EP3535485A1 - Verfahren und vorrichtung zur regeneration eines partikelfilters bei einem kraftfahrzeug mit hybridantrieb - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regeneration eines partikelfilters bei einem kraftfahrzeug mit hybridantrieb

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EP3535485A1
EP3535485A1 EP17797264.3A EP17797264A EP3535485A1 EP 3535485 A1 EP3535485 A1 EP 3535485A1 EP 17797264 A EP17797264 A EP 17797264A EP 3535485 A1 EP3535485 A1 EP 3535485A1
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EP
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internal combustion
regeneration
particulate filter
electric motor
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Definitions

  • WO201 1/104459 A1 a method for the regeneration of a particulate filter of an internal combustion engine in a hybrid vehicle is known.
  • the inlet temperature in the particle filter is continuously measured and compared with a first threshold.
  • a stop of the internal combustion engine is suppressed if the temperature at the entrance of the particulate filter is below this first threshold value. This will be a stop of the
  • Hot film air mass meter also be integrated into the air filter 32. Downstream of the
  • Drive axle 42 in particular the front axle, drives.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb aus einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor. Dabei wird der Verbrennungsmotor zur Regeneration des Partikelfilters durch den Elektromotor geschleppt. Der Verbrennungsmotor fördert sauerstoffreiche Luft in den Abgaskanal, wobei der im Partikelfilter zurückgehaltene Ruß durch den Sauerstoff oxidiert und der Partikelfilter somit regeneriert werden kann. Dabei wird die Luftmenge während der Regeneration des Partikelfilters durch eine Drosselklappe in der Luftzufuhr des Verbrennungsmotors gesteuert, um eine möglichst schnelle und effiziente Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, wobei der Hybridantrieb ein Steuergerät aufweist, um ein solches Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters durchzuführen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters bei einem Kraftfahrzeug mit
Hybridantrieb
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb.
Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren oder Fahrzeuge mit Hybrid- Antrieb ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Partikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Partikelfilter mit Ru ß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Partikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im
Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne
Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ=1 ) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Eine Möglichkeit zur Regeneration des Partikelfilters ist die Sauerstoffeinbringung in den Abgaskanal in Schubphasen des
Verbrennungsmotors, also in Phasen, in denen kein Kraftstoff eingespritzt wird und somit ein Sauerstoffüberschuss im Abgas vorliegt. Solche Schubphasen treten jedoch bei einem
Verbrennungsmotor nicht immer planmäßig auf, sondern eher zufällig und nicht steuerbar, sodass die Regenerationsphase häufiger als eigentlich notwendig ausgelöst wird, um die Gefahr einer zu hohen Beladung des Partikelfilters und die damit einhergehende Gefahr einer thermischen Schädigung des Partikelfilters durch unkontrollierten Ru ßabbrand zu vermeiden. Ein solcher unkontrollierter Ru ßabbrand könnte im ungünstigsten Fall zum Durchbrennen des Partikelfilters und somit zu einer Zerstörung des Partikelfilters führen.
Aus der DE 103 40 934 B4 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei zwischen einem Normalbetrieb und einem Regenerationsbetrieb des Verbrennungsmotors unterschieden wird, wobei im Normalbetrieb die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmasse durch ein Abgasrückführungsventil und eine Drosselklappe gesteuert wird, und in der Regeneration das Abgasrückführungsventil geschlossen wird und die dem Verbrennungsmotor zugeführt Luftmasse ausschließlich über die Drosselklappe gesteuert wird.
Aus der DE 10 2016 101 105 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Schubbetrieb eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei die Dauer einer Schubphase, in der kein Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, in
Abhängigkeit von der Temperatur des Partikelfilters gesteuert wird.
Aus der WO201 1/104459 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters eines Verbrennungsmotors bei einem Hybridfahrzeug bekannt. Dabei wird die Eingangstemperatur in den Partikelfilter kontinuierlich gemessen und mit einem ersten Schwellenwert verglichen. Dabei wird ein Stopp des Verbrennungsmotors unterbunden, wenn die Temperatur am Eingang des Partikelfilters unterhalb dieses ersten Schwellenwertes liegt. Dabei wird ein Stopp des
Verbrennungsmotors solange unterbunden, bis die Temperatur am Eingang des Partikelfilters oberhalb einer zweiten Schwellentemperatur liegt, oberhalb derer ein Stopp des
Verbrennungsmotors erlaubt ist.
Aus der EP 1 197 642 A2 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Hybridfahrzeug bekannt. Dabei wird die Temperatur des Abgases dadurch angehoben, dass die Last des Verbrennungsmotors angehoben wird, indem der Verbrennungsmotor zusätzlich zum Antrieb des Kraftfahrzeuges die Batterie des Elektromotors des Hybridfahrzeuges auflädt.
Nachteilig an diesen Lösungen ist jedoch, dass weiterhin auf Schubphasen des
Verbrennungsmotors gewartet werden muss, um eine Regeneration des Partikelfilters durchzuführen und der Partikelfilter weiterhin häufiger als eigentlich notwendig regeneriert wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Hybridfahrzeug mit einem hybriden Antrieb aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor eine möglichst schnelle
Regeneration eines Partikelfilters zu ermöglichen und nach erfolgreicher Regeneration des Partikelfilters ein sanftes Wiedereinsetzen der Verbrennung des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters im Abgaskanal eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb aus einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
Betreiben des Kraftfahrzeuges im Hybridbetrieb, wobei beim Betrieb des
Verbrennungsmotors das Abgas des Verbrennungsmotors durch den Partikelfilter geleitet wird,
Ermitteln eines Beladungszustands des Partikelfilters,
Einleiten einer Regeneration des Partikelfilters, wenn der Beladungszustand des
Partikelfilters einen definierten Maximalbeladungszustand erreicht hat,
Durchführen eines Regenerationsvorgangs des Partikelfilters, wobei der
Verbrennungsmotor und der Elektromotor während der Regeneration gekoppelt sind und der Elektromotor den Verbrennungsmotor schleppt, wobei
der Verbrennungsmotor Luft in den Abgaskanal fördert, um die im Partikelfilter zurückgehaltenen Ru ßpartikel zu oxidieren, und wobei
eine Drosselklappe der Luftversorgung des Verbrennungsmotors während der
Regeneration des Partikelfilters unabhängig von einer Momentenanforderung des
Fahrers an den Hybridantrieb gesteuert wird.
Dadurch sind effiziente Schubphasen des Verbrennungsmotors möglich, welche durch das Drehmoment des Elektromotors aktiv gestaltet werden können. Somit ist es nicht notwendig, auf eine Fahrsituation bedingte Schubphase zu warten, um eine Regeneration einzuleiten, sodass seltenere Regenerationsvorgänge des Partikelfilters notwendig sind. In einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb kann also eine Regenerationsphase des Partikelfilters eingeleitet werden, wenn der Partikelfilter einen definierten Maximalbeladungszustand erreicht hat. Unter einer
Schubphase ist in diesem Zusammenhang ein Betriebszustand zu verstehen, in dem kein Kraftstoff in einen der Brennräume des Verbrennungsmotors eingespritzt wird und der
Verbrennungsmotor kein Antriebsmoment an die Kurbelwelle abgibt. Unter einem Schleppen des Verbrennungsmotors ist in diesem Zusammenhang ein Betriebszustand zu verstehen, an dem der Elektromotor ein Drehmoment zum Drehen des Verbrennungsmotors aufbringen muss. Dabei wird der Verbrennungsmotor mit einer Drehzahl von größer 100 U/min, vorzugsweise von mindestens 600 U/min gedreht und vorzugsweise die Einspritzung von Kraftstoff in die
Brennräume des Verbrennungsmotors vollständig ausgeblendet. Da der Verbrennungsmotor während der Regeneration des Partikelfilters durch den Elektromotor geschleppt wird, dient der Verbrennungsmotor während der Regeneration dazu, den für die Regeneration des
Partikelfilters notwendigen Sauerstoff in den Abgaskanal zu fördern. Durch eine Steuerung der Drosselklappe unabhängig von der Lastanforderung kann somit die durch die Drosselklappe dem Partikelfilter zur optimalen Regeneration notwendige Sauerstoffmenge zugeführt werden. Durch ein weites Öffnen der Drosselklappe kann eine schnelle Regeneration des Partikelfilters erreicht werden, wobei durch ein Schließen der Drosselklappe die Luftzufuhr reduziert wird und ein unkontrollierter Rußabbrand auf dem Partikelfilter, welcher zu einer Zerstörung des
Partikelfilters führen kann, verhindert wird. Somit kann gegenüber einer ungesteuerten
Regeneration mit geschlossener Drosselklappe eine deutlich schnellere und effektivere
Regeneration des Partikelfilters erreicht werden, wodurch die Schleppphase des Elektromotors kürzer gehalten werden kann und das Kraftfahrzeug schneller wieder in einem Normalbetrieb betrieben werden kann.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte
Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Regeneration des Partikelfilters möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Drosselklappe zum Ende der Regeneration des Partikelfilters geschlossen wird. Durch ein Schließen der Drosselklappe zum Ende der Regeneration wird ein Unterdruck im Ansaugtrakt des
Verbrennungsmotors erzeugt, um einen Neustart des Verbrennungsmotors bei geringer Leistungsabgabe zu ermöglichen. Dadurch ist ein besonders sanftes Ankoppeln des
Verbrennungsmotors möglich, wodurch der Fahrkomfort des Kraftfahrzeuges erhöht wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drosselklappe zu Beginn der Regeneration in eine definierte Stellung gebracht wird. Um einen definierten
Regenerationsprozess des Partikelfilters zu starten, ist es vorteilhaft, wenn die Drosselklappe zu Beginn der Regeneration in eine definierte Stellung gebracht wird, das heißt, wenn der Öffnungswinkel der Drosselklappe zu Beginn der Regeneration fest vorgegeben wird.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Öffnungswinkel der Drosselklappe zu Beginn der Regeneration des Partikelfilters zwischen 30° und 70 ° beträgt. Um eine schnelle Regeneration des Partikelfilters ohne die Gefahr eines unkontrollierten Ru ßabbrandes und einer thermischen Zerstörung des Partikelfilters zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, den Regenerationsprozess mit einer teilweise geöffneten Drosselklappe zu beginnen. Dabei haben sich Öffnungswinkel zwischen 30° und 70° als besonders sinnvoll herausgestellt, da sie einen guten Kompromiss zwischen einer hinreichend schnellen Regeneration und einer Begrenzung der Sauerstoffzufuhr zum Partikelfilter darstellen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die
Drosselklappe in diskreten Schritten geschlossen wird. Eine Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Drosselklappe in diskreten Schritten von einem zumindest teilweise geschlossenen Ausgangszustand in einen im Wesentlichen geschlossenen Endzustand zu überführen. Dabei können die Schritte in Abhängigkeit eines Fortschritts der Regeneration des Partikelfilters oder in Abhängigkeit der am Partikelfilter vorherrschenden Temperatur gewählt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Öffnungswinkel der Drosselklappe von Beginn der Regeneration zum Ende der Regeneration des Partikelfilters kontinuierlich und stetig verringert wird. Durch ein stetiges Schließen der Drosselklappe wird dem Partikelfilter zu Beginn der Regeneration zunächst eine
vergleichsweise große Menge an Sauerstoff zugeführt, sodass es zu einem raschen
Rußabbrand auf dem Partikelfilter kommt. Dabei kann ein unkontrollierter Temperaturanstieg über eine kritische Temperatur hinaus durch das Schließen der Drosselklappe verhindert werden. Zudem wird durch das Schließen der Drosselklappe vor einem erneuten Start des Verbrennungsmotors ein Unterdruck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors erzeugt, wodurch eine sanfte Wiederinbetriebnahme des Verbrennungsmotors und eine entsprechende
Leistungseinkopplung der Antriebsleistung des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang des Hybridfahrzeuges möglich sind. Somit wird ein schlagartiges Wiedereinsetzen des
Verbrennungsmotors unterbunden, wodurch der Fahrkomfort und die Dauerhaltbarkeit des Antriebsstranges erhöht werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Schließen der Drosselklappe während der
Regeneration des Partikelfilters in Abhängigkeit einer Temperatur und/oder einer Ru ßbeladung des Partikelfilters erfolgt. Durch eine Veränderung des Öffnungswinkels der Drosselklappe in Abhängigkeit der Temperatur und/oder der Beladung des Partikelfilters kann eine besonders schnelle Regeneration des Partikelfilters ohne die Gefahr einer thermischen Schädigung des Partikelfilters durchgeführt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Regenerationsvorgang ein Heizvorgang vorgeschaltet ist, bei dem der Partikelfilter auf einen für die Oxidation des Rußes notwendigen Temperaturbereich aufgeheizt wird. Da der Schubbetrieb in der Regel mit einer Temperaturabsenkung im Abgaskanal verbunden ist, kann es notwendig sein, vor Einleitung der Regeneration den Abgaskanal und somit den Partikelfilter auf eine
Regenerationstemperatur aufzuheizen. Da zur Regeneration des Partikelfilters sowohl ein hinreichend hohes Temperaturniveau als auch ein Sauerstoffüberschuss im Abgaskanal notwendig sind, ist eine solche Heizphase ein einfaches und probates Mittel, um das
Temperaturniveau zu erreichen. Der Sauerstoffüberschuss wird wie dargestellt durch den Schleppbetrieb des Verbrennungsmotors erreicht, wobei der Verbrennungsmotor Luft in den Abgaskanal fördert.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Regeneration des Partikelfilters in mehreren Schritten erfolgt, wobei alternierend zwischen einer Heizphase und einer Regenerationsphase umgeschaltet wird. Sollte eine vollständige Regeneration des Partikelfilters in einer Schubphase nicht möglich sein, insbesondere weil die Abgastemperatur den unteren Schwellenwert unterschreitet, so ist eine mehrstufige Regeneration des Partikelfilters vorgesehen, bei der alternierend zwischen einer Heizphase und einer Regenerationsphase des Partikelfilters umgeschaltet wird. Dabei ist der Verbrennungsmotor sowohl in der Heizphase als auch in der Regenerationsphase mit dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges verbunden. In den
Heizphasen dreht sich der Verbrennungsmotor aus eigenem Antrieb, in den
Regenerationsphasen wird der Verbrennungsmotor durch den Elektromotor geschleppt und somit gedreht. Somit werden ein Motorenstillstand und eine Abkopplung des
Verbrennungsmotors von dem Elektromotor in der gesamten Regenerationsphase
unterbunden. Durch mehrere Regenerationsschritte kann eine vollständige Regeneration des Partikelfilters erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der
Verbrennungsmotor während der Heizphase mit einem stöchiometrischen
Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Bei einem stöchiometrischen
Verbrennungsluftverhältnis ist eine besonders gute Umsetzung von Schadstoffen auf einem dem Partikelfilter vorgeschalteten Drei-Wege-Katalysator möglich. Zudem ist ein
stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors besonders gut geeignet, um das Abgas aufzuheizen, da ein mageres Verbrennungsluftverhältnis in der Regel mit einer abnehmenden Leistung des Verbrennungsmotors einhergeht und ein fettes
Verbrennungsluftverhältnis in der Regel zu einer Kühlung des Abgases durch den
unverbrannten Kraftstoff führt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Lastpunkt des Verbrennungsmotors während der Heizphase derart verschoben wird, dass der
Verbrennungsmotor zusätzlich durch einen Ladevorgang der Batterie mehr Last aufbringen muss. Somit wird die Last in der Heizphase erhöht, ohne dass das Antriebsmoment vortriebswirksam wird. Dadurch wird das Abgas und somit der Partikelfilter bei ansonsten gleichen Bedingungen (wie zum Beispiel Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl) schneller aufgeheizt als bei einem Kraftfahrzeug, welches ausschließlich über einen Verbrennungsmotor verfügt und durch diesen angetrieben wird.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit der Drosselklappe angedrosselt wird und der Verbrennungsmotor auch bei aktuell laufender aber noch
unvollständiger Regeneration des Partikelfilters vom Mitschleppbetrieb in den Antriebsmodus überführt wird, wenn die Lastanforderung an den Hybridantrieb einen bestimmten
Schwellenwert, insbesondere die Nennleistung des Elektromotors, überschreitet. Wird während der Regeneration eine Last angefordert, welche oberhalb der Nennlast des Elektromotors liegt, so kann der Regenerationsvorgang des Partikelfilters unterbrochen werden, um die maximale Systemleistung aus Verbrennungsmotor und Elektromotor zur Verfügung zu stellen. Dabei wird die Regeneration des Partikelfilters so lange unterbunden, bis die Systemleistung wieder unterhalb des Schwellenwertes liegt, und das notwendige Antriebsmoment und das
Schleppmoment des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor erzeugt werden können. Durch die mehrstufige Regeneration des Partikelfilters ist es möglich, kurzfristig die gesamte Systemleistung zur Verfügung zu stellen, ohne das Schädigungen des Partikelfilters durch eine Überladung und somit einen späteren unkontrollierten Ru ßabbrand zu befürchten sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Lastpunkt des Elektromotors während der Regeneration des Partikelfilters derart verschoben wird, dass der Elektromotor das Fahrerwunschmoment aufbringt und zusätzlich den Verbrennungsmotor schleppt. Dadurch kann während der Regeneration des Partikelfilters zusätzliche Leistung durch den Elektromotor bereitgestellt werden, sodass der Regenerationsvorgang erfolgen kann ohne Einschränkungen des Fahrerlebnisses.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Regeneration des Partikelfilters momentenneutral für das vortriebswirksame Antriebsdrehmoment des Kraftfahrzeuges erfolgt, das heißt, wenn der Elektromotor während der Regeneration des Partikelfilters genau so viel zusätzliches
Drehmoment bereitstellt, wie zum Schleppen des Verbrennungsmotors notwendig ist. Dadurch können die Regenerationsphasen besonders komfortabel und quasi unbemerkt für den Fahrer des Kraftfahrzeuges ausgeführt werden. Es findet eine volle Kompensation desjenigen
Schleppmomentes statt, welches durch die Reibleistung der unbefeuerten
Verbrennunskraftmasschine in den Triebstrang eingebracht wird. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren bei einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor durchgeführt wird. Das vorgeschlagene Verfahren ist prinzipiell bei Hybridfahrzeugen mit einem selbstzündenden Verbrennungsmotor als auch bei einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor durchführbar. Da selbstzündende
Verbrennungsmotoren nach dem Diesel-Verfahren jedoch in der Regel mit einem
entsprechenden Sauerstoff-Überschuss betrieben werden, stellt die Bereitstellung von
Sauerstoff zur Regeneration des Partikelfilters bei einem Diesel-Hybrid jedoch eine geringe Herausforderung dar. Bei einem Benzin-Hybrid, welcher in der Regel mit einem
stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, sind jedoch zusätzlich
Maßnahmen zur Einbringung von Sauerstoff in den Abgaskanal notwendig, um den Partikelfilter zu regenerieren. Da ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor nicht ohne Einschränkungen an Leistung, Abgasverhalten und/oder Komfort mit einem mageren Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden kann, bietet das vorgeschlagene Verfahren den Vorteil, dass eine
Regeneration insbesondere auch bei mittleren und niedrigeren Teillasten, wie sie
beispielsweise bei einem Betrieb im Stadtverkehr auftreten, möglich ist.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb vorgeschlagen, mit dem ein solches Verfahren durchgeführt werden kann. Über ein solches Steuergerät kann auf einfache Art und Weise die Leistungsverteilung zwischen Elektromotor und Verbrennungsmotor gesteuert werden und somit die Voraussetzungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens geschaffen werden.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb, umfassend einen Elektromotor und einen Verbrennungsmotor, vorgeschlagen, wobei im Abgaskanal des
Verbrennungsmotors ein Partikelfilter angeordnet ist, und welches ein Steuergerät zur
Steuerung des Verbrennungsmotors und des Elektromotors aufweist, wobei der Elektromotor den Verbrennungsmotor während der Regeneration des Partikelfilters schleppt und der
Verbrennungsmotor Luft zur Oxidation der im Partikelfilter zurückgehaltenen Ru ßpartikel in den Abgaskanal fördert. Bei einem solchen Kraftfahrzeug ist eine besonders schnelle und effiziente Regeneration des Partikelfilters möglich, ohne dass diese Regeneration für den Fahrer spürbar mit einem Komfort- oder Leistungsverlust verbunden wäre.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb aus Verbrennungsmotor und Elektromotor;
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb;
Figur 3 ein erstes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Regeneration eines Partikelfilters bei einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb; und
Figur 4 ein weiteres Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Regeneration eines Partikelfilters bei einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges 1 mit einem Hybridantrieb 2. Der Hybridantrieb 2 umfasst einen Verbrennungsmotor 10 und einen Elektromotor 20, welche über einen Antriebsstrang 26 beide mit einem gemeinsamen Getriebe 46 in Wirkverbindung treten können. Der Verbrennungsmotor 10 ist einlassseitig mit einer Luftversorgung 30 verbunden. Dabei weist die Luftversorgung 30 in Strömungsrichtung von Frischluft einen Luftfilter 32, stromabwärts des Luftfilters 32 einen Luftmassenmesser 38, weiter stromabwärts einen Verdichter 36 eines Turboladers 40 und eine Drosselklappe 34 auf. Der
Verbrennungsmotor 10 ist auslassseitig mit einem Abgaskanal 12 verbunden, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases eine Turbine 18 angeordnet ist, welche über eine Welle mit dem Verdichter 36 des Turboladers 40 verbunden ist. Stromabwärts der Turbine 18 ist ein Katalysator 14 und weiter stromabwärts ein Partikelfilter 16 angeordnet. Das Getriebe 46 ist über eine erste Kupplung 48 mit dem Verbrennungsmotor 10 und über eine zweite Kupplung 50 mit dem Elektromotor 20 verbindbar. Dabei können der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 20 entweder jeweils einzeln, oder zusammen das Kraftfahrzeug 1 antreiben. Dazu ist der Verbrennungsmotor 10 über das Getriebe 46 mit einer ersten Antriebsachse des Kraftfahrzeuges 1 und der Elektromotor 20 mit einer zweiten Antriebsachse 44 des
Kraftfahrzeuges 1 verbunden. Der Elektromotor 20 ist mit einer Batterie 22 verbunden, welche den Elektromotor 20 mit Strom versorgt. Der Elektromotor 20 und der Verbrennungsmotor sind über Signalleitungen 28 mit einem Steuergerät 10 des Hybridantriebs 2 verbunden, welches die Leistungsanforderungen des Fahrers an die beiden Antriebsmotoren 10, 20 weitergibt.
Alternativ kann der Hybridantrieb 2 auch mit einem Saugmotor ausgeführt sein, wobei in diesem Fall der Turbolader 40 mit dem Verdichter 36 und der Turbine 18 entfällt.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges 1 mit Hybridantrieb 2 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 20 sind dabei vorzugsweise quer zur Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges 1 in einem Motorraum im
Vorderwagen des Kraftfahrzeuges angeordnet. Alternativ können der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 20 auch längs zur Fahrtrichtung angeordnet sein. Zwischen dem
Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 46 ist eine erste Kupplung 48 angeordnet, über welche der Verbrennungsmotor 10 mit dem Getriebe 46 mechanisch verbunden werden kann. Diese erste Kupplung 48 kann sowohl als einfache Schaltkupplung als auch als, vorzugsweise automatisierte, Doppelkupplung ausgebildet sein. Zwischen dem Getriebe 46 und dem
Elektromotor 20 ist eine weitere Kupplung 50 vorgesehen, welche eine Ankopplung
beziehungsweise Abkopplung des Elektromotors 20 ermöglicht.
Im Fahrzeugheck sind ein Tank für den Verbrennungsmotor 10 und eine Batterie 22 für den Elektromotor 20 angeordnet, um eine gleichmäßige Gewichtsverteilung zwischen der ersten Antriebsachse 42, vorzugsweise der Vorderachse des Kraftfahrzeuges 1 und der zweiten Achse, vorzugsweise der Hinterachse, zu erzielen. Alternativ können der Tank und/oder die Batterie 22 auch an anderen Positionen des Kraftfahrzeuges 1 angeordnet werden.
Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Luftversorgung 30 auf, in welcher in Strömungsrichtung der Frischluft ein Luftfilter 32 und stromabwärts des Luftfilters 32 ein Luftmassenmesser 38 angeordnet sind Alternativ kann der Luftmassenmesser 38, insbesondere ein
Heißfilmluftmassenmesser, auch in den Luftfilter 32 integriert sein. Stromabwärts des
Luftmassenmessers 38 ist eine Drosselklappe 34 angeordnet, mit welcher die Luftzufuhr zu den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 gesteuert werden kann.
Der Elektromotor 20 und der Verbrennungsmotor 10 sind über einen gemeinsamen
Antriebsstrang 26 miteinander verbindbar, wobei die Verbindung durch die Kupplungen 48 und 50 hergestellt beziehungsweise unterbunden werden kann. Durch das Schließen nur einer der Kupplungen 48 oder 50 kann das Kraftfahrzeug 1 wahlweise ausschließlich elektrisch, durch den Elektromotor 20 oder ausschließlich mit Verbrennungsmotor 10 betrieben werden. Sind beide Kupplungen 48 und 50 geschlossen, so kann ein Boost-Betrieb mit beiden Antriebsaggregaten 10, 20, eine Rekuperation, also ein Aufladen der Batterie 22 des
Elektromotors 20, oder ein elektrischer Bremsbetrieb durchgeführt werden. Das Getriebe 46 ist mit einem Differenzial verbunden, welches über Antriebswellen die Räder der ersten
Antriebsachse 42, insbesondere der Vorderachse, antreibt.
Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Abgaskanal 12 auf, in welchem ein Drei-Wege- Katalysator 14 und ein Partikelfilter 16 angeordnet sind. Zur Steuerung des
Verbrennungsmotors 10 und des Elektromotors 20 ist ein Steuergerät 24 vorgesehen, welches über erste Signalleitungen 28 mit dem Verbrennungsmotor 10 und über zweite Signalleitungen 28 mit dem Elektromotor 20 verbunden ist.
Im Normalbetrieb wird das Kraftfahrzeug 1 in einem Hybridmodus betrieben, in dem das Fahrerwunschmoment nach einem bestimmten Antriebsmotor 10, 20 durch das Steuergerät 24 an den Verbrennungsmotor 10, den Elektromotor 20 oder beide Motoren 10, 20 weitergegeben wird. Die im Steuergerät 24 abgelegte Betriebsstrategie des Hybridantriebs 2 gibt vor, auf welche Art und Weise der Fahrerwunsch erfüllt wird. Dabei kann das Antriebsmoment entweder vollständig durch den Elektromotor 20 bereitgestellt werden, durch eine Aufteilung zwischen Elektromotor 20 und Verbrennungsmotor 10 erfolgen oder vollständig durch den
Verbrennungsmotor 10 erfolgen. Im Hybridbetrieb ist es zudem möglich, dass der
Verbrennungsmotor 10 mehr Drehmoment erzeugt, als zum Antrieb des Kraftfahrzeuges notwendig ist, wobei das zusätzliche Drehmoment durch die Ankupplung des Elektromotors 20 über die Kupplung 50 genutzt wird, um die Batterie 22 des Elektromotors 20 zu laden.
Während der Verbrennungsmotor 10 aktiv ist, wird das Abgas des Verbrennungsmotors durch den Partikelfilter 16 im Abgaskanal 12 geleitet. Während des Hybridbetriebs wird der
Partikelfilter 16 mit Ru ßpartikeln beladen, bis ein maximal zulässiger Beladungszustand des Partikelfilters 16 erreicht ist.
In Figur 3 ist ein Ablaufschema zur Regeneration des Partikelfilters 16 dargestellt. In einer ersten Phase I wird das Kraftfahrzeug in einem Hybridbetrieb I betrieben, bis der Partikelfilter 16 einen maximal zulässigen Beladungszustand erreicht hat. Dabei ist der Öffnungswinkel α der Drosselklappe 34 zwischen 0% und 100% veränderbar und richtet sich nach der
Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor 10. Der maximal zulässige
Beladungszustand kann durch eine Differenzdruckmessung über den Partikelfilter 16 oder durch eine Modellierung des Ru ßeintrags und des Ru ßaustrags aus dem Partikelfilter 16 mittels eines im Steuergerät 24 abgelegten Berechnungsmodells ermittelt werden. Wird die Notwendigkeit einer Regeneration des Partikelfilters 16 ermittelt, wird in einer zweiten Phase II der Partikelfilter 16 auf eine zur Regeneration notwendige Temperatur aufgeheizt. An die Aufheizphase II des Partikelfilters 16 schließt sich die Regenerationsphase III des Partikelfilters 16 an. Die Regenerationsphase III des Partikelfilters 16 kann wie in Figur 4 dargestellt in mehreren Schritten Uli bis lll5 oder wie in Figur 3 dargestellt kontinuierlich verlaufen. In Figur 4 ist eine Regeneration mit fünf Regenerationsschritten dargestellt, es sind jedoch auch
Regenerationen mit mehr oder weniger Regenerationsschritten möglich. Zudem kann die Heizphase II entfallen, wenn der Partikelfilter 16 bereits beim Einleiten der Regenerationsphase III eine zur Oxidation des im Partikelfilter 16 zurückgehaltenen Ru ßes notwendige Temperatur aufweist. In der Heizphase II wird der Verbrennungsmotor 10 solange mit Last betrieben, bis eine obere Schwellentemperatur Tso erreicht wird. Diese obere Schwellentemperatur liegt beispielsweise bei 750 'Ό, wodurch ideale Konditionen zur Oxidation des im Partikelfilter 16 zurückgehaltenen Ru ßes geschaffen werden. Die Heizphase II kann beispielsweise eine Verstellung des Zündzeitpunktes in Richtung spät und/oder eine zusätzliche Last des
Verbrennungsmotors 10 durch einen Generatorbetrieb des Elektromotors 10 umfassen. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 vorzugsweise mit einem stöchiometrischen
Verbrennungsluftverhältnis betrieben. Ist die obere Schwellentemperatur TSo erreicht, so wird die Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume des Verbrennungsmotors 10 gestoppt und der Verbrennungsmotor 10 durch den Elektromotor 20 geschleppt. In dieser Regenerationsphase III wird der Verbrennungsmotor 10 durch den Elektromotor 20 mitgedreht, wobei der
Verbrennungsmotor 10 Luft in den Abgaskanal 12 fördert. Während der Regenerationsphase III, welche eine Schubphase für den Verbrennungsmotor 10 darstellt, wird der Ruß im Partikelfilter 16 oxidiert, wobei durch die ausbleibende Verbrennung in den Brennräumen des
Verbrennungsmotors 10 die Abgastemperatur sinkt. Dabei kann alternativ die Einspritzung von Kraftstoff in einzelne oder alle Zylinder des Verbrennungsmotors 10 ausgeblendet werden. Während der Regenerationsphase III liefert der Verbrennungsmotor 10 kein Antriebsmoment, sodass das gesamte Antriebsmoment vom Elektromotor 20 erzeugt werden muss. Dabei wird der Öffnungswinkel α der Drosselklappe 34 zu Beginn der Regeneration des Partikelfilters 16 auf einen festen Wert, beispielsweise 50% festgesetzt und es erfolgt während der Regeneration des Partikelfilters 16 ein kontinuierliches Schließen der Drosselklappe 34, bis zum Abschluss der Regeneration ein Öffnungswinkel α der Drosselklappe 34 von 0%, das heißt, eine maximale Drosselung der Frischluftmenge erreicht ist. Die Regenerationsphase 3 wird solange
aufrechterhalten, bis die Temperatur am Partikelfilter 16 einen unteren Schwellenwert TSu von ca. 600 'Ό erreicht. Unterhalb dieser Temperatur ist keine weitere Oxidation des Ru ßes mehr möglich, sodass erneut eine Heizphase II eingeleitet werden muss. Zur Regeneration des Partikelfilters 16 kann alternierend zwischen der Heizphase II und einer Regenerationsphase III 3 gewechselt werden. Dieser alternierende Wechsel zwischen Heizphase II und
Regenerationsphase III wird so lange wiederholt, bis der Partikelfilter 16 als regeneriert angesehen werden kann, was durch eine Differenzdruckmessung über den Partikelfilter 16 oder über eine Modellierung des Beladungszustandes über ein Berechnungsmodell erfolgen kann. Durch das Schließen der Drosselklappe 34 zum Ende der Regeneration III liegt im Ansaugkanal des Verbrennungsmotors 10 ein Unterdruck vor, welcher ein besonders sanftes
Wiedereinsetzen der Verbrennung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10
ermöglicht.
Nach einer erfolgreichen Regeneration des Partikelfilters 16 wird das Kraftfahrzeug erneut in einem Hybrid-Betrieb I betrieben und der Partikelfilter 16 erneut mit Rußpartikeln beladen.
In Figur 4 ist ein weiteres Schema zur Regeneration des Partikelfilters 16 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichen Ablauf wie zu Figur 3 beschrieben erfolgt das Schließen der
Drosselklappe 34 hier in diskreten Schritten, beispielsweise um jeweils 10% pro Schritt. Dabei ist die Drosselklappe 34 zu Beginn der Regeneration Uli des Partikelfilters 16 mit einem definierten, festgesetzten Öffnungswinkel α von beispielsweise 60% geöffnet, wobei mit jedem weiteren Schritt lll2 bis lll5 die Drosselklappe 34 um einen definierten Anteil weiter geschlossen wird, bis sie zum Abschluss der Regeneration des Partikelfilters 16 zumindest im Wesentlichen geschlossen ist und eine maximale Restöffnung von 10% aufweist.
Erfolgt während der Regeneration des Partikelfilters 16 eine Lastanforderung an den
Hybridantrieb 2, welche die Leistung des Elektromotors 20 übersteigt, so wird die Drosselklappe 34 geschlossen, um eine Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 10 zu erleichtern. Dabei wird die Regenerationsphase III des Partikelfilters 16 unterbrochen, bis erneut passende Konditionen für eine Regeneration des Partikelfilters 16 vorliegen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein besonders effizienter Mechanismus zum Abbrand von Ru ßpartikeln auf dem Partikelfilter 16 geschaffen. Durch den Schleppbetrieb des Verbrennungsmotors 10 durch den Elektromotor 20 ist der Eintrag von Sauerstoff in den Abgaskanal 12 weitestgehend frei vom Lastpunkt des Hybridantriebs 2 steuerbar. Das zum Schleppen des Verbrennungsmotors 10 notwendige Moment wird durch den Elektromotor 20 erzeugt, sodass die Regeneration des Partikelfilters 16 für den Fahrer des Kraftfahrzeuges 1 nicht wahrnehmbar und besonders komfortabel ist. Zur Optimierung der Regeneration können wie beschrieben sowohl der Lastpunkt des
Verbrennungsmotors 10 (insbesondere in der Heizphase II) als auch der Lastpunkt des Elektromotors 20 in der Schubphase verschoben werden. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 während der Regeneration nicht vom Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges 1 mit Hybridantrieb 2 abgekoppelt. Dadurch ergibt sich eine deutlich einfache Regenerationsmöglichkeit für den Partikelfilter 16.
Bezugszeichenliste
1 Kraftfahrzeug
Hybridantrieb
10 Verbrennungsmotor
12 Abgaskanal
14 Katalysator
16 Partikelfilter
18 Turbine
20 Elektromotor
22 Batterie
24 Steuergerät
26 Antriebsstrang
28 Signalleitung
30 Luftversorgung
32 Luftfilter
34 Drosselklappe
36 Verdichter
38 Luftmassenmesser
40 Turbolader
42 erste Antriebsachse
44 zweite Antriebsachse
46 Getriebe
48 erste Kupplung
50 zweite Kupplung
S Rußbeladung des Partikelfilters
P Fortschritt der Partikelfilterregeneration
t Zeit
α Öffnungswinkel der Drosselklappe aFix Öffnungswinkel während der Regeneration durch Verfahren vorgegeben
I Hybridbetrieb
II Heizphase des Partikelfilters
III Regenerationsphase des Partikelfilters
Uli erster Schritt der Regeneration
zweiter Schritt der Regeneration
dritter Schritt der Regeneration
NU vierter Schritt der Regeneration
Iiis fünfter Schritt der Regeneration

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (16) im Abgaskanal (12) eines
Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb aus einem Elektromotor (20) und einem
Verbrennungsmotor (10), umfassend folgende Schritte:
Betreiben des Kraftfahrzeuges im Hybridbetrieb, wobei beim Betrieb des
Verbrennungsmotors (10) das Abgas des Verbrennungsmotors (10) durch den Partikelfilter (16) geleitet wird,
Ermitteln eines Beladungszustands des Partikelfilters (16),
Einleiten einer Regeneration des Partikelfilters (16), wenn der Beladungszustand des Partikelfilters (16) einen definierten Maximalbeladungszustand erreicht hat,
Durchführen eines Regenerationsvorgangs des Partikelfilters (16), wobei der
Verbrennungsmotor (10) und der Elektromotor (20) während der Regeneration gekoppelt sind und der Elektromotor (20) den Verbrennungsmotor (10) schleppt, wobei
der Verbrennungsmotor (10) Luft in den Abgaskanal (12) fördert, um die im Partikelfilter (16) zurückgehaltenen Ru ßpartikel zu oxidieren, und wobei eine Drosselklappe der Luftversorgung des Verbrennungsmotors (10) während der Regeneration des Partikelfilters (16) unabhängig von einer
Momentenanforderung des Fahrers an den Hybridantrieb gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe zum
Ende der Regeneration des Partikelfilters (16) geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe zu Beginn der Regeneration des Partikelfilters (16) in eine definierte Stellung gebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel der Drosselklappe zu Beginn der Regeneration einen deutlich entdrosselten Betriebspunkt, vorzugsweise zwischen 30° und 70 ° Öffnungswinkel, darstellt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel der Drosselklappe von Beginn der Regeneration zum Ende der
Regeneration kontinuierlich und stetig verringert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung des
Öffnungswinkels der Drosselklappe während der Regeneration des Partikelfilters (16) in Abhängigkeit einer Temperatur und/oder eines Beladungszustandes des Partikelfilters (16) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das dem
Regenerationsvorgang ein Heizvorgang vorgeschaltet ist, bei dem der Partikelfilter (16) auf einen für die Oxidation des Rußes notwendigen Temperaturbereich aufgeheizt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) während der Heizphase mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Lastpunkt des Verbrennungsmotors (10) in der Heizphase derart verschoben wird, dass der Verbrennungsmotor (10) durch einen Ladevorgang der Batterie (22) gegen die Arbeit des Elektromotors (20) zusätzliche Last aufbringen muss.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Drosselklappe geschlossen und der Verbrennungsmotor (10) auch bei unvollständiger Regeneration des Partikelfilters (16) gestartet wird, wenn die Lastanforderung an den Hybridantrieb einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Lastpunkt des Elektromotors während der Regeneration des Partikelfilters derart verschoben wird, dass ausschließlich der Elektromotor das Fahrerwunschmoment für das Kraftfahrzeug aufbringt und zusätzlich den Verbrennungsmotor (10) schleppt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration des
Partikelfilters (16) momentenneutral für das vortriebswirksame Antriebsmoment des Kraftfahrzeuges erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor durchgeführt wird.
14. Steuergerät für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus einem
Verbrennungsmotor (10) und einem Elektromotor (20), welches eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.
15. Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb, umfassend einen Elektromotor (20) und einen Verbrennungsmotor (10), wobei in einem Abgaskanal (12) des Verbrennungsmotors (10) ein Partikelfilter (16) angeordnet ist, sowie mit mindestens einem Steuergerät zur Steuerung des Verbrennungsmotors (10) und des Elektromotors (20), wobei der Elektromotor (20) den Verbrennungsmotor während der Regeneration des Partikelfilters (16) schleppt und der Verbrennungsmotor (10) Luft zur Oxidation der im Partikelfilter (16) zurückgehaltenen Ru ßpartikel in den Abgaskanal (12) fördert, wobei der
Verbrennungsmotor (10) ein Luftversorgungssystem aufweist, in dem eine
Drosselklappe zur Steuerung der dem Verbrennungsmotor (10) zugeführten Luftmenge angeordnet ist.
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