katalysatorsubstrat 311, 321. Das erste und das vierte Katalysatorsubstrat 301, 331 können zum Beispiel aus einem synthetischen Keramikmaterial mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sein.
Das zweite Katalysatorsubstrat 311 und das dritte Katalysatorsubstrat 321 sind in Größe und Washcoat für einen Motorkaltstart, mit dünnen Wänden und geringer thermischer Masse, konfiguriert, was eine schnellere Erwärmung im Vergleich zu dem ersten Katalysatorsubstrat 301 und dem vierten Katalysatorsubstrat 331 ermöglicht. Beispielsweise können das zweite und das dritte Katalysatorsubstrat 311 und 321 in einer oder mehreren Abmessungen, wie etwa einer Dicke des Substrats in Bezug auf die Strömungsrichtung, kleiner sein, wodurch die Masse im Vergleich zu dem ersten und dem vierten Katalysatorsubstrat 301, 331 verringert wird. Die dünnen Wände des zweiten und des dritten Katalysatorsubstrats 311, 321 können mit Metallen, wie etwa Platin, Rhodium, Palladium usw., imprägniert und mit einem Washcoat aus einem Material wie etwa γ-Al₂O₃ versehen sein.
In einem Beispiel kann ein Temperatursensor 316 an das zweite Katalysatorsubstrat 311 gekoppelt sein, um die Substrattemperatur zu messen. In anderen Beispielen kann der Temperatursensor 316 jedoch stattdessen an das dritte Katalysatorsubstrat 321 gekoppelt sein. Da das zweite und das dritte Katalysatorsubstrat 311 und 321 zweimal pro Zyklus erwärmt werden, kann im Gegensatz zu dem ersten und dem vierten Katalysatorsubstrat 301 und 331, die einmal pro Zyklus erwärmt werden, durch Koppeln des Temperatursensors 316 an entweder das zweite oder das dritte Katalysatorsubstrat die heißeste mögliche Katalysatortemperatur gemessen werden. Weiterhin können, während nur ein Temperatursensor abgebildet ist, der an die Nachbehandlungsvorrichtung 70 gekoppelt ist, andere Beispiele mehr als einen Temperatursensor beinhalten, der an mehr als ein Katalysatorsubstrat gekoppelt ist. Beispielsweise kann eine Temperatur an jedem von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Katalysatorsubstrat 301, 311, 321, 331 durch einen Temperatursensor überwacht werden. Der Temperatursensor 316 kann ein beliebiger einer Vielzahl von Sensortypen sein, wie etwa ein Hochtemperatur-Infrarotsensor.
Die erste, zweite und dritte elektrische Heizung 303, 313 und 323 können jeweils eine kreisförmige Geometrie aufweisen, um zu einer Form der Nachbehandlungsvorrichtung 70 zu passen, und können durch eine gemeinsame Batteriequelle, z. B. die Batterie 61 aus 3A, mit Leistung versorgt werden. Jedoch sind andere Geometrien auf Grundlage einer Geometrie der Nachbehandlungsvorrichtung 70 möglich. Weiterhin können in einem anderen Beispiel die erste, zweite und dritte elektrische Heizung 303, 313 und 323 durch unabhängige Batterien mit Leistung versorgt und/oder unabhängig betrieben werden. Wenn sie angeschaltet werden, um eine Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtung 70 zu erhöhen, können die erste, zweite und dritte elektrische Heizung 303, 313 und 323 auf eine voreingestellte Temperatur (z.B. 1200 °C) erwärmt werden.
Der oszillierende Strom der Gase durch das Abgassystem fördert eine schnelle Erwärmung der Nachbehandlungsvorrichtung 70 des Abgassystems. Beispielsweise bewegen sich in der Ausführungsform 300 die Kolben von jedem der Vielzahl von Zylindern 30 während des Ansaug- und Arbeitstakts vom OT zum UT und strömen Abgase in der ersten Richtung 302. Gase strömen aus dem Abgassystem stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtung 70 (in Bezug auf den Abgasstrom während des Betriebs mit Kraftstoffzufuhr) durch das vierte Katalysatorsubstrat 331 und über die dritte elektrische Heizung 323, welche die Gase auf eine Temperatur über der Anspringtemperatur erwärmt. Luft kann durch ein Auspuffrohr des Abgassystems in das Abgassystem gesaugt werden, wenn Gase in die erste Richtung 302 strömen. Erwärmte Gase strömen weiter in der ersten Richtung 302 und erwärmen nacheinander das dritte Katalysatorsubstrat 321, das zweite Katalysatorsubstrat 311 und das erste Katalysatorsubstrat 301, wenn die Gase hindurchströmen. Weiterhin nimmt die Gastemperatur zu, wenn die Gase nacheinander durch die dritte elektrische Heizung 323, die zweite elektrische Heizung 313 und die erste elektrische Heizung 303 strömen. Als ein Beispiel können die elektrischen Heizungen auf 1200 °C erwärmt werden, wodurch die Gase auf 800 °C erwärmt werden können, wenn die Gase durch diese strömen. Wenn der Gasstrom entlang der ersten Richtung 302 gerichtet wird, kann das vierte Katalysatorsubstrat 331 nicht erwärmt werden.
Während des Verdichtungs- und des Ausstoßtakts bewegen sich in der Ausführungsform 350 die Kolben von jedem der Vielzahl von Zylindern 30 vom UT zum OT und strömen Abgase in der zweiten Richtung 304. Gase werden durch die Zylinder durch den Abgaskrümmer 148 und den Abgaskanal 135 gepumpt. Gase strömen dann durch das erste Katalysatorsubstrat 301 und über die erste elektrische Heizung 303, welche die Gase auf eine Temperatur über der Anspringtemperatur erwärmt. Erwärmte Gase strömen weiter in der zweiten Richtung 304 und erwärmen nacheinander das zweite Katalysatorsubstrat 311, das dritte Katalysatorsubstrat 321 und das vierte Katalysatorsubstrat 331, wenn die Gase hindurchströmen.
Weiterhin nimmt die Gastemperatur zu, wenn die Gase nacheinander durch die erste elektrische Heizung 303, die zweite elektrische Heizung 313 und die dritte elektrische Heizung 323 strömen. Als ein Beispiel können die elektrischen Heizungen auf 1200 °C erwärmt werden, wodurch die Gase auf 800 °C erwärmt werden können, wenn die Gase durch diese strömen. Wenn der Gasstrom entlang der zweiten Richtung 304 gerichtet wird, kann das erste Katalysatorsubstrat 301 nicht erwärmt werden.
Aufgrund der Oszillation warmer Gase werden das zweite und das dritte Katalysatorsubstrat 311 und 321 während jedes Motorzyklus zum schnellen Anspringen zweimal erwärmt. Das erste und das vierte Katalysatorsubstrat 301 und 331 werden einmal pro Motorzyklus erwärmt und auf Bedingungen unter Spitzenleistung und -last vorbereitet. Infolgedessen werden das zweite und das dritte Katalysatorsubstrat 311, 321 schneller und auf eine höhere Temperatur erwärmt als das erste und das vierte Katalysatorsubstrat 301, 331. Durch Ermöglichen einer schnelleren Erwärmung an inneren Katalysatorsubstraten der Nachbehandlungsvorrichtung 70 (z. B. an dem zweiten und dem dritten Katalysatorsubstrat 311, 321) wird das Anspringen des Katalysators beschleunigt, während eine Strömungsrate aufgrund der dünnen Substratwände beibehalten wird, die in Materialien eingebettet sind, die für ein schnelles Anspringen konfiguriert sind, wie etwa katalytische Metalle, ein Washcoat usw. An äußeren Katalysatorsubstraten der Nachbehandlungsvorrichtung, z. B. an dem ersten und dem vierten Katalysatorsubstrat 301, 331, werden hohe Strömungsraten dadurch während des Motorbetriebs ermöglicht, indem Katalysatorsubstrate von geeignete Volumina enthalten sind, die erwarteten maximalen Abgasströmen und dem Hubraum entsprechen.
Durch Aufteilen des Katalysators in vier einzelne Substrate, die durch elektrische Heizungen getrennt sind, weist jedes Substrat eine kleinere Masse auf als ein herkömmlicher Katalysator (z. B. ein Katalysator mit einem einzelnen Substratblock), was ein schnelleres Erwärmen jedes Substrats ermöglicht. Die Wärmeübertragung wird durch das Anordnen der elektrischen Heizungen zwischen den Katalysatorsubstraten weiter erhöht. Darüber hinaus lassen sich die elektrischen Heizungen dadurch, dass sie getrennt von den Katalysatorsubstraten konfiguriert werden, leicht installieren und entfernen.
Weiterhin kann in einigen Beispielen der Betrieb der elektrischen Heizungen genutzt werden, um sowohl beschleunigtes Erwärmen als auch einen effizienten Energieverbrauch bereitzustellen. Beispielsweise kann in einigen Fällen ein Temperatursensor an jedes Katalysatorsubstrat der Nachbehandlungsvorrichtung gekoppelt sein. Wenn Gas, z. B. Luft und Restabgase, über die Nachbehandlungsvorrichtung hin- und hergepumpt wird, wobei die elektrischen Heizungen angeschaltet und auf eine Erwärmung auf eine Schwellentemperatur, wie etwa 1200 °C, erwärmt werden, kann mindestens eines der inneren Katalysatorsubstrate die Anspringtemperatur zuerst erreichen. Nach dem Erfassen, dass das mindestens eine Katalysatorsubstrat die Anspringtemperatur erreicht, kann dem Motor Kraftstoff zugeführt werden und kann er gezündet werden. Ebenso können eine oder mehrere der elektrischen Heizungen entsprechend abgeschaltet werden. Wenn zum Beispiel bestimmt wird, dass das zweite und das dritte Katalysatorsubstrat 311, 321 aus den 3A-3B die Anspringtemperatur erreicht haben, während das erste und das vierte Katalysatorsubstrat 301, 331 noch kühler als die Anspringtemperatur sind, kann die zweite elektrische Heizung 313 abgeschaltet werden. Leistung aus einer Energiequelle, wie etwa der Batterie 61, kann auf die erste und die dritte elektrische Heizung 303, 323 umverteilt werden, um eine durch die erste und die dritte elektrische Heizung 303, 323 bereitgestellte Heizrate zu erhöhen.
Als ein anderes Beispiel kann das zweite Katalysatorsubstrat 311 die Anspringtemperatur vor den anderen Substraten erreichen und der Motorstart befohlen werden. Das dritte Katalysatorsubstrat 321 kann innerhalb einer engen Spanne der Anspringtemperatur, wie etwa 15 °C, bestimmt werden. Es kann erwartet werden, dass die Wärmeübertragung von dem zweiten Katalysatorsubstrat 311 und von heißen Abgasen schnell verläuft, und somit kann die zweite elektrische Heizung 313 abgeschaltet werden. Somit kann der Betrieb der elektrischen Heizungen strategisch auf einen minimalen Energieverbrauch zum Erwärmen der Nachbehandlungsvorrichtung eingestellt werden.
Wenn die Gase hin- und herströmen, können die Katalysatorsubstrate die Anspringtemperatur schnell erreichen, wie etwa innerhalb von 20 Sekunden oder weniger. In einem Beispiel sind die Katalysatoren dazu konfiguriert, Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid- und NO_x-Emissionen zu verringern. In einigen Beispielen können die Katalysatoren zusätzlich oder alternativ auch ein Partikelfilter beinhalten, um Feinstaub aus den Abgasen vor der Freisetzung in die Atmosphäre zu entfernen. Sobald die Katalysatorsubstrate auf mindestens die Anspringtemperatur erwärmt sind, kann der Motor starten und können Emissionen mit hohem Wirkungsgrad umgewandelt werden, wodurch Emissionen und Kraftstoffverbrauch verringert werden.
Unter Bezugnahme auf die 4A und 4B wird nun ein Verfahren 400 zum Ausführen eines Motorstarts als Reaktion auf eine Motorstartanforderung dargestellt, wenn eine Katalysatortemperatur unter einer ersten Schwellentemperatur liegt. Das Verfahren 400 kann an einem Motor, wie etwa dem Motor 10 aus 1, umgesetzt werden, der mit einer Nachbehandlungsvorrichtung, wie etwa der Nachbehandlungsvorrichtung 70 aus den 1 und 3A-3B, ausgelegt ist. Die Nachbehandlungsvorrichtung kann mit drei oder mehr Katalysatorsubstraten konfiguriert sein, die durch zwei oder mehr elektrische Heizungen getrennt sind, wobei eine elektrische Heizung zwischen jedem der Katalysatorsubstrate angeordnet ist. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 400 können durch eine Steuerung, wie etwa die Steuerung 12 aus 1, auf Grundlage von Anweisungen, die auf einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, und in Verbindung mit Signalen ausgeführt werden, die von Sensoren des Motorsystems, wie etwa den unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Sensoren, empfangen werden. Die Steuerung kann Motoraktoren des Motorsystems einsetzen, um den Motorbetrieb gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren einzustellen.
Das Verfahren 400 beginnt bei 402 von 4A, was Bestimmen, Schätzen und/oder Messen aktueller Betriebsparameter beinhaltet. Beispielsweise kann die Steuerung 12 aus 1 eine Motortemperatur auf Grundlage einer ECT ableiten, die durch einen Temperatursensor, wie etwa den Temperatursensor 116 aus 1, gemessen wird, kann eine Katalysatortemperatur an der Nachbehandlungsvorrichtung durch einen oder mehrere Temperatursensoren, wie etwa den Temperatursensor 316 aus den 3A und 3B, erfasst werden und kann ein Luftstrom durch ein Ansaugsystem und ein Abgassystem über Massenstromsensoren, wie etwa den MAF-Sensor 122 aus 1, überwacht werden. In einem Beispiel kann ein einzelner Temperatursensor an ein inneres Katalysatorsubstrat der Nachbehandlungsvorrichtung gekoppelt sein, z. B. wie in den 3A-3B dargestellt, und kann eine Temperatur der anderen Katalysatorsubstrate auf Grundlage von Signalen von dem einzelnen Temperatursensor, dem Luftmassenstrom durch die Abgastemperatur, einem Temperatursensor, der die Umgebungstemperatur misst, usw. abgeleitet werden. In einem anderen Beispiel kann jedes Katalysatorsubstrat an einen Temperatursensor gekoppelt sein. Zudem können Umgebungsbedingungen, einschließlich der Umgebungstemperatur, geschätzt werden.
Das Verfahren 400 geht zu 404 über, was Bestimmen, ob ein Motorstart angefordert wird, beinhaltet. Der Motorstart kann als Reaktion auf Drehen eines Zündschlüssels, Drücken einer Taste an einem Funkschlüssel, eine Angabe über eine intelligente Vorrichtung (wie etwa ein Telefon) und dergleichen angefordert werden. Wenn der Motorstart nicht angefordert wird, kehrt das Verfahren 400 zu 402 zurück, um die Überwachung der Betriebsbedingungen fortzusetzen.
Wenn der Motorstart angefordert wird, geht das Verfahren 400 zu 406 über, was Bestimmen, ob ein Kaltstart angegeben ist, beinhaltet. In einem Beispiel kann ein Kaltstart angegeben werden, wenn eine Motortemperatur niedriger als eine Schwellentemperatur, wie etwa eine Mindesttemperatur, ist, bei der eine Viskosität eines Motorschmiermittels verringert wird, um Motorkomponenten ausreichend zu schmieren. Als ein anderes Beispiel kann die Schwellentemperatur des Motors eine Mindesttemperatur für eine optimale Leistungsabgabe sein. In einem anderen Beispiel kann der Kaltstart angegeben werden, wenn die Katalysatortemperatur unter einer Anspringtemperatur liegt. In einigen Fällen wird der Kaltstart bestätigt, wenn die Katalysatortemperatur jenseits einer Spanne der Anspringtemperatur (z. B. unter dieser) liegt. Die Spanne kann als ein Beispiel ein Temperaturbereich von bis zu 20 °C unter der Anspringtemperatur sein. Wenn der Motor kürzlich betrieben und für einen kurzen Zeitraum ausgeschaltet wurde, kann sich der Katalysator auf eine Temperatur innerhalb der Spanne abkühlen und kann beim Motorstart schnell auf die Anspringtemperatur erwärmt werden. Die Steuerung kann bestimmen, dass weniger Energie verbraucht werden kann, indem ermöglicht wird, dass die Nachbehandlungsvorrichtung durch Erwärmen aus Abgasen schnell auf die Anspringtemperatur erwärmt wird, anstatt die elektrischen Heizungen anzuschalten, und kann daher eine Fortführung des Motorstarts ohne elektrische Heizung befehlen. Wenn sich die Katalysatortemperatur jedoch über den Rand hinaus abkühlt, kann ein beschleunigtes Erwärmen angefordert werden.
Wenn der Kaltstart nicht angegeben wird, geht das Verfahren 400 zu 408 über, um die aktuellen Betriebsparameter beizubehalten, ohne die Heizung anzuschalten.
Wenn der Kaltstart angegeben wird, geht das Verfahren 400 zu 410 über, was Öffnen der Einlassventile und Auslassventile, z. B. des Einlassventils 204 und des Auslassventils 206 aus den 2A-2B, beinhaltet. Beispielsweise kann die Steuerung einem Einlassventilaktor und einem Auslassventilaktor befehlen, das Einlassventil bzw. das Auslassventil in vollständig geöffnete Positionen einzustellen. Durch Öffnen der Einlass- und Auslassventile können Pumpverluste im Motor verringert werden, wenn der Motor angelassen wird.
Das Verfahren 400 geht zu 412 über, was Anlassen des Motors beinhaltet. In einem Beispiel kann der Motor auf eine Drehzahl von 1250 U/min angelassen werden. Der Motor kann über elektrische Energie angelassen werden, die einem Startermotor oder einer anderen Vorrichtung, die dazu konfiguriert ist, eine Kurbelwelle des Motors zu drehen, von einer Batterie zugeführt wird. Wenn die Einlass- und Auslassventile geöffnet sind, werden Pumpverluste verringert, da Gase in dem Ansaugsystem und dem Abgassystem über den Motor verdrängt werden. Anders ausgedrückt wird der Motor als Pumpe betrieben, wodurch Ansauggase in dem Ansaugsystem und Abgase in dem Abgassystem oszillieren. In einem Beispiel handelt es sich bei den Ansauggasen und den Abgasen um Umgebungsluft, die mit Restverbrennungsgasen aus einem vorherigen Fahrzyklus, die im Ansaug- und Abgassystem aufgefüllt werden, vermischt werden kann.
Das Verfahren 400 geht zu 414 über, was Anschalten elektrischer Heizungen beinhaltet, das bei Beginn des Motoranlassens erfolgen kann. Die elektrischen Heizungen können auf eine Schwellentemperatur der elektrischen Heizung erwärmt werden. In einem Beispiel ist die Schwellenwerttemperatur der elektrischen Heizung eine feste Temperatur, wobei die feste Temperatur 1200 °C beträgt. Weiterhin kann, wie vorstehend beschrieben, das Anschalten der elektrischen Heizungen auf Grundlage der Temperatur des Katalysators eingestellt werden. Wenn erfasst wird, dass mindestens ein Katalysatorsubstrat der Nachbehandlungsvorrichtung die Anspringtemperatur erreicht, kann mindestens eine der elektrischen Heizungen in direktem Kontakt mit dem Katalysatorsubstrat abgeschaltet werden. Da jedoch jede der elektrischen Heizungen zwischen zwei der Katalysatorsubstrate angeordnet ist, kann die Abschaltung auch von einer Temperatur eines benachbarten Katalysatorsubstrats abhängen, bei dem die Temperatur des benachbarten Katalysatorsubstrats noch nicht bei der Anspringtemperatur liegt. Wenn sich die Temperatur des benachbarten Katalysatorsubstrats der Anspringtemperatur nähert, kann eine dazwischen angeordnete elektrische Heizung abgeschaltet werden, und elektrische Energie, die verwendet wird, um diese elektrische Heizung mit Leistung zu versorgen, kann zu den verbleibenden, noch aktiven elektrischen Heizungen umgeleitet werden, wodurch ermöglicht wird, dass die noch aktiven elektrischen Heizungen die Luft und Katalysatorsubstrate weiterhin mit einer schnelleren Rate erwärmen. Alternativ dazu kann die Verteilung von elektrischer Leistung unverändert bleiben und kann Energie durch Abschalten der elektrischen Heizung eingespart werden.
Das Verfahren 400 geht zu 416 über, was Bestimmen, ob eine Temperatur von mindestens einem Katalysatorsubstrat größer oder gleich einer ersten Schwellentemperatur ist, beinhaltet. In einem Beispiel ist die erste Schwellentemperatur gleich der Anspringtemperatur des Katalysators. Als ein Beispiel kann die Anspringtemperatur 300 °C betragen. Während der Oszillation von Gasen (z. B. Hin- und Herzirkulieren von Gasen im Verhältnis zu einer Gasstromrichtung durch das Abgassystem) über die Nachbehandlungsvorrichtung können innere Katalysatorsubstrate (z. B. das zweite und das dritte Katalysatorsubstrat 311, 321 aus den 3A und 3B) mit der doppelten Rate zu den äußeren Katalysatorsubstraten (z. B. des ersten und des vierten Katalysatorsubstrats 301, 331 aus den 3A und 3B) der Nachbehandlungsvorrichtung erwärmt werden. Mindestens eines der inneren Katalysatorsubstrate kann daher die Anspringtemperatur früher erreichen als die übrigen Katalysatorsubstrate. Die Temperatur an dem Katalysatorsubstrat, das zuerst die Anspringtemperatur erreicht, kann verwendet werden, um die Katalysatortemperatur zu bestätigen. In anderen Beispielen kann das Bestätigen, dass die Katalysatortemperatur die erste Schwellentemperatur erreicht, jedoch verzögert werden, bis alle inneren Katalysatorsubstrate oder mehr als eines der Katalysatorsubstrate des Katalysators die Anspringtemperatur erreichen.
Wenn die Temperatur an einem oder mehreren der Katalysatorsubstrate nicht größer oder gleich der ersten Schwellenwerttemperatur ist, mit anderen Worten wenn die Katalysatortemperatur kleiner als die erste Schwellenwerttemperatur ist, dann geht das Verfahren 400 zu 418 über und erwärmt den Katalysator weiter über die angeschalteten elektrischen Heizungen. Das Verfahren 400 kann ferner kontinuierliches Überwachen der Katalysatortemperatur auf Grundlage einer Rückmeldung von dem Temperatursensor an dem Katalysator beinhalten.
Wenn die Temperatur an einem oder mehreren der Katalysatorsubstrate größer oder gleich dem ersten Schwellenwert ist, geht das Verfahren 400 zu 420 über, um mindestens eine elektrische Heizung in Kontakt mit dem einen oder den mehreren Katalysatorsubstraten, die den ersten Schwellenwert erreichen, abzuschalten. Wenn zum Beispiel eines der inneren Katalysatorsubstrate die Anspringtemperatur erreicht, kann eine von zwei elektrischen Heizungen in direktem Kontakt mit dem angesprungenen inneren Katalysatorsubstrat zur Abschaltung ausgewählt werden. Die abgeschaltete elektrische Heizung kann auf Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen dem angesprungenen Katalysatorsubstrat und einem Katalysatorsubstrat benachbart zu dem angesprungenen Katalysatorsubstrat, z. B. einem Katalysatorsubstrat, das nur durch einer der elektrischen Heizungen von dem angesprungenen Katalysatorsubstrat getrennt ist, ausgewählt werden. Die elektrische Heizung zwischen dem angesprungenen Katalysatorsubstrat und einem benachbarten Katalysatorsubstrat, das um eine größere Spanne kühler als das angesprungene Katalysatorsubstrat ist, kann angeschaltet gelassen werden und kann die andere elektrische Heizung abgeschaltet werden. Nach dem Abschalten der mindestens einen elektrischen Heizung kann bei 422 ein Differenzstrom an die verbleibenden, noch aktiven elektrischen Heizungen gerichtet werden, um das Erwärmen an den Katalysatorsubstraten zu erhöhen, welche die Anspringtemperatur noch nicht erreicht haben. In einigen Beispielen kann ein Katalysatorsubstrat, das die Anspringtemperatur voraussichtlich zuletzt erreichen wird, mehr von der umgeleiteten Leistung empfangen.
Beispielsweise kann von den äußeren Katalysatorsubstraten ein erstes, am weitesten stromaufwärts gelegenes (z. B. im Verhältnis zum Abgasstrom während des Motorbetriebs mit Kraftstoffzufuhr) Katalysatorsubstrat, wie etwa das erste Katalysatorsubstrat 301 aus den 3A und 3B, sich während des Betriebs des Motors ohne Kraftstoffzufuhr möglicherweise nicht so schnell erwärmen wie die inneren Katalysatorsubstrate, um Luft über die Nachbehandlungsvorrichtung hin- und herzupumpen. Wenn mindestens eines der zwei inneren Katalysatorsubstrate die Anspringtemperatur erreicht und der Motor gestartet wird, kann Gas in die zweite Richtung 304 strömen, die in 3B dargestellt ist. Nach dem Motorstart können anfänglich Abgase im Vergleich zu der Temperatur der inneren Katalysatorsubstrate relativ kühl sein und kann das erste, stromaufwärtige Katalysatorsubstrat nur durch Wärmeleitung von einer benachbarten elektrischen Heizung erwärmt werden und nicht durch Abgase, die durch die elektrischen Heizungen aufgrund der Gasstromrichtung (z. B. in der zweiten Richtung und nicht oszillierend) erwärmt werden, konvektiv erwärmt werden. Dabei kann eine erhöhte Leistung auf die elektrische Heizung in Kontakt mit dem ersten Katalysatorsubstrat geleitet werden, um das Erwärmen beim ersten Katalysatorsubstrat zu beschleunigen.
Das Verfahren 400 geht zu 424 über, was Einstellen der Betätigung der Einlass- und Auslassventile beinhaltet. Beispielsweise können Steuerzeiten des Öffnens und Schließens der Ventile auf Nennsteuerzeiten eingestellt werden, bei denen es sich um Steuerzeiten handeln kann, die während des Motorbetriebs verwendet werden, wenn der Motor mit Kraftstoff versorgt wird und Drehmoment erzeugt und das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile durch Drehung der Nockenwelle angetrieben wird. Bei 426 beinhaltet das Verfahren 400 Starten des Motors. Das Starten des Motors kann Einspritzen von Kraftstoff und Bereitstellen von Fremdzündung an den Zylindern beinhalten. Die Drehung der Kurbelwelle durch den Startermotor oder eine andere elektrische Vorrichtung kann beendet werden und die Kurbelwellendrehung kann stattdessen durch Energie aus Kraftstoff- und Luftverbrennung an den Zylindern angetrieben werden.
Bei 428 beinhaltet das Verfahren 400 Bestätigen, ob eine oder mehrere der elektrischen Heizungen den Katalysator noch immer aktiv erwärmen. Wenn zum Beispiel der Motorstart auf Grundlage dessen eingeleitet wurde, dass weniger als sämtliche der Katalysatorsubstrate die Anspringtemperatur erreichten (z. B. ein, zwei oder drei Substrate des ersten, zweiten, dritten und vierten Katalysatorsubstrats 301, 311, 321, 331 aus den 3A-3B), kann mindestens eine elektrische Heizung noch in Betrieb sein. Wenn bestätigt wird, dass keine der elektrischen Heizungen aktiv ist, geht das Verfahren 400 zu 430 über, um den Motorbetrieb unter den aktuellen Bedingungen und bei abgeschalteten elektrischen Heizungen fortzusetzen. Das Verfahren 400 endet.
Wenn jedoch mindestens eine der elektrischen Heizungen noch in Betrieb ist, geht das Verfahren 400 zu 432 aus 4B über, um zu bestimmen, ob eine andere Katalysatorsubstrattemperatur den ersten Schwellenwert (z. B. die Anspringtemperatur) erreicht hat. Wenn keine zusätzlichen Katalysatorsubstrate den ersten Schwellenwert erreicht haben, geht das Verfahren 400 zu 434 über, um den Katalysator an den elektrischen Heizungen, die noch in Betrieb sind, weiter zu erwärmen. Wenn bestätigt wird, dass mindestens ein Katalysatorsubstrat den ersten Schwellenwert erreicht, geht das Verfahren 400 zu 436 über, um mindestens eine elektrische Heizung in direktem Kontakt mit dem Katalysatorsubstrat abzuschalten. Die elektrische Heizung kann, wie vorstehend beschrieben, ausgewählt werden, wenn das angesprungene Katalysatorsubstrat mit mehr als einer aktiven elektrischen Heizung in Kontakt steht.
Bei 438 beinhaltet das Verfahren 400 Richten eines Differenzstroms von der abgeschalteten elektrischen Heizung zu beliebigen verbleibenden elektrischen Heizungen, die noch in Betrieb sind. Wenn jedoch keine elektrischen Heizungen aktiv bleiben, wird kein Strom aus einer Energiespeichervorrichtung entnommen, die zum Versorgen der elektrischen Heizungen verwendet wird, wie etwa einer Batterie. Das Verfahren 400 kehrt zu 428 aus 4A zurück, um zu bestimmen, ob eine der elektrischen Heizungen noch in Betrieb ist.
Unter Bezugnahme auf 5 wird nun ein erstes Diagramm 500 dargestellt, das eine beispielhafte Motorbetriebssequenz einer Motorstartanforderung veranschaulicht, wenn eine Katalysatortemperatur unter einer Anspringtemperatur liegt. Die Motorbetriebssequenz kann in einem Motorsystem umgesetzt sein, das einen Motor, wie etwa den Motor 10 aus 1, beinhaltet. Ein Abgassystem des Motors kann eine Nachbehandlungsvorrichtung, wie etwa die Nachbehandlungsvorrichtung 70, die in den 1, 3A und 3B dargestellt ist, beinhalten. Das erste Diagramm 500 beinhaltet einen Verlauf 510, der veranschaulicht, ob ein Motorstart angefordert wird, einen Verlauf 515, der Steuerzeiten von Einlass- und Auslassventilen an den Motorzylindern angibt, einen Verlauf 520, der eine Katalysatortemperatur veranschaulicht, einen Verlauf 530, der eine Abgasstromrichtung veranschaulicht, einen Verlauf 540, der einen Status von zwei oder mehr elektrischen Heizungen veranschaulicht, die nacheinander in der Nachbehandlungsvorrichtung angeordnet und durch Katalysatorsubstrate voneinander beabstandet sind, einen Verlauf 550, der die Kraftstoffzufuhr an einem Motor des Motorsystems veranschaulicht, und einen Verlauf 560, der veranschaulicht, ob der Motor gezündet ist. Die Zeit nimmt entlang der x-Achse von einer linken zu einer rechten Seite der Figur zu.
Die Verläufe 510, 550 und 560 variieren entlang der y-Achse zwischen ja und nein. Bei Verlauf 515 werden die Ventilsteuerzeiten zwischen Nennsteuerzeiten, bei denen es sich um Steuerzeiten handeln kann, die verwendet werden, wenn der Motor mit Kraftstoff versorgt und gezündet wird, um Drehmoment zu erzeugen, und statischen Steuerzeiten eingestellt. Das Öffnen und Schließen der Einlassventile und Auslassventile kann während der Nennsteuerzeiten gestaffelt sein. Während der statischen Steuerzeiten können die Einlassventile und Auslassventile gleichzeitig geöffnet und offen gehalten werden, bis befohlen wird, zu den Nennsteuerzeiten zurückzukehren. Bei Verlauf 520 nimmt die Katalysatortemperatur entlang der y-Achse nach oben zu. Darüber hinaus beinhaltet der Verlauf 520 einen Schwellenwert 522, der eine Anspringtemperatur des Katalysators sein kann. In einem Beispiel kann die Anspringtemperatur 300 °C betragen. Bei Verlauf 530 variiert die Abgasstromrichtung zwischen keinem Strom, einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung. Die erste Richtung kann zum Beispiel von dem Motor zu einem Auspuffrohr verlaufen und die zweite Richtung kann von dem Auspuffrohr zu dem Motor verlaufen. Bei Verlauf 540 variiert der Status der elektrischen Heizungen zwischen ein und aus.
Vor t1 wird ein Motorstart angefordert (Verlauf 510). Während der Motorstartanforderung liegt die Katalysatortemperatur (Verlauf 520) unter dem Schwellenwert 522 und werden die Einlass-/Auslassventilsteuerzeiten auf die statischen Steuerzeiten eingestellt, z. B. werden sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil offen gehalten. Dem Motor wird noch kein Kraftstoff zugeführt (Verlauf 550) und er wird noch nicht gezündet (Verlauf 560). Die elektrischen Heizungen sind nicht angeschaltet (Verlauf 540). Es gibt keine Abgasstromrichtung, da keine Kraft auf das Abgas ausgeübt wird (Verlauf 530).
Bei t1 werden die elektrischen Heizungen angeschaltet und beginnt die Abgasstromrichtung, zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung durch die geöffneten Einlass- und Auslassventile zu oszillieren, während der Motor angelassen wird. Der Motor bleibt ohne Kraftstoffzufuhr und ohne Zündung. Zwischen t1 und t2 steigt die Katalysatortemperatur von einer relativ niedrigen Temperatur auf den Schwellenwert 522 aufgrund des Erwärmens der oszillierenden Gase im Abgaskanal, während die Gase durch die elektrischen Heizung strömen. Das heißt, die Abgase können wiederholt durch den Katalysator und durch die elektrischen Heizungen strömen, was das Aufwärmen des Katalysators im Verhältnis zu vorherigen Beispielen, in denen der Motor während des Anlassens eine Verbrennung durchführt oder in denen eine elektrische Heizung den Katalysator direkt erwärmt, beschleunigen kann. Weiterhin werden durch Verzögern der Verbrennung Emissionen während des Kaltstarts verringert.
Bei t2 erreichte die Katalysatortemperatur den Schwellenwert 522. Dabei wird dem Motor Kraftstoff zugeführt und wird er gezündet, was zu einer Verbrennung führt. Die Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten werden auf die Nennsteuerzeiten eingestellt und die Motorstartanforderung endet. Die elektrischen Heizungen werden abgeschaltet, da die Katalysatortemperatur ausreichend hoch und in der Lage ist, eine gewünschte Menge an Emissionen zu behandeln. Nach t2 nimmt die Katalysatortemperatur weiter zu, da warme Abgase nur in der ersten Richtung strömen, während der Motor eine Verbrennung durchführt.
Ein zweites Diagramm 600 ist in 6 abgebildet, die den Betrieb der elektrischen Heizungen als Reaktion auf eine ungleichmäßige Erwärmung von Katalysatorsubstraten einer Nachbehandlungsvorrichtung, wie etwa der Nachbehandlungsvorrichtung 70 aus den 3A-3B, zusammen mit verschiedenen Motorvorgängen eines Motors, wie etwa des Motors 10 aus 1, veranschaulicht. Das zweite Diagramm 600 beinhaltet einen Verlauf 602, der veranschaulicht, ob ein Motorstart angefordert wird, einen Verlauf 604, der Steuerzeiten von Einlass- und Auslassventilen an den Motorzylindern angibt, einen Verlauf 606, der den Stromfluss zu einer ersten elektrischen Heizung veranschaulicht, einen Verlauf 608, der einen Stromfluss zu einer zweiten elektrischen Heizung veranschaulicht, einen Verlauf 610, der einen Stromfluss zu einer dritten elektrischen Heizung veranschaulicht, einen Verlauf 612, der eine Abgasstromrichtung veranschaulicht, einen Verlauf 614, der eine Kraftstoffzufuhr an dem Motor veranschaulicht, und einen Verlauf 616, der veranschaulicht, ob der Motor gezündet wird. Die Zeit nimmt entlang der x-Achse von einer linken zu einer rechten Seite der Figur zu.
Die Verläufe 602, 614 und 616 variieren entlang der y-Achse zwischen ja und nein. Bei Verlauf 604 werden die Ventilsteuerzeiten zwischen Nennsteuerzeiten, bei denen es sich um Steuerzeiten handeln kann, die verwendet werden, wenn dem Motor mit Kraftstoff zugeführt und er gezündet wird, um Drehmoment zu erzeugen, und statischen Steuerzeiten eingestellt. Das Öffnen und Schließen der Einlassventile und Auslassventile kann während der Nennsteuerzeiten gestaffelt sein. Während der statischen Steuerzeiten können die Einlassventile und Auslassventile gleichzeitig geöffnet und offen gehalten werden, bis befohlen wird, zu den Nennsteuerzeiten zurückzukehren. Bei den Verläufen 606, 608 und 610 nimmt der Stromfluss entlang der y-Achse nach oben zu. Weiterhin können die erste elektrische Heizung, die zweite elektrische Heizung und die dritte elektrische Heizung ähnlich wie die erste, zweite und dritte elektrische Heizung 303, 313 und 323 aus den 3A-3B konfiguriert sein. Bei Verlauf 612 variiert die Abgasstromrichtung zwischen keinem Strom, einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung. Die erste Richtung kann zum Beispiel von dem Motor zu einem Auspuffrohr verlaufen und die zweite Richtung kann von dem Auspuffrohr zu dem Motor verlaufen, wie in den 3A-3B abgebildet.
Vor t1 wird ein Motorkaltstart angefordert (Verlauf 602) und die Einlass-/Auslassventilsteuerzeiten (Verlauf 604) werden auf die statischen Steuerzeiten eingestellt, z. B. werden sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil offen gehalten. Dem Motor wird noch kein Kraftstoff zugeführt (Verlauf 614) und er wird noch nicht gezündet (Verlauf 616) und Gas (z. B. Luft) wird über die Nachbehandlungsvorrichtung (Verlauf 612) zwischen dem Motor und dem Abgassystem oszilliert, sodass der Strom wiederholt zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung wechselt. Die erste, zweite und dritte elektrische Heizung werden mit Leistung versorgt (Verlauf 606, 608 und 610), wobei jede eine ähnliche Menge an Strom von einer gemeinsamen Energiequelle, wie etwa einer Batterie, bezieht, um eine Temperatur der elektrischen Heizungen zu erhöhen.
Bei t1 erreicht mindestens eines der Katalysatorsubstrate in Kontakt mit der zweiten elektrischen Heizung eine Anspringtemperatur. Die zweite elektrische Heizung wird abgeschaltet und hört auf, Strom zu beziehen. Ein Differenzstrom wird an jede von der ersten elektrischen Heizung und der zweiten elektrischen Heizung verteilt, wodurch eine Menge an Strom, die zu jeder elektrischen Heizung strömt, erhöht wird und eine Heizleistung an jeder elektrischen Heizung erhöht wird. Als Reaktion darauf, dass das mindestens eine der Katalysatorsubstrate die Anspringtemperatur erreicht, werden die Ventilsteuerzeiten auf die Nennsteuerzeiten eingestellt, wird dem Motor Kraftstoff zugeführt und wird er gezündet und wird die Motorstartanforderung beendet. Der Abgasstrom ist in die erste Richtung von dem Motor zu der Nachbehandlungsvorrichtung beschränkt.
Bei t2 erreicht mindestens eines der Katalysatorsubstrate in Kontakt mit der dritten elektrischen Heizung die Anspringtemperatur. Die dritte elektrische Heizung wird abgeschaltet und hört auf, Strom zu beziehen. Ein Differenzstrom wird zu der ersten elektrischen Heizung geleitet, wodurch die Menge an Strom, die zu der ersten elektrischen Heizung strömt, erhöht wird und ferner die Heizleistung erhöht wird. Der Motorbetrieb wird fortgesetzt, wie vorstehend für vor t2 beschrieben.
Mindestens eines der Katalysatorsubstrate in Kontakt mit der ersten elektrischen Heizung erreicht bei t3 die Anspringtemperatur. Die erste elektrische Heizung wird abgeschaltet und der durch die erste elektrische Heizung bezogene Strom sinkt auf null. Dabei erreicht mindestens die Hälfte der Katalysatorsubstrate die Anspringtemperatur, bevor die elektrischen Heizungen abgeschaltet werden. Der Motorbetrieb wird fortgesetzt, wie vorstehend beschrieben.
Auf diese Weise können erhöhte Emissionen während Motorkaltstarts durch Beschleunigen des Anspringens des Katalysators gemindert werden. In einem Beispiel kann eine Vielzahl von elektrischen Heizungen schnell einen Katalysator mit mehreren Substraten einer Nachbehandlungsvorrichtung erwärmen, indem jede elektrische Heizung der Vielzahl von elektrischen Heizungen zwischen Katalysatorsubstraten des Katalysators angeordnet ist. Gase werden über den Betrieb eines nicht mit Kraftstoff versorgten und nicht gezündeten Motors als Pumpe über die Nachbehandlung oszilliert, wodurch das Erwärmen der Gase angetrieben wird, während sie über die elektrischen Heizungen hin- und herströmen. Die Katalysatorsubstrate werden dadurch durch die warmen Gase sowie durch direkten Kontakt mit der Vielzahl von elektrischen Heizungen erwärmt. Durch Aufteilen des Katalysators in einzelne Substrate, die durch elektrische Heizungen getrennt sind, weist jedes Substrat eine kleinere Masse auf als ein herkömmlicher Katalysator (z. B. ein Katalysator mit einem einzelnen Substratblock), was insgesamt ein schnelleres Erwärmen der Nachbehandlungsvorrichtung ermöglicht. Durch Oszillieren der warmen Gase werden ein oder mehrere innere Substrate der Katalysatorsubstrate im Vergleich zu äußeren Substraten zweimal pro Motorzyklus erwärmt. Da die inneren Substrate für den Motorkaltstart optimiert sind, wird eine schnellere Erwärmung in einem zentralen Bereich des Katalysators gefördert, während die äußeren Katalysatorsubstrate für Motorbedingungen unter Spitzenleistung und -last ausgelegt werden können, bei denen der Abgasstrom hoch ist. Dadurch verringert sich ein anfänglicher Zeitraum mit niedrigem Katalysatorumwandlungswirkungsgrad während Motorkaltstarts, indem die Zeit verringert wird, die erforderlich ist, damit Katalysatorsubstrate die Anspringtemperatur erreichen.
Die technische Wirkung des Oszillierens von Gasen über den an die Vielzahl von elektrischen Heizungen gekoppelten Mehrsubstratkatalysator besteht darin, dass Emissionen während Motorkaltstarts gesenkt werden, während eine Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs aufrechterhalten wird.
Es ist anzumerken, dass die in dieser Schrift beinhalteten beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die in dieser Schrift offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in dauerhaftem Speicher gespeichert und durch das Steuersystem einschließlich der Steuerung in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktoren und anderer Motorhardware ausgeführt werden. Die hier beschriebenen konkreten Routinen können eine oder mehrere aus einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Demnach können verschiedene veranschaulichte Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen in der dargestellten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwangsläufig erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der in dieser Schrift beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, sondern sie ist zur Erleichterung der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine(r) oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen kann/können abhängig von der bestimmten verwendeten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen grafisch Code darstellen, der in dauerhaften Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Motorsteuersystem einprogrammiert werden soll, in dem die beschriebenen Handlungen durch das Ausführen der Anweisungen in einem System ausgeführt werden, das die verschiedenen Motorhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung beinhaltet.
Es versteht sich, dass die in dieser Schrift offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese konkreten Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinn aufzufassen sind, da zahlreiche Varianten möglich sind. Zum Beispiel kann die vorangehende Technik auf V6-, 14-, I6-, V12-, 4-Zylinder-Boxer- und andere Motorarten angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die in dieser Schrift offenbart sind.
Die Offenbarung stellt zudem Unterstützung für ein Verfahren für einen Motor bereit, umfassend: Erwärmen eines Katalysators einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Vielzahl von elektrischen Heizungen während eines Motorbetriebs ohne Kraftstoffzufuhr, indem der Motor verwendet wird, um Luft zwischen einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung über die Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu oszillieren. In einem ersten Beispiel des Verfahrens beinhaltet das Erwärmen des Katalysators Anordnen jeder elektrischen Heizung der Vielzahl von elektrischen Heizungen zwischen Substraten des Katalysators und wobei Luft durch die Vielzahl von elektrischen Heizungen erwärmt wird, während die Luft oszilliert und die erwärmte Luft die Substrate des Katalysators erwärmt. In einem zweiten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Erwärmen des Katalysators ferner Stapeln der Substrate in Kontakt mit der Vielzahl von elektrischen Heizungen entlang einer Richtung des Luftstroms durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung und Erwärmen der Substrate durch Wärmeleitung von der Vielzahl von elektrischen Heizungen zu den Substraten. In einem dritten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste und das zweite Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Erwärmen des Katalysators während des Motorbetriebs ohne Kraftstoffzufuhr Öffnen von sowohl einem Einlassventil als auch einem Auslassventil eines Zylinders und Anlassen des Motors bei geöffnetem Einlassventil und Auslassventil und wobei der Motor durch eine elektrische Vorrichtung angelassen wird. In einem vierten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste bis dritte Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Anlassen des Motors, während das Einlassventil und das Auslassventil geöffnet sind, Strömen von Luft in der ersten Richtung von einem Abgaskrümmer zu dem Zylinder während eines Ansaugtakts und eines Arbeitstakts des Zylinders und Strömen der Luft in der zweiten Richtung von dem Zylinder zu dem Abgaskrümmer während eines Ausstoßtakts und eines Verdichtungstakts des Zylinders. In einem fünften Beispiel des Verfahrens, das optional das erste bis vierte Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Strömen der Luft in der ersten Richtung durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung nacheinander Erwärmen eines dritten Substrats, eines zweiten Substrats und eines ersten Substrats der Substrate des Katalysators durch die erwärmte Luft. In einem sechsten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste bis fünfte Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Strömen der Luft in der zweiten Richtung durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung nacheinander Erwärmen des zweiten Substrats, des dritten Substrats und eines vierten Substrats der Substrate des Katalysators durch die erwärmte Luft. In einem siebten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste bis sechste Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Oszillieren der Luft zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung über die Abgasnachbehandlungsvorrichtung Erwärmen des zweiten Substrats und des dritten Substrats doppelt so stark wie das erste Substrat und das vierte Substrat mit jedem Zylinderzyklus.
Die Offenbarung stellt zudem Unterstützung für ein Verfahren zum Erwärmen einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereit, umfassend: als Reaktion auf eine Anforderung eines Motorkaltstarts Öffnen eines Einlassventils und eines Auslassventils eines Zylinders, ohne dem Zylinder Kraftstoff zuzuführen, Drehen einer Kurbelwelle, um einen ersten Luftstrom zwischen dem Zylinder und einem Abgassystem zu oszillieren, wobei das Abgassystem die Abgasnachbehandlungsvorrichtung beinhaltet, Anschalten von elektrischen Heizungen, die an die Abgasnachbehandlungsvorrichtung gekoppelt und nacheinander zwischen Katalysatorsubstraten der Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet sind, und als Reaktion darauf, dass eine Temperatur von mindestens einem Substrat der Katalysatorsubstrate einen Schwellenwert erreicht,
Abschalten einer oder mehrerer der elektrischen Heizungen, Einstellen der Betätigung des Einlassventils und des Auslassventils und Zuführen von Kraftstoff zu dem Zylinder. In einem ersten Beispiel des Verfahrens beinhaltet das Oszillieren des ersten Luftstroms zwischen dem Zylinder und dem Abgassystem Leiten des ersten Luftstroms über innere Substrate der Katalysatorsubstrate doppelt so stark wie äußere Substrate der Katalysatorsubstrate, und wobei die Katalysatorsubstrate entlang einer Richtung des ersten Luftstroms angeordnet sind. In einem zweiten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Leiten des ersten Luftstroms über die inneren Substrate Leiten des ersten Luftstroms durch Katalysatorsubstrate, die mit einem oder mehreren von dünnen Wänden, mindestens einem katalytischen Metall und einem Washcoat konfiguriert sind, um das Erwärmen zu beschleunigen, und wobei das Leiten des ersten Luftstroms über die äußeren Substrate Leiten des ersten Luftstroms durch Katalysatorsubstrate beinhaltet, die mit größeren Volumina als die inneren Substrate konfiguriert sind, um hohe Strömungsraten für eine Spitzenleistungsabgabe des Motors dadurch zu ermöglichen. In einem dritten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste und das zweite Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Abschalten der einen oder mehreren elektrischen Heizungen als Reaktion darauf, dass die Temperatur des mindestens einen Substrats der Katalysatorsubstrate den Schwellenwert erreicht, Abschalten mindestens einer elektrischen Heizung in Kontakt mit dem mindestens einen Substrat und Leiten von Leistung von der abgeschalteten mindestens einen elektrischen Heizung zu aktiven elektrischen Heizungen, um eine Erwärmungsrate an den aktiven elektrischen Heizungen zu erhöhen. In einem vierten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste bis dritte Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Einstellen der Betätigung des Einlassventils und des Auslassventils Einstellen von Steuerzeiten des Öffnens des Einlassventils und des Öffnens des Auslassventils auf Nennsteuerzeiten, wobei die Nennsteuerzeiten Ventilsteuerzeiten sind, die für den Motorbetrieb optimiert sind, wenn der Zylinder mit Kraftstoff versorgt und gezündet wird, und wobei das Einstellen der Betätigung des Einlassventils und des Auslassventils ferner Einstellen des ersten Luftstroms beinhaltet, um in einer einzigen Richtung von dem Zylinder zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu strömen. In einem fünften Beispiel des Verfahrens, das optional das erste bis vierte Beispiel beinhaltet, umfasst ferner: Drehen der Kurbelwelle, um einen zweiten Luftstrom zwischen einem Ansaugkrümmer und dem Zylinder zu oszillieren. In einem sechsten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste bis fünfte Beispiel beinhaltet, beinhaltet das Öffnen des Einlassventils und des Auslassventils als Reaktion auf die Anforderung des Motorkaltstarts gleichzeitiges Öffnen des Einlassventils und des Auslassventils, wenn die Temperatur der Abgasnachbehandlungsvorrichtung unter dem Schwellenwert liegt und/oder eine Motortemperatur unter einer optimalen Betriebstemperatur liegt.
Die Offenbarung stellt zudem eine Unterstützung für ein Motorsystem bereit, umfassend: eine Nachbehandlungsvorrichtung, die in einem Abgassystem des Motorsystems angeordnet ist, eine Vielzahl von Heizungen, die Katalysatorsubstrate der Nachbehandlungsvorrichtung trennt, einen Zylinder, der durch das Abgassystem fluidisch an die Nachbehandlungsvorrichtung gekoppelt ist, wobei der Zylinder ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist, und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die in einem dauerhaften Speicher gespeichert sind, die bei Ausführung die Steuerung veranlassen zum: als Reaktion auf eine Anforderung eines Motorkaltstarts, Öffnen des Einlassventils und Auslassventil des Zylinders, zyklischen Betätigen des Zylinders durch Drehen einer Kurbelwelle, um den Luftstrom zwischen der Nachbehandlungsvorrichtung und dem Zylinder hin- und herzuoszillieren, Erwärmen der Nachbehandlungsvorrichtung durch Anschalten der Vielzahl von Heizungen. In einem ersten Beispiel des Systems sind die Katalysatorsubstrate nacheinander entlang einer Gasstromrichtung in der Nachbehandlungsvorrichtung angeordnet, und wobei innere Substrate der Katalysatorsubstrate mit dünnen Wänden, einer geringeren thermischen Masse als äußere Substrate der Katalysatorsubstrate und katalytischen Materialien konfiguriert sind, um das Erwärmen der inneren Substrate zu beschleunigen. In einem zweiten Beispiel des Systems, das optional das erste Beispiel beinhaltet, sind die äußeren Substrate der Katalysatorsubstrate mit Substratvolumina konfiguriert, die einer maximalen Abgasströmungsrate von einem Motor des Motorsystems und einem Hubraum des Motors entsprechen. In einem dritten Beispiel des Systems, das optional das erste und das zweite Beispiel beinhaltet, beinhaltet die Nachbehandlungsvorrichtung drei oder mehr Katalysatorsubstrate und beinhaltet die Vielzahl von Heizungen zwei oder mehr Heizungen, und wobei die zwei oder mehr Heizungen unabhängig voneinander betreibbar sind. In einem vierten Beispiel des Systems, das optional das erste bis dritte Beispiel beinhaltet, wird die Vielzahl von Heizungen auf mindestens 1200 °C erwärmt, und wobei Luft, die durch die Vielzahl von Heizungen strömt, auf mindestens 800 °C erwärmt wird.
Die folgenden Ansprüche heben gewisse Kombinationen und Unterkombinationen besonders hervor, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Derartige Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer solcher Elemente einschließen und zwei oder mehr solcher Elemente 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. Derartige Ansprüche werden unabhängig davon, ob sie einen weiteren, engeren, gleichen oder unterschiedlichen Umfang im Vergleich zu den ursprünglichen Ansprüchen aufweisen, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.

Claims

Verfahren für einen Motor, umfassend: Erwärmen eines Katalysators einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Vielzahl von elektrischen Heizungen während eines Motorbetriebs ohne Kraftstoffzufuhr, indem der Motor verwendet wird, um Luft zwischen einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung über die Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu oszillieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erwärmen des Katalysators Anordnen jeder elektrischen Heizung der Vielzahl von elektrischen Heizungen zwischen Substraten des Katalysators beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Luft durch die Vielzahl von elektrischen Heizungen erwärmt wird, wenn die Luft oszilliert und die erwärmte Luft die Substrate des Katalysators erwärmt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Erwärmen des Katalysators ferner Stapeln der Substrate in Kontakt mit der Vielzahl von elektrischen Heizungen entlang einer Richtung des Luftstroms durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung und Erwärmen der Substrate durch Wärmeleitung von der Vielzahl von elektrischen Heizungen zu den Substraten beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Erwärmen des Katalysators während des Motorbetriebs ohne Kraftstoffzufuhr Öffnen von sowohl einem Einlassventil als auch einem Auslassventil eines Zylinders und Anlassen des Motors bei offenem Einlassventil und Auslassventil beinhaltet und wobei der Motor durch eine elektrische Vorrichtung angelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Anlassen des Motors, während das Einlassventil und das Auslassventil offen sind, Strömen von Luft in der ersten Richtung von einem Abgaskrümmer zu dem Zylinder während eines Ansaugtakts und eines Arbeitstakts des Zylinders und Strömen der Luft in der zweiten Richtung von dem Zylinder zu dem Abgaskrümmer während eines Ausstoßtakts und eines Verdichtungstakts des Zylinders beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Strömen der Luft in der ersten Richtung durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung nacheinander Erwärmen eines dritten Substrats, eines zweiten Substrats und eines ersten Substrats der Substrate des Katalysators durch die erwärmte Luft beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Strömen der Luft in der zweiten Richtung durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung nacheinander Erwärmen des zweiten Substrats, des dritten Substrats und eines vierten Substrats der Substrate des Katalysators durch die erwärmte Luft beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Oszillieren der Luft zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung über die Abgasnachbehandlungsvorrichtung Erwärmen des zweiten Substrats und des dritten Substrats doppelt so stark wie das erste Substrat und das vierte Substrat mit jedem Zylinderzyklus beinhaltet.
Motorsystem, umfassend: eine Nachbehandlungsvorrichtung, die in einem Abgassystem des Motorsystems angeordnet ist; eine Vielzahl von Heizungen, die Katalysatorsubstrate der Nachbehandlungsvorrichtung trennt; einen Zylinder, der durch das Abgassystem fluidisch an die Nachbehandlungsvorrichtung gekoppelt ist, wobei der Zylinder ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist, und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die in nicht-transitorischem Speicher gespeichert sind und bei Ausführung die Steuerung zu Folgendem veranlassen: als Reaktion auf eine Anforderung eines Motorkaltstarts; Öffnen des Einlassventils und des Auslassventils des Zylinders; zyklischen Betätigen des Zylinders durch Drehen einer Kurbelwelle, um einen Luftstrom zwischen der Nachbehandlungsvorrichtung und dem Zylinder hin- und herzuoszillieren; Erwärmen der Nachbehandlungsvorrichtung durch Anschalten der Vielzahl von Heizungen.
Motorsystem nach Anspruch 10, wobei die Katalysatorsubstrate nacheinander entlang einer Gasstromrichtung in der Nachbehandlungsvorrichtung angeordnet sind.
Motorsystem nach Anspruch 11, wobei innere Substrate der Katalysatorsubstrate mit dünnen Wänden, einer geringeren thermischen Masse als äußere Substrate der Katalysatorsubstrate und katalytischen Materialien konfiguriert sind, um das Erwärmen der inneren Substrate zu beschleunigen.
Motorsystem nach Anspruch 12, wobei die äußeren Substrate der Katalysatorsubstrate mit Substratvolumina konfiguriert sind, die einer maximalen Abgasströmungsrate von einem Motor des Motorsystems und einem Hubraum des Motors entsprechen.
Motorsystem nach Anspruch 10, wobei die Nachbehandlungsvorrichtung drei oder mehr Katalysatorsubstrate beinhaltet und die Vielzahl von Heizungen zwei oder mehr Heizungen beinhaltet und wobei die zwei oder mehr Heizungen unabhängig voneinander betreibbar sind.
Motorsystem nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Heizungen auf mindestens 1200 °C erwärmt wird und wobei Luft, die durch die Vielzahl von Heizungen strömt, auf mindestens 800 °C erwärmt wird.