DE102017117739A1

DE102017117739A1 - Verfahren und System für einen Abgaskatalysator

Info

Publication number: DE102017117739A1
Application number: DE102017117739.6A
Authority: DE
Inventors: Michael James Uhrich; Joseph Norman Ulrey
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2018-02-08
Also published as: CN107687359B; RU2691204C2; US20180038257A1; CN107687359A; US10087803B2; RU2017127192A; RU2017127192A3

Abstract

Verfahren und Systeme zum Betreiben eines Motorabgasnachbehandlungssystems, um die Effizienz eines Unterboden-Abgaskatalysators zu erhöhen und die Motoremissionen zu reduzieren, werden bereitgestellt. In einem Beispiel kann ein Umgehungsdurchlass an einen Hauptabgasdurchlass gekoppelt sein und während Bedingungen, die die Funktionalität des Unterboden-Katalysators beeinträchtigen können, kann Abgas opportunistisch über den Umgehungsdurchlass geleitet werden, um den Unterboden-Katalysator zu vermeiden. Abgaswärme kann über einen Wärmetauscher, der an den Umgehungsdurchlass gekoppelt ist, zurückgewonnen werden, und die Wärme kann zum Beheizen des Motors und zum Beheizen der Fahrgastkabine verwendet werden.

Description

Gebiet
Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme für die Steuerung eines Fahrzeugmotors, um die Effizienz eines Abgasnachbehandlungssystems zu erhöhen und Motoremissionen zu reduzieren.
Allgemeiner Stand der Technik/Kurzdarstellung
Emissionssteuervorrichtungen, wie etwa ein Unterboden-Katalysator, der an einen Abgasdurchlass eines Verbrennungsmotors gekoppelt ist, reduzieren Verbrennungsnebenprodukte, wie etwa Oxide von Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen. Motorkaltstartemissionen, die vor dem Anspringen des Unterboden-Katalysators generiert werden, können zu einem erheblichen Prozentsatz der gesamten Abgasemissionen beitragen. Die Effizienz des Unterboden-Katalysators kann durch die Abgastemperatur beeinflusst werden und kann außerhalb eines spezifischen Temperaturbereichs suboptimal sein. Außerdem kann die Funktionalität des Katalysators durch eine höhere als die Schwellen-Sauerstoffzufuhr im Katalysator beeinträchtigt werden.
Dementsprechend wurden verschiedene Ansätze zum selektiven Leiten von Abgas durch einen Abgaskatalysator auf der Grundlage der Abgastemperatur entwickelt. Ein beispielhafter Ansatz, der von Servati et al. in US 5,377,486 gezeigt wird, involviert, während Kaltstartbedingungen, das Leiten von Abgas zuerst durch einen kleineren Katalysator vor dem Leiten des Abgases durch den Unterboden-(Haupt-)Katalysator, und nach Erreichen der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators, Umgehen des kleineren Katalysators und Leiten von Abgas direkt durch den Hauptkatalysator. Der kleinere Katalysator kann das Anspringen eher als der Hauptkatalysator erreichen und durch Strömen von Abgas zuerst durch den kleineren Katalysator kann die Emissionsqualität erhöht werden. Durch Umgehen des kleineren Katalysators nach Erreichen der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators können Schäden am kleineren Katalysator durch eine höhere als die Schwellen-Abgastemperatur reduziert werden.
Die Erfinder haben hierin jedoch mögliche Probleme bei einem derartigen System erkannt. Als ein Beispiel wird der Hauptkatalysator auf der Konfiguration des Systems, unabhängig von der Abgastemperatur, nicht umgangen. Damit kann der Katalysator aufgrund einer Beschichtung auf der Unterboden-Katalysatorfläche höhere Umwandlungseffizienzen in einem definierten Abgastemperaturbereich aufweisen. Demzufolge kann die Funktionalität des Unterboden-Katalysators bei Abgastemperaturen, die unter oder über dem definierten Bereich liegen, reduziert werden. Zusätzlich kann der Strom von heißem Abgas Schäden an den Katalysatorkomponenten verursachen. Als ein anderes Beispiel, wenn Abgas durch den Katalysator während Kaltstartbedingungen strömt, kann Wasser von den Abgaskomponenten stromaufwärts des Hauptkatalysators auf dem Katalysator kondensieren und Energie vom Katalysator zur Verdampfung extrahieren, was ferner die Funktionalität des Katalysators beeinflussen kann und die Erreichung der Anspringtemperatur verzögern. Ferner kann der Motor während Motorbetriebsbedingungen, wie etwa eine Kraftstoffabschaltung (DFSO), ohne Kraftstoff betrieben werden, während Luft noch immer durch die Zylinder gepumpt wird. Demzufolge kann eine höhere Konzentration von Sauerstoff den Katalysator erreichen, was zu einer Sauerstoffsättigung des Unterboden-Katalysators führt. Die Sauerstoffsättigung kann zur Reduzierung der Fähigkeit des Katalysators, NOx, das auf dem Katalysator absorbiert wird, umzuwandeln, führen, wodurch die Emissionsqualität beeinflusst wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einen Ansatz festgestellt, mit dem die vorstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise angegangen werden können. In einem Beispiel können die oben beschriebenen Probleme von einem Verfahren für einen Motor angegangen werden, umfassend: während nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, Strömen von Abgas durch einen Umgehungsdurchlass während des Umgehens eines Unterboden-Abgaskatalysators, der in einem Hauptabgasdurchlass positioniert ist, über ein Ventil, das stromabwärts von dem Katalysator positioniert ist; und während kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, selektives Strömen von Abgas durch den Umgehungsdurchlass auf der Grundlage jedes einer Temperatur und Wassergehalts des Abgases. Auf diese Weise kann die Emissionsqualität durch opportunistisches Umgehen des Unterboden-Katalysators während Bedingungen, die die Funktionalität des Katalysators beeinträchtigen können, verbessert werden.
In einem Beispiel kann das Abgassystem einen vorderen Katalysator und einen Haupt-Unterboden-Katalysator beinhalten, der an den dem Hauptabgasdurchlass stromabwärts des Abgaskrümmers gekoppelt ist. Ein Umgehungsdurchlass kann an den Hauptabgasdurchlass, parallel zum Unterboden-Katalysator, gekoppelt sein, wobei die Umgehung eine Umschaltvorrichtung beinhaltet. Nach dem Strömen durch den vorderen Katalysator kann Abgas entweder durch den Unterboden-Katalysator strömen oder durch den Umgehungsdurchlass strömen, wobei der Unterboden-Katalysator umgangen wird. Das Leiten von Abgas durch den Hauptdurchlass oder den Umgehungsdurchlass kann über Einstellungen auf eine Position des Umschaltventils reguliert werden. Zum Beispiel während Kaltstartbedingungen kann das Umschaltventil derart eingestellt werden, dass Abgas zuerst den Unterboden-Katalysator umgehen kann, bis Wasser im Abgasstrom verdampft ist, und dann das Umschaltventil erneut eingestellt werden kann, sodass Abgas durch den Unterboden-Katalysator geleitet werden kann. Wärme vom Abgas kann verwendet werden, um den Unterboden-Katalysator zu beheizen und die Anspringtemperatur zu erreichen. Demgegenüber kann Abgas während höheren Zylinderluftmassenbedingungen sowie höheren Abgastemperaturbedingungen durch den Unterboden-Katalysator geleitet werden. In einem Beispiel, während kühleren Abgastemperaturbedingungen, kann das Abgas derart geleitet werden, um den Unterboden-Katalysator zu umgehen, um die Betriebstemperatur des Unterboden-Katalysators über einer gewünschten Betriebstemperatur zu halten sowie um Wasser im Abgas durch Senken der Katalysatortemperatur zu reduzieren. Ähnlich dazu kann Abgas während heißeren Abgastemperaturbedingungen derart geleitet werden, um den Unterboden-Katalysator zu umgehen, um ein Überhitzen des Katalysators zu reduzieren. Außerdem kann Abgas während Motorbetriebsbedingungen, wie etwa DFSO, wo eine Möglichkeit der Sauerstoffsättigung am Unterboden-Katalysator entsteht, derart geleitet werden, um den Unterboden-Katalysator zu umgehen. Ferner kann ein Wärmetauscher an den Umgehungsdurchlass gekoppelt werden, um Wärme von Abgas, das durch den Umgehungsdurchlass strömt, zu einem Kühlmittel, das durch den Wärmetauscher zirkuliert, zu übertragen. Die Wärme, die am Wärmetauscher zurückgewonnen wurde, kann verwendet werden, um den Fahrzeugkomponenten, wie etwa einem Zylinderkopf, und einer Fahrgastkabine Wärme zur Verfügung zu stellen.
Auf diese Weise, durch selektives Umgehen eines Unterboden-Abgaskatalysators sofort nach einem Motorkaltstart, kann die Wasserkondensation und nachfolgende Verdampfung am Unterboden-Katalysator reduziert werden, wodurch die Energieaufnahme am Katalysator reduziert wird. Demzufolge werden Verzögerungen beim Anspringen des Katalysators durch Wasser-Kondensations-Verdampfungszyklen reduziert. Zusätzlich werden unerwünschte Abfälle der Katalysatortemperatur aus Abgaskondensat reduziert. Der technische Effekt des effektiven Nutzens von Abgaswärme, um Wasserverdampfung vom Unterbodenkatalysator zu beschleunigen und die Katalysatortemperatur zu erhöhen, besteht darin, dass das Anspringen des Katalysators beschleunigt wird, wodurch die Nutzung von Spätzündung für eine Katalysatorerwärmung reduziert und die Kraftstoffeffizienz erhöht wird. Der technische Effekt des Umgehens des Unterboden-Katalysators während Bedingungen (wie etwa unterhalb der Schwellen-Abgastemperaturen und DFSO-Ereignisse), bei denen die Katalysator-Betriebstemperatur sinken kann und/oder bei denen Sauerstoffsättigung des Katalysators auftreten kann, besteht darin, dass die Katalysatoreffizienz über einem Schwellenwert gehalten werden kann. Durch Verwenden eines Wärmetauschers im Umgehungsdurchlass, um Wärme vom Abgas zurückzugewinnen, kann Abgaswärme effektiv für ein beschleunigtes Beheizen des Motors und zum Bereitstellen von Wärme an die Fahrgastkabine verwendet werden, wodurch die Verluste von Motorleistung reduziert werden. Insgesamt können die Emissionsqualität und Kraftstoffeffizienz durch Regulieren des Stroms von Abgas durch den Abgaskatalysator und einen Umgehungsdurchlass, der einen Wärmetauscher aufnimmt, in einem Motorsystem verbessert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Motorsystems, einschließlich eines Abgaskatalysatorsystems.
2A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Abgaskatalysatorsystems aus 1, das in einem ersten Modus arbeitet.
2B zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Abgaskatalysatorsystems aus 1, das in einem zweiten Modus arbeitet.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren veranschaulicht, das umgesetzt werden kann, um Abgasstrom durch das Abgaskatalysatorsystem aus 1 einzustellen.
4 zeigt eine Tabelle, die verschiedene Betriebsmodi des Abgaskatalysatorsystems aus 1 veranschaulicht.
5 zeigt einen beispielhaften Betrieb des Abgaskatalysatorsystems aus 1.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zum Erhöhen der Effizienz eines Abgaskatalysatorsystems und zum Reduzieren von Motoremissionen. Ein beispielhaftes Motorsystem, umfassend ein Abgaskatalysatorsystem mit einem Umgehungsdurchlass, der einen Wärmetauscher aufnimmt, wird in 1 gezeigt. Auf die verschiedenen Betriebsmodi des Abgaskatalysatorsystems aus 1 wird unter Bezugnahme auf die 2A und 2B näher eingegangen. Eine Motorsteuerung kann dazu konfiguriert sein, eine Steuerroutine, wie etwa die Beispielroutinen aus 3, durchzuführen, um die Position eines Umschaltventils, das an den Hauptabgasdurchlass gekoppelt ist, um Abgasstrom durch das Abgaskatalysatorsystem im System aus 1 einzustellen, zu variieren. Die verschiedenen Betriebsmodi des Abgaskatalysatorsystems werden in 4 tabellarisch dargestellt. Ein beispielhafter Betrieb des Abgaskatalysatorsystems aus 1 wird unter Bezugnahme auf 5 gezeigt.
1 zeigt schematisch Aspekte eines beispielhaften Motorsystems 100, das einen Motor 10 beinhaltet. In der abgebildeten Ausführungsform ist der Motor 10 ein aufgeladener Motor, der mit einem Turbolader 13, einschließend einen Verdichter 114, verbunden ist, welcher von einer Turbine 116 angetrieben wird. Insbesondere wird Frischluft entlang des Ansaugdurchlass 42 über den Luftreiniger 112 in den Motor 10 eingespeist und strömt zu dem Verdichter 114. Der Verdichter kann ein beliebiger geeigneter Ansaugluftverdichter, wie etwa ein von einem Motor angetriebener oder von einer Antriebswelle angetriebener Superladeverdichter, sein. In dem Motorsystem 10 ist der Verdichter ein Turboladerverdichter, der mechanisch über eine Welle 19 an die Turbine 116 gekoppelt ist, wobei die Turbine 116 durch sich ausdehnende Motorabgase angetrieben wird.
Wie in 1 gezeigt, ist der Verdichter 114 durch den Ladeluftkühler (CAC) 21 mit dem Drosselventil 20 verbunden. Das Drosselventil 20 ist mit dem Ansaugkrümmer 22 des Motors verbunden. Aus dem Verdichter strömt die verdichtete Luftfüllung durch den Ladeluftkühler 21 und das Drosselventil zu dem Ansaugkrümmer. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird der Druck der Luftfüllung innerhalb des Ansaugkrümmers durch den Krümmerluftdruck-(MAP)-Sensor 124 erfasst. Der Massenluftstrom innerhalb des Ansaugkrümmers wird durch einen Krümmerluftstrom-(MAF)-Sensor 125 erfasst. Eine Zylinderluftmasse kann auf der Grundlage von Eingängen jedes des MAP-Sensors 124 und des MAF-Sensors 125 geschätzt werden.
Ein oder mehrere Sensoren können mit einem Einlass des Verdichters 114 gekoppelt sein. Zum Beispiel kann ein Temperatursensor 55 zum Schätzen einer Verdichtereinlasstemperatur an den Einlass gekoppelt sein und ein Drucksensor 56 kann zum Schätzen eines Verdichtereinlassdrucks an den Einlass gekoppelt sein. Als ein anderes Beispiel kann ein Feuchtigkeitssensor 57 zum Schätzen einer Feuchtigkeit einer in den Verdichter eintretenden Luftfüllung an den Einlass gekoppelt sein. Wiederum andere Sensoren können zum Beispiel Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren usw. einschließen. In anderen Beispielen können eine oder mehrere der Verdichtereinlassbedingungen (wie etwa Feuchtigkeit, Temperatur, Druck usw.) auf Grundlage von Motorbetriebsbedingungen abgeleitet werden. Zusätzlich können die Sensoren, wenn eine Abgasrückführung (AGR) ermöglicht wird, eine Temperatur, einen Druck, eine Feuchtigkeit und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luftfüllungsgemisches, einschließend Frischluft, zurückgeführte verdichtete Luft und Abgasrückstände, schätzen, die an dem Verdichtereinlass aufgenommen wurden.
Ein Wastegate-Aktor 92 kann zum Öffnen betätigt werden, um mindestens einen Teil des Abgasdrucks von stromaufwärts von der Turbine über das Wastegate 90 zu einer Stelle stromabwärts von der Turbine abzulassen. Indem der Abgasdruck stromaufwärts von der Turbine verringert wird, kann die Turbinendrehzahl verringert werden, was wiederum dazu beiträgt, dass das Verdichterpumpen reduziert wird.
Der Ansaugkrümmer 22 ist durch eine Reihe von Ansaugventilen (nicht dargestellt) an eine Reihe von Brennkammern 30 gekoppelt. Die Brennkammern sind ferner über eine Reihe von Abgasventilen (nicht abgebildet) mit dem Abgaskrümmer 36 verbunden. In der abgebildeten Ausführungsform ist ein einzelner Abgaskrümmer 36 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann der Abgaskrümmer jedoch eine Vielzahl von Abgaskrümmerabschnitten aufweisen. Auslegungen, die eine Vielzahl von Abgaskrümmerabschnitten aufweisen, können ermöglichen, dass Abwasser aus unterschiedlichen Brennkammern zu unterschiedlichen Stellen in dem Motorsystem gelenkt wird.
In einer Ausführungsform kann jedes der Abgas- und Ansaugventile elektronisch betätigt oder geregelt werden. In einer anderen Ausführungsform kann jedes der Abgas- und Ansaugventile über Nocken betätigt oder geregelt werden. Ob elektronisch betätigt oder über Nocken betätigt, kann der zeitliche Verlauf des Öffnens und Schließens von Abgas- und Ansaugventil wie für die gewünschte Leistung hinsichtlich Verbrennung und Emissionsregelung erforderlich eingestellt werden.
Den Brennkammern 30 können über ein Einspritzventil 66 ein oder mehrere Kraftstoffe, wie etwa Benzin, Alkohol-Kraftstoff-Mischungen, Diesel, Biodiesel, verdichtetes Erdgas usw., zugeführt werden. Der Kraftstoff kann den Brennkammern über Direkteinspritzung, Saugrohreinspritzung, Drosselventilkörpereinspritzung oder eine Kombination davon zugeführt werden. In den Brennkammern kann die Verbrennung über Fremdzündung und/oder Kompressionszündung eingeleitet werden.
Wie in 1 gezeigt, wird Abgas aus einem oder mehreren Abgaskrümmerabschnitten zu der Turbine 116 geleitet, um die Turbine anzutreiben. Der kombinierte Strom aus der Turbine und dem Wastegate kann dann durch einen vorderen Katalysator 170, der in dem Hauptabgaskanal 102 aufgenommen ist, strömen. Im Allgemeinen kann der vordere Katalysator 170 einen oder mehrere Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung einschließen, die dazu konfiguriert sind, den Abgasstrom katalytisch zu behandeln und dadurch eine Menge von einer oder mehreren Substanzen in dem Abgasstrom zu verringern.
Das gesamte Abgas oder ein Teil des Abgases, das aus dem vorderen Katalysator 170 austritt, kann dann über einen Unterboden-Katalysator 176, der an den Hauptabgasdurchlass stromabwärts des vorderen Katalysators 170 gekoppelt ist, strömen. Der Unterboden-Katalysator 176 kann dazu konfiguriert sein, NO_x aus dem Abgasstrom zu speichern, wenn der Abgasstrom mager ist, und die gespeicherten NO_x zu reduzieren, wenn der Abgasstrom fett ist. In weiteren Beispielen kann der Unterboden-Katalysator 176 dazu konfiguriert sein, NO_x zu disproportionieren oder NO_x mit Hilfe eines Reduktionsmittels selektiv zu reduzieren. In noch weiteren Beispielen kann der Unterboden-Katalysator 176 dazu konfiguriert sein, Kohlenwasserstoff- und/oder Kohlenstoffmonoxidrückstände im Abgasstrom zu oxidieren. Unterschiedliche Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung mit solcher Funktionalität können in Washcoats oder andernorts im Unterboden-Katalysator 176 angeordnet sein.
Die Effizienz des Unterboden-Katalysators 176 kann durch die Abgastemperatur beeinflusst werden und kann außerhalb eines spezifischen Temperaturbereichs suboptimal sein. Zum Beispiel kann der Unterboden-Katalysator 176 während einer Kaltstartbedingung, bei der Abgas, das durch den Katalysator strömt, nicht heiß genug ist, nicht schnell genug aktiviert werden. Demzufolge kann der Katalysator nicht optimal arbeiten, bis die Temperatur des Katalysators auf die Anspringtemperatur erhöht wurde. Da Abgas durch den Unterboden-Katalysator 176 während Kaltstartbedingungen strömt, kann Wasser von Abgaskomponenten stromaufwärts des Unterboden-Katalysators 176 auf dem Katalysator kondensieren und Energie vom Katalysator zur Verdampfung extrahieren, wobei ferner die Funktionalität des Katalysators beeinflusst wird und die Erreichung der Anspringtemperatur ferner verzögert wird. Somit kann der Wassergehalt im Abgas durch verschiedene Motorbetriebsbedingungen beeinflusst werden, wie etwa die Abgastemperatur, das AGR-Niveau, Umgebungsbedingungen usw. Zum Beispiel kann aufgrund eines oder mehrere eines niedrigeren einer Schwellen-Abgastemperatur, einer höheren als eine Schwellen-Umgebungsfeuchtigkeit, einer Steintemperatur des Unterboden-Katalysators relativ zur Abgastemperatur und eines AGR-Stroms und einer -Zusammensetzung ein erhöhtes Risiko einer Wasserkondensation am Unterboden-Katalysator entstehen, die die Katalysatoreffizienz beeinträchtigen kann. Eine höhere als eine obere Schwellen-Abgastemperatur kann außerdem die Funktionalität des Katalysators reduzieren. Ferner kann die Funktionalität des Katalysators von einer höheren als die Schwellen-Sauerstoffzufuhr des Katalysators beeinträchtigt werden, wie etwa während eines Kraftstoffabschaltungs-(DFSO)-ereignisses, wenn der Motor ohne Kraftstoff betrieben wird, während die Ventile weiterhin Luft durch den Katalysator pumpen. Wie hierin ausgeführt, kann der Abgasstrom durch den Unterboden-Katalysator während Motorbetriebsbedingungen, wenn die Funktionalität des Unterboden-Katalysators 176 aufgrund eines oder mehrerer einer Gefahr von Wasserkondensation am Unterboden-Katalysator, Abgastemperatur und/oder Sauerstoffgehalt beeinträchtigt sein kann, umgangen werden.
Insbesondere kann das Abgaskatalysatorsystem 160 einen Umgehungsdurchlass 173 umfassen, der an den Abgasdurchlass 102 gekoppelt ist. Der Umgehungsdurchlass 173 kann sich von stromabwärts des Unterboden-Katalysators 176 zu stromaufwärts eines Schalldämpfers 172 erstrecken. Nach dem Strömen durch den vorderen Katalysator 170 kann Abgas entweder durch den Unterboden-Katalysator 176 strömen oder durch den Umgehungsdurchlass 173 strömen, wobei der Unterboden-Katalysator 176 umgangen wird. Das Leiten von Abgas durch den Hauptabgasdurchlass 102 oder den Umgehungsdurchlass 173 kann über Einstellungen auf eine Position eines Umschaltventils 182, das an den Hauptabgasdurchlass 102 an einer Verbindung des Hauptabgasdurchlasses 102 und des Umgehungsdurchlasses 173 stromabwärts vom Unterboden-Katalysator 176 gekoppelt ist, reguliert werden. Zum Beispiel kann das Abgaskatalysatorsystem 160 in einem ersten Modus betrieben werden, wobei das Umschaltventil 182 zu einer ersten Position geschaltet wird, um Abgas über den Unterboden-Katalysator 176 zu strömen. Als ein anderes Beispiel kann das Abgaskatalysatorsystem 160 in einem zweiten Modus betrieben werden, wobei das Umschaltventil 182 zu einer zweiten Position geschaltet wird, um Abgas über den Umgehungsdurchlass 173 zu strömen, wobei der Unterboden-Katalysator 176 umgangen wird. In einem Beispiel kann das Abgaskatalysatorsystem 160 im ersten Modus während Bedingungen betrieben werden, einschließlich einer geringeren als eine Schwellengefahr von Wasserkondensation im Unterboden-Katalysator, einer höheren als eine Schwellen-Zylinderluftmasse, einer geringeren als eine obere Schwellen-Abgastemperatur und einer höheren als eine Schwellen-Abgastemperatur. In einem anderen Beispiel kann das Abgaskatalysatorsystem 160 im zweiten Modus während Bedingungen betrieben werden, einschließlich einer Kraftstoffabschaltungsbedingung. Kraftstoffzuführende Bedingungen des Motors, bei denen der zweite Betriebsmodus verwendet werden kann, können Bedingungen beinhalten, bei denen eine höhere als eine Schwellengefahr von Wasserkondensation im Unterboden-Katalysator, eine höhere als eine obere Schwellen-Abgastemperatur (zum Beispiel während eines Warmstarts, bei dem das Abgas zu heiß ist) und eine geringere als eine untere Schwellen-Abgastemperatur (zum Beispiel während eines Kaltstarts, bei dem das Abgas zu kalt ist) vorliegen.
Ein oder mehrere Temperatursensoren und Lambdasonden können an das Abgaskatalysatorsystem 160 gekoppelt werden, um Temperatur und Sauerstoffgehalt des Abgases, das in den Unterboden-Katalysator 176 eintritt und daraus austritt, zu bestimmen. In einem Beispiel können ein erster Temperatursensor 177 und eine erste Lambdasonde 175 an den Hauptabgasdurchlass 102 stromabwärts des Unterboden-Katalysators 174 gekoppelt sein, und eine zweite Lambdasonde 179 kann stromabwärts des Unterboden-Katalysators 176 gekoppelt sein. Ein zweiter Temperatursensor 178 kann an den Unterboden-Katalysator 176 gekoppelt sein, um die Temperatur des Katalysatorsteins zu schätzen. Jede der ersten und der zweiten Lambdasonde 175 und 179 kann eine lineare Lambdasonde oder eine UEGO-(Breitband-Abgassauerstoff)-Sonde, eine Lambdasonde mit zwei Zuständen oder eine EGO- oder eine HEGO-(erwärmte EGO)-Sonde sein. Von stromabwärts des Unterboden-Katalysators 176 und vom Umgehungsdurchlass 173 kann Abgas in Richtung eines Schalldämpfers 172 strömen und über das Endrohr 35 aus dem Abgassystem austreten.
Ein Wärmetauscher 174 kann an den Umgehungsdurchlass 173 gekoppelt sein, um das Abgas, das durch den Umgehungsdurchlass 173 strömt, zu kühlen. Wenn das Abgas durch den Wärmetauscher 174 strömt, kann Wärme vom heißen Abgas zu einem Kühlmittel, das durch den Wärmetauscher 174 zirkuliert, übertragen werden. In einem Beispiel kann der Wärmetauscher 174 ein Wasser-Gas-Tauscher sein. Bei der Übertragung von Wärme vom Abgas zum Kühlmittel kann das aufgewärmte Kühlmittel zurück zum Motor (wie etwa, wenn eine Beheizung des Motors erforderlich ist) und/oder durch einen Heizkern zirkuliert werden, um eine Fahrgastkabine des Fahrzeugs zu beheizen (wie etwa, wenn eine Kabinenbeheizung angefordert wird). Alternativ, wenn es keine Beheizungsbedarfe gibt, kann das aufgewärmte Kühlmittel durch einen Radiator strömen, um Wärme in die Atmosphäre abzuleiten. Eine detaillierte Beschreibung des Betriebs und der Struktur des Abgaskatalysatorsystems 160 wird unter Bezugnahme auf die 2A–2B, 3, 4 und 5 erörtert.
In einigen Ausführungsformen kann ein regenerierbarer Rußfilter in den Hauptabgasdurchlass 102 stromabwärts des Unterboden-Katalysators 176 aufgenommen werden, um Rußpartikel im Abgasstrom zu erfassen und zu oxidieren.
Ein Abgasrückführungs-(AGR)-Abgabedurchlass 180 kann an den Hauptabgasdurchlass 102 stromaufwärts des vorderen Katalysators 170 gekoppelt werden, um externes Niederdruck-(NP)-AGR durch Erfassen von Abgas von stromabwärts der Turbine 116 zu liefern. Der Abgabedurchlass kann einen AGR-Kühler aufnehmen, um das Abgas vor der Abgabe an den Ansaugkrümmer stromaufwärts des Verdichters 114 zu kühlen. Das AGR-Ventil 52 kann geöffnet werden, um für eine gewünschte Verbrennungs- und Emissionsregulationsleistung eine kontrollierte Menge an Abgas zum Verdichtereinlass aufzunehmen. Das AGR-Ventil 52 kann als ein stufenlos verstellbares Ventil ausgelegt sein. In einem alternativen Beispiel kann das AGR-Ventil 52 jedoch als ein Auf-/Zu-Ventil ausgelegt sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Motorsystem einen Hochdruck-AGR-Strömungsweg einschließen, wobei Abgas von stromaufwärts von der Turbine 116 angesaugt und zu dem Motoransaugkrümmer, stromabwärts von dem Verdichter 114, zurückgeführt wird.
Ein oder mehrere Sensoren können mit dem AGR-Durchlass 180 gekoppelt sein, um Details, hinsichtlich der Zusammensetzung und des Zustands der AGR bereitzustellen. Zum Beispiel kann ein Temperatursensor bereitgestellt werden, um eine Temperatur der AGR zu ermitteln, ein Drucksensor kann bereitgestellt werden, um einen Druck der AGR zu ermitteln, ein Feuchtigkeitssensor kann bereitgestellt werden, um eine Feuchtigkeit oder einen Wassergehalt der AGR zu ermitteln und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor kann bereitgestellt werden, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis der AGR zu schätzen. Alternativ können AGR-Zustände durch den einen oder die mehreren Temperatur-, Druck-, Feuchtigkeits- und Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 55–57 abgeleitet werden, die mit dem Verdichtereinlass gekoppelt sind. In einem Beispiel ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 57 eine Lambdasonde.
Das Motorsystem 100 kann ferner das Steuersystem 14 einschließen. Es ist dargestellt, dass das Regelsystem 14 Informationen von einer Vielzahl von Sensoren 16 (für die verschiedenen Beispiele in dieser Offenbarung beschrieben sind) empfängt und Regelsignale an eine Vielzahl von Betätigungselementen 18 (für die verschiedenen Beispiele in dieser Offenbarung beschrieben sind) sendet. Als ein Beispiel können die Sensoren 16 einen ersten Abgastemperatursensor 177, der stromaufwärts des Unterboden-Katalysators 176 positioniert ist, einen zweiten Abgastemperatursensor 178, der auf dem Unterboden-Katalysator 176 positioniert ist, eine erste Abgas-Lambdasonde 175, die stromaufwärts des Unterboden-Katalysators 176 positioniert ist, eine zweite Abgas-Lambdasonde 179, die stromabwärts des Unterboden-Katalysators 176 positioniert ist, Abgasdrucksensor 128, MAP-Sensor 124, MAF-Sensor 125, Verdichtereinlasstemperatursensor 55, Verdichtereinlassdrucksensor 56, Verdichtereinlassfeuchtigkeitssensor 57 und AGR-Sensor beinhalten. Andere Sensoren wie etwa zusätzliche Sensoren für Druck, Temperatur, Luft-Kraftstoff-Verhältnis und Zusammensetzung können an verschiedenen Positionen in dem Motorsystem 100 angekoppelt sein. Die Aktoren 81 können zum Beispiel ein Umschaltventil 182, eine Drossel 20, ein AGR-Ventil 52, ein Wastegate 92 und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 66 umfassen. Das Steuersystem 14 kann eine Steuerung 12 beinhalten.
Die Steuerung 12 kann Eingangsdaten von den verschiedenen Sensoren empfangen, die Eingangsdaten verarbeiten und verschiedene Betätigungselemente als Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten auf Grundlage einer darin programmierten Anweisung oder eines darin programmierten Codes gemäß einem oder mehreren Abläufen auslösen. Zum Beispiel kann die Steuerung 12 eine Gefahr der Kondensatbildung am Unterboden-Katalysator 176 auf der Grundlage von Eingängen von einem oder mehreren von Unterboden-Katalysator-Temperatursensor 178, Abgastemperatursensor 177, Einlasstemperatur-, Druck-, Feuchtigkeits- und Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 55–57, AGR-Sensoren vorhersagen, und als Reaktion auf eine höhere als eine Schwellengefahr von Wasserkondensation am Unterboden-Katalysator kann die Steuerung 12 die Position des Umschaltventils 182 einstellen, um Abgas über den Umgehungsdurchlass 173 zu leiten, wodurch der Unterboden-Katalysator 176 umgangen wird. Als ein weiteres Beispiel kann die Steuerung 12 einen Abgassauerstoffgehalt auf der Grundlage von Eingängen von einer oder mehreren Abgas-Lambdasonden 175 und 179 und auf der Grundlage eines höheren als ein Schwellen-Abgassauerstoffgehalts schätzen, wobei die Steuerung 12 die Position des Umschaltventils 182 einstellen kann, um Abgas über den Umgehungsdurchlass 173 zu leiten, wobei der Unterboden-Katalysator 176 umgangen wird.
2A führt ferner das in 1 eingeführt Unterboden-Katalysatorsystem aus und zeigt eine beispielhafte Ausführungsform 200 zum Betreiben des Unterboden-Katalysatorsystems aus 1 in einem ersten Betriebsmodus, wobei der Abgasstrom durch den Unterboden-Katalysator geleitet wird. In einem Beispiel ist die Baugruppe 200 eine Ausführungsform des Abgaskatalysatorsystems 160 aus 1 und kann daher gleiche Merkmale und/oder Auslegungen wie die, die bereits für das Abgaskatalysatorsystem 160 beschrieben wurden, teilen.
Abgas, das aus dem Motor strömt, strömt durch den vorderen Katalysator 170 und erreicht das Unterboden-Katalysatorsystem 200. Ein größerer Teil der Verbrennungsnebenprodukte kann absorbiert und am vorderen Katalysator verarbeitet werden. Der vordere Katalysator kann eine höhere Belastung von Edelmetallen im Vergleich zum Unterboden-Katalysator umfassen, um die optimale Behandlung der Nebenprodukte zu erleichtern. Der Unterboden-Katalysator kann im Vergleich zum vorderen Katalysator während Bedingungen, bei denen die Zylinderluftmasse höher ist und die Katalysatorbelastung von Abgas, das durch jeden des vorderen Katalysators und des Unterboden-Katalysators strömt, höher ist, eine höhere Effizienz aufweisen. Wenn AGR erforderlich ist, kann ein Teil des Abgases von stromabwärts des vorderen Katalysators zur Rezirkulation zum Motoransaugkrümmer angesaugt werden. Ein Abgasrückführungs-(AGR)-Abgabedurchlass 228 kann an den Hauptabgasdurchlass 202 stromabwärts des vorderen Katalysators 170 gekoppelt werden, um Niederdruck-(NP)-AGR bereitzustellen. Das AGR-Ventil 52 kann geöffnet werden, um für eine gewünschte Verbrennungs- und Emissionsregulationsleistung eine kontrollierte Menge an Abgas zum Ansaugkrümmer aufzunehmen. Das AGR-Ventil 52 kann als ein stufenlos verstellbares Ventil oder als ein An-/Aus-Ventil ausgelegt sein.
Der Unterboden-Katalysator 176 kann an den Hauptabgasdurchlass 202 stromaufwärts des vorderen Katalysators 170 gekoppelt sein. In einem Beispiel kann der Unterboden-Katalysator 176 dazu konfiguriert sein, NO_x aus dem Abgasstrom zu speichern, wenn der Abgasstrom mager ist, und die gespeicherten NO_x zu reduzieren, wenn der Abgasstrom fett ist. Der Unterboden-Katalysator 176 kann außerdem dazu konfiguriert sein, NO_x zu disproportionieren oder NO_x mit Hilfe eines Reduktionsmittels selektiv zu reduzieren. In einem weiteren Beispiel kann der Unterboden-Katalysator 176 dazu konfiguriert sein, Kohlenwasserstoff- und/oder Kohlenstoffmonoxidrückstände im Abgasstrom zu oxidieren. Eine Vielzahl von Sensoren können an das Abgaskatalysatorsystem 200 gekoppelt werden, um Temperatur und Sauerstoffgehalt des Abgases, das in den Unterboden-Katalysator 176 eintritt und daraus austritt, und Katalysatorsteintemperatur zu bestimmen. In einem Beispiel können ein erster Temperatursensor 177 und eine erste Lambdasonde 175 an den Hauptabgasdurchlass 202 stromabwärts des Unterboden-Katalysators 176 gekoppelt sein, und eine zweite Lambdasonde 179 kann an den Hauptabgasdurchlass 202 stromabwärts des Unterboden-Katalysators 176 gekoppelt sein. Ein zweiter Temperatursensor 178 kann an den Unterboden-Katalysator 176 gekoppelt sein, um die Katalysatorsteintemperatur zu schätzen. Der Wassergehalt des Abgases und eine Gefahr der Kondensatbildung am Unterboden-Katalysator 176 können auf der Grundlage der Katalysatorsteintemperatur, wie von dem zweiten Temperatursensor 178 geschätzt, und ferner auf der Grundlage von Faktoren, einschließlich Umgebungsfeuchtigkeit, AGR-Niveau, Abgastemperatur usw. geschätzt werden.
Ein Einlassrohr 210 einer Unterboden-Katalysatorumgehungsbaugruppe 205 kann an den Abgasdurchlass 202 bei Verbindung 206 stromabwärts des vorderen Katalysators 170 und stromaufwärts des Unterboden-Katalysators 176 gekoppelt sein. Das Einlassrohr kann zu einem Umgehungsdurchlass 212 führen, das einen Wärmetauscher 174 aufnimmt. Der Wärmetauscher kann an ein Kühlmittelsystem des Motors gekoppelt sein. Ein Kühlmittel kann durch den Wärmetauscher 174 zum Zurückgewinnen von Wärme aus dem Abgas zirkuliert werden. Stromaufwärts des Wärmetauschers 174 kann der Umgehungsdurchlass 212 in einem Einlassrohr 216 enden, dass zurück zum Abgasdurchlass 202 führt. Die Einlass- 210 und Auslassrohre 216 können rechtwinklig zum Durchlass 212 und den Hauptabgasdurchlass 202 sein. Das Auslassrohr 216 kann den Abgasdurchlass 202 an einer Verbindung 218, die sich stromabwärts der Verbindung 206 befindet, mit dem Unterboden-Katalysator 176 verbinden. Ein Umschaltventil kann an den Hauptabgasdurchlass 302 an der Verbindung 218 gekoppelt sein, um den Strom von Abgas über einen des Hauptabgasdurchlasses 202 und des Umgehungsdurchlasses 212 zu regulieren. In einem Beispiel kann das Umschaltventil auf eine erste Position eingestellt werden, um Abgas durch den Hauptabgasdurchlass 202 und den Unterboden-Katalysator zu leiten. In einem anderen Beispiel kann das Umschaltventil auf eine zweite Position eingestellt werden, um Abgas durch den Umgehungsdurchlass 212 und den Wärmetauscher 174 zu leiten. Weiter stromabwärts der Verbindung 218 kann ein Schalldämpfer 272 an den Hauptabgasdurchlass 202 gekoppelt sein. Nach dem Durchgang durch den Schalldämpfer 272 kann das Abgas durch ein Endrohr 235 an die Atmosphäre abgegeben werden.
Somit stellt der erste Betriebsmodus eine erste Einstellung des Umschaltventils 182, das eine Abgasstromsteuerung ermöglicht, dar. Im ersten Betriebsmodus kann das Abgas aufgrund der ersten Position des Umschaltventils 182 zum Schalldämpfer strömen, ohne in die Unterboden-Katalysatorumgehungsbaugruppe 205 einzutreten. Aus diesem Grund kann das gesamte Abgas, das aus dem vorderen Katalysator 170 austritt, durch den Unterboden-Katalysator 176 strömen. Nach dem Durchlaufen des Unterboden-Katalysators 176 kann das Abgas durch den Schalldämpfer 272 strömen und über das Endrohr 235 in die Atmosphäre austreten. Somit kann Abgaswärme während des Betriebs im ersten Betriebsmodus nicht am Wärmetauscher 174 zurückgewonnen werden, da Abgas nicht durch den Wärmetauscher 174, der im Umgehungsdurchlass 212 aufgenommen ist, strömen kann.
Der erste Betriebsmodus kann während Bedingungen ausgewählt werden, wenn ein Abgasstrom über den Unterboden-Katalysator 176 erwünscht ist. In einem Beispiel kann der erste Modus während Kaltstartbedingungen ausgewählt werden, nachdem die Gefahr der Wasserkondensation am Unterboden-Katalysator 176 unter einen Schwellenwert reduziert wurde. Während Bedingungen, bei denen die Gefahr einer Kondensation höher als der Schwellenwert ist, kann Wasser auf dem Unterboden-Katalysator 176 kondensieren und Energie aus dem Katalysator zur Verdampfung extrahieren, was die Funktionalität des Katalysators beeinträchtigen kann, indem die Katalysatortemperatur reduziert wird. Der Wassergehalt des Abgases kann auf der Grundlage jedes einer Umgebungstemperatur, eines Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, einer Abgastemperatur und eines AGR-Niveaus des Motors geschätzt werden. Der Wassergehalt des Abgases kann steigen, wenn die Feuchtigkeit steigt und das AGR-Niveau / der -Strom steigt. Die Gefahr von Kondensation am Unterboden-Katalysator kann auf der Grundlage jedes des geschätzten Wassergehalts des Abgases und einer Steintemperatur des Unterboden-Katalysators vorhergesagt werden, und die Gefahr kann zunehmen, wenn der geschätzte Wassergehalt zunimmt oder die Steintemperatur abnimmt. Die vorhergesagte Gefahr von Kondensation kann ferner auf einem Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis relativ zur Stöchiometrie basieren, wobei die vorhergesagte Gefahr zunimmt, wenn eine Dauer des Motorbetriebs magerer als die Stöchiometrie zunimmt. Während Kaltstartbedingungen, sobald die Gefahr von Kondensation geringer ist als der Schwellenwert, kann die Temperatur des Katalysators durch Strömen von warmem Gas durch den Unterboden-Katalysator 176 erhöht werden, wodurch die Erreichung der Anspringtemperatur beschleunigt wird.
In einem anderen Beispiel kann der erste Betriebsmodus ausgewählt werden, wenn die Zylinderluftmasse höher ist als ein Schwellenwert. Bei einer höheren als einer Schwellen-Zylinderluftmasse kann Abgas durch den Unterboden-Katalysator 176 geleitet werden, um die Emissionsqualität zu verbessern und außerdem den Gegendruck, der von dem Abgassystem ausgeübt wird, zu reduzieren. Die Zylinderluftmasse kann auf der Grundlage des Eingangs von einem eines Krümmerluftstrom-(MAF)- und des Krümmerluftdruck-(MAP)-Sensors abgeleitet werden.
In noch einem weiteren Beispiel kann der erste Modus während Bedingungen ausgewählt werden, bei denen eine der Abgastemperatur höher ist als ein unterer Schwellenwert und der Abgastemperatur geringer ist als ein oberer Schwellenwert. Aufgrund einer Beschichtung auf der Unterboden-Katalysatorfläche kann der Unterboden-Katalysator höhere Wirkungsgrade in einem definierten Abgastemperaturbereich aufweisen, wodurch die Funktionalität des Katalysators außerdem des Abgastemperaturbereichs (über oder unter dem Bereich) herabgesetzt werden kann.
2B zeigt eine schematische Ansicht 250 einer beispielhaften Ausführungsform des Unterboden-Katalysatorsystems 200 in einem zweiten Betriebsmodus, in dem Abgasstrom den Unterboden-Katalysator umgeht. Komponenten, die vorher in 2A eingeführt wurden, sind ähnlich nummeriert und werden nicht erneut eingeführt.
Somit stellt der zweite Betriebsmodus eine zweite Einstellung des Umschaltventils 182, das eine Abgasstromsteuerung ermöglicht, dar. Im zweiten Betriebsmodus kann Abgas aufgrund der zweiten Position des Umschaltventils 182 in die Unterboden-Katalysatorumgehungsbaugruppe 205 durch das Einlassrohr 210 strömen (wie von den Pfeilen gezeigt), wobei der Unterboden-Katalysator 176 umgangen wird. Im zweiten Betriebsmodus strömt Abgas durch den Wärmetauscher 174 von einem ersten Ende des Wärmetauschers proximal zum Einlassrohr 210 zum zweiten Ende des Wärmetauschers 174 proximal zum Auslassrohr 216. Am Wärmetauscher 174 kann Wärme vom Abgas zu einem Kühlmittel, das durch den Wärmetauscher 174 zirkuliert, übertragen werden. Das aufgewärmte Kühlmittel kann dann zurück durch den Motor zirkuliert werden (z. B. durch den Zylinderkopf, um ein Beheizen des Motors während Kaltstartbedingungen bereitzustellen) und/oder durch einen Heizkern des Fahrzeugs zirkuliert werden und danach kann die zurückgewonnene Wärme für Funktionen, wie etwa das Beheizen der Passagierkabine, verwendet werden, wodurch die Motoreffizienz verbessert wird. Unter Umständen, wenn die Wärme, die an dem Wärmetauscher 174 zurückgewonnen wurde, nicht zum Beheizen von Fahrzeugkomponenten erforderlich ist, kann die Wärme zur Ableitung an die Atmosphäre auf einen Radiator übertragen werden. Nach dem Durchlaufen des Wärmetauschers 174 strömt das gekühlte Abgas durch das Auslassrohr 216 und verlässt die Unterboden-Katalysatorumgehungsbaugruppe 205. Das Abgas tritt erneut in den Hauptabgasdurchlass 202 bei der Verbindung 218 ein und strömt stromabwärts in Richtung des Schalldämpfers 272. Nach dem Durchgang durch den Schalldämpfer 272 tritt das Abgas durch ein Endrohr 235 zur Atmosphäre aus.
Der zweite Betriebsmodus kann während Bedingungen ausgewählt werden, wenn ein Abgasstrom über den Unterboden-Katalysator 176 nicht erwünscht ist. In einem Beispiel kann der zweite Modus während Bedingungen mit einer höheren als einer Schwellengefahr von Kondensatbildung im Unterboden-Katalysator 176 ausgewählt werden. Während Kaltstartbedingungen kann die Gefahr von Wasserkondensation auf dem Unterboden-Katalysator aufgrund der geringeren Temperatur des Abgases und des Unterboden-Katalysators 176 höher sein. Aus diesem Grund kann Abgas während Kaltstartbedingungen geleitet werden, um den Unterboden-Katalysator 176 für eine Dauer zu leiten, bis die Gefahr von Kondensatbildung unter den Schwellenwert sinkt. In einem weiteren Beispiel kann der zweite Modus während Bedingungen ausgewählt werden, bei denen die Abgastemperatur geringer als der untere Schwellenwert und oder höher als der obere Schwellenwert ist.
In noch einem weiteren Beispiel kann der zweite Modus während nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors ausgewählt werden, wie etwa während einer Kraftstoffabschaltungs-(DFSO)-Bedingung. Während solcher Bedingungen kann der Sauerstoffgehalt im Abgas auf über einen Schwellenwert steigen, was zu einer Sauerstoffsättigung am Unterboden-Katalysator 176 führen kann. Die Sauerstoffsättigung kann zur Reduzierung der Fähigkeit des Katalysators, NOx, das auf dem Katalysator absorbiert wird, umzuwandeln, führen, wodurch die Emissionsqualität beeinflusst wird.
Ein Übergang vom Betrieb im ersten Modus zum Betrieb im zweiten Modus kann als Reaktion auf eine höhere als eine Schwellengefahr von Kondensation am Unterboden-Katalysator 176, ein Kraftstoffabschaltungs-(DFSO)-Ereignis, eine geringere als eine untere Schwellen-Abgastemperatur und eine höhere als eine obere Schwellen-Abgastemperatur durchgeführt werden. Ein Übergang vom Betrieb im zweiten Modus zum Betrieb im ersten Modus kann als Reaktion auf eine geringere als eine Schwellengefahr von Kondensation am Unterboden-Katalysator 176, eine höhere als eine untere Schwellen-Abgastemperatur und eine geringere als eine obere Schwellen-Abgastemperatur und eine höhere als eine Schwellen-Zylinderluftmasse durchgeführt werden. Ferner kann das Umschaltventil als Reaktion darauf, dass die Katalysatortemperatur unter eine Schwellentemperatur fällt, während die Gefahr von Kondensation am Unterboden-Katalysator geringer ist, früher zur ersten Position umgestellt werden, und als Reaktion darauf, dass die Katalysatortemperatur unter eine Schwellentemperatur fällt, während eine Gefahr von Kondensation auf dem Unterboden-Katalysator höher ist, kann das Umschaltventil zur ersten Position umgestellt werden.
In einem Beispiel kann ein Übergang vom zweiten Betriebsmodus zum ersten Betriebsmodus während eines DFSO-Ereignisses ausgeführt werden, wenn die Temperatur des Unterboden-Katalysators auf unterhalb eines Schwellenwerts sinkt. Durch das Strömen von Abgas durch den Unterboden-Katalysator während eines DFSO-Ereignisses kann die Sauerstoffkonzentration im Unterboden-Katalysator erhöht werden, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch während der Katalysatorregenerierung führen kann. Wenn allerdings die Temperatur des Unterboden-Katalysators auf unterhalb des Schwellenwerts sinkt, kann es sein, dass der Zündzeitpunkt verzögert werden muss (was außerdem zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt), um die Abgastemperatur und die Temperatur des Unterboden-Katalysators zu erhöhen. Aus diesem Grund kann die Steuerung den möglichen Anstieg des Kraftstoffverbrauchs aufgrund von Sauerstoffsättigung und die Reduzierung der Temperatur des Unterboden-Katalysators berücksichtigen und kann bestimmen, ob Abgas durch den Unterboden-Katalysator geleitet werden soll oder ob der Unterboden-Katalysator umgangen werden soll, je nach dem, welcher Anstieg geringer ist. Wenn beispielsweise der Kraftstoffanstieg in Verbindung mit dem Verzögern der Zündung, um die Katalysatortemperatur anzuheben, geringer ist, kann der Unterboden-Katalysator nicht umgangen werden. Ansonsten, wenn der Kraftstoffanstieg in Verbindung mit der Katalysatorregenerierung geringer ist, kann der Unterboden-Katalysator umgangen werden. Bei Kaltstartbedingungen kann das Umschaltventil für einen Zeitraum auf der Grundlage des Wassergehalts des Abgases an der zweiten Position gehalten werden (System in zweitem Modus betrieben); und nachdem der Zeitraum verstrichen ist, kann das Umschaltventil auf die erste Position betätigt werden (Übergang zu Systembetrieb im ersten Modus), um Abgas über den vorderen Katalysator und dann zum Unterboden-Katalysator im Hauptabgasdurchlass zu strömen. Der Zeitraum kann erhöht werden, wenn der Wassergehalt des Abgases zunimmt.
Auf diese Weise stellen die Systeme aus den 1 und 2A–2B ein Motorsystem bereit, umfassend: einen Motoransaugkrümmer, beinhaltend jeden eines Massenluftstrom-(MAF)- und eines Krümmerdruck-(MAP)-Sensors, einen Motorabgaskrümmer, beinhaltend einen Hauptabgasdurchlass, das einen vorderen Katalysator stromaufwärts eines Unterboden-Katalysators aufnimmt, und einen Umgehungsdurchlass, der an den Hauptabgasdurchlass von stromabwärts des vorderen Katalysators zu stromabwärts des Unterboden-Katalysators gekoppelt ist, wobei der Umgehungsdurchlass einen Wärmetauscher beinhaltet; ein Kühlmittelsystem, das den Wärmetauscher fluidisch mit einem Heizkern koppelt; ein Umschaltventil, das stromabwärts des Unterboden-Katalysators an einer Verbindung des Hauptabgasdurchlasses und des Umgehungsdurchlasses, gekoppelt ist, und einen Abgastemperatursensor; eine Abgas-Lambdasonde; und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die auf einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind zum: als Reaktion auf einen Motorbetrieb unterhalb des Schwellen-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, Betätigen des Umschaltventils von einer ersten Position, die Abgasstrom durch den Unterboden-Katalysator ermöglicht, zu einer zweiten Position, die Abgasstrom durch den Umgehungsdurchlass und den Wärmetauscher ermöglicht, während der Unterboden-Katalysator umgangen wird; Schätzen einer Katalysatortemperatur auf der Grundlage einer Dauer des Betriebs beim Schwellen-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, als Reaktion darauf, dass die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur unterschreitet, während ein Wassergehalt des Abgases höher ist, Übergang des Umschaltventils zur ersten früheren Position, und als Reaktion darauf, dass die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur unterschreitet, während ein Wassergehalt des Abgases geringer ist, Übergang des Umschaltventils zur ersten späteren Position.
3 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren 300 zum Betreiben eines Unterboden-Katalysatorsystems (wie etwa ein Abgas-Katalysatorsystem 160 in den 1 und 2A–2B), um Motoremissionen zu reduzieren. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 300 und der übrigen hier enthaltenen Verfahren können durch eine Steuerung auf der Grundlage von auf einem Speicher der Steuerung gespeicherten Anweisungen und in Verbindung mit von Sensoren des Motorsystems empfangenen Signalen ausgeführt werden, wie etwa den vorstehend unter Bezugnahme auf 1 und 2A–2B beschriebenen Sensoren. Die Steuerung kann gemäß den nachstehend beschriebenen Verfahren Motoraktoren des Motorsystems einsetzen, um den Motorbetrieb einzustellen.
Bei 302 können Motorbedingungen von der Steuerung auf der Grundlage der Eingänge von einer Vielzahl von Sensoren geschätzt werden. Die geschätzten Motorbetriebsbedingungen können Motortemperatur, Motorlast, Motordrehzahl, Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Abgastemperatur, Zylinderluftmasse, Steintemperatur des Unterboden-Katalysators usw. beinhalten. Außerdem können Umgebungsbedingungen, einschließlich Umgebungstemperatur, Feuchtigkeit, barometrischer Druck usw. geschätzt werden.
Bei 304 schließt die Routine das Ermitteln ein, ob der Fahrzeugmotor unter Kaltstartbedingungen betrieben wird. Eine Motorkaltstartbedingung kann bestätigt werden, wenn der Motor nach einem längeren Zeitraum der Inaktivität des Motors gestartet wird, wenn die Motortemperatur niedriger ist als ein Schwellenwert (wie etwa unterhalb einer Anspringtemperatur des Unterboden-Abgaskatalysators) und während Umgebungstemperaturen unterhalb eines Schwellenwerts liegen.
Bei solch einer Bedingung kann eine höhere als eine Schwellengefahr von Wasserkondensation auf dem Unterboden-Katalysator aufgrund der geringeren Temperatur des Abgases, eines höheren Abgas-Wassergehalts und einer geringeren Steintemperatur des Unterboden-Katalysators vorhanden sein. Die Gefahr der Kondensatbildung kann auf der Grundlage von Eingängen von einer Vielzahl von Sensoren bestimmt werden, beinhaltend Abgastemperatursensoren (wie etwa Sensor 177 in den 2A–2B), Unterboden-Katalysatortemperatursensor (wie etwa Temperatursensor 178 in den 2A–2B), Abgas-Lambdasonden (wie etwa Lambdasonden 175 und 179 in den 2A–2B) und Umgebungsfeuchtigkeitssensor. Die Steuerung kann die Gefahr der Kondensatbildung durch eine Bestimmung schätzen, die einen geschätzten Abgaswassergehalt und eine gemessene Steintemperatur des Unterbodenkatalysators direkt berücksichtigt, wie etwa Erhöhen der Gefahr der Kondensatbildung mit zunehmendem Abgaswassergehalt, und Reduzieren der Steintemperatur des Unterboden-Katalysators. Die Steuerung kann alternativ die Gefahr der Kondensatbildung auf der Grundlage einer Berechnung mit Hilfe einer Lookup-Tabelle bestimmen, wobei die Eingabe Abgaswassergehalt und Steintemperatur des Unterboden-Katalysators ist und die Gefahr der Kondensatbildung die Ausgabe ist. Die Gefahr von Kondensatbildung kann ferner basierend auf einem Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis relativ zur Stöchiometrie bestimmt werden, wobei die vorhergesagte Gefahr zunimmt, wenn eine Dauer des Motorbetriebs magerer als die Stöchiometrie zunimmt.
Bei Bedingungen mit einer höheren als einer Schwellengefahr der Wasserkondensation am Unterboden-Katalysator kann es zu einer Wasserkondensation und einer nachfolgenden Verdampfung am Unterboden-Katalysator kommen, wodurch die Energieaufnahme am Katalysator erhöht wird. Demzufolge kann es zu Verzögerungen beim Anspringen des Katalysators kommen, die von Wasser-Kondensations-Verdampfungszyklen verursacht werden.
Wenn Motorkaltstartbedingungen bestätigt wurden, fährt die Routine mit 306 fort, um das Unterboden-Katalysatorsystem in einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben, davon ausgehend, dass die Gefahr der Kondensation höher ist. Das Betreiben im zweiten Modus, wie unter Bezugnahme auf 2B beschrieben, beinhaltet bei 307 das Umschalten eines Umschaltventils (wie etwa das Umschaltventil 182 in den 2A–2B) zu einer zweiten Position. Aufgrund der zweiten Position des Ventils kann Abgasstrom vom Umgehungsdurchlass in den Hauptdurchlass nicht blockiert werden, wodurch Abgas durch den Umgehungsdurchlass (wie etwa Umgehungsdurchlass 212 in den 2A–2B) strömen kann, wobei der Unterboden-Katalysator (wie etwa Katalysator 176 in den 2A–2B), der im Hauptabgasdurchlass aufgenommen ist, umgangen wird. Wenn Abgas durch den Umgehungsdurchlass geleitet wird, kann Abgas durch einen Wärmetauscher (wie etwa den Wärmetauscher 174 in den 2A–2B) strömen. Nach dem Strömen durch den Wärmetauscher kann das Abgas weiter stromabwärts über den Umgehungsdurchlass strömen und dann erneut in den Hauptabgasdurchlass stromabwärts des Unterboden-Katalysators eintreten und letztendlich über das Endrohr in die Atmosphäre austreten. Durch Strömen von Abgas durch den Durchlass können Kondensation und Verdampfung von Wasser am Unterboden-Katalysator reduziert werden, und das Abgaswasser kann entlang des Hauptabgasdurchlasses weiter stromabwärts vom Unterboden-Katalysator kondensieren.
Während des Abgasstroms über den Wärmetauscher, der an den Umgehungsdurchlass gekoppelt ist, kann Wärme bei 308 aus dem Abgas auf ein Kühlmittel übertragen werden, das durch den Wärmetauscher zirkuliert. Das Kühlmittel, das über die Wärmeübertragung am Wärmetauscher erwärmt wurde, kann zu einem Heizkern zirkuliert werden, sodass es zum Beheizen anderer Komponenten des Fahrzeugs während des Motorkaltstarts genutzt werden kann, wie etwa eines Zylinderkopfs, eines Motorblocks und eines Fahrzeugkabinenraums. Im Falle des Kaltstarts kann die Fahrzeugkabinentemperatur niedrig sein und eine Beheizung der Kabine kann erwünscht sein. Demnach kann auf Grundlage eines Kabinenwärmebedarfs, wie von einem Fahrzeugführer angefordert (z. B. auf Grundlage einer Kabinentemperatureinstellung), Wärme von dem Heizkern auf die Kabine übertragen werden. Zum Beispiel kann Luft über den Heizkern in die Kabine gesaugt werden, wodurch eine Erwärmung der Kabine ermöglicht werden. Nachdem dem Kabinenwärmebedarf entsprochen wurde, kann das erwärmte Kühlmittel außerdem zu einem Motorblock und einem Zylinderkopf zirkulieren, um die Motortemperaturen anzuheben, wodurch die Motorleistung bei kalten Bedingungen verbessert wird.
Bei 310 beinhaltet die Routine Bestimmen, ob die Gefahr von Kondensation am Unterboden-Katalysator unter einen Schwellenwert gesenkt wurde. Aufgrund der höheren Abgastemperatur, die zu einem höheren Anteil der Abgaswasserkondensation führt, die am Hauptabgasdurchlass stromabwärts des Unterboden-Katalysators stattfindet, und/oder einem höheren Anteil des Abgaswassers, das während des Abgasstroms durch den Unterboden-Katalysator verdampft wird, kann die Gefahr von Kondensation abnehmen, wenn die Motorverbrennung fortschreitet. Außerdem kann der Abgaswassergehalt auf der Grundlage von Veränderungen bei Umgebungsbedingungen, wie etwa Umgebungsfeuchtigkeit, abnehmen. Falls bestimmt wird, dass die Gefahr von Kondensation weiterhin höher ist als der Schwellenwert, kann das Umschaltventil bei 312 in der zweiten Position gehalten werden und das Katalysatorsystem kann im zweiten Modus betrieben werden (Umgehen des Unterboden-Katalysators).
Falls bestimmt wird, dass die Gefahr von Kondensation auf unter den Schwellenwert gesunken ist, fährt die Routine mit 314 fort, um das Unterboden-Katalysatorsystem in einem ersten Betriebsmodus zu betreiben. Das Betreiben im ersten Modus, wie unter Bezugnahme auf 2A beschrieben, beinhaltet bei 315 das Umschalten eines Umschaltventils zu einer ersten Position. Aufgrund der ersten Position des Ventils kann der Abgasstrom aus dem Umgehungsdurchlass in den Hauptdurchlass blockiert werden, wodurch Abgas über den Hauptabgasdurchlass und den Unterboden-Katalysator strömen kann und nicht über den Abgasumgehungsdurchlass strömt. Durch Strömen des heißen Abgases durch den Unterboden-Katalysator kann die Katalysatortemperatur erhöht werden, was die Erreichung der Anspringtemperatur des Unterboden-Katalysators beschleunigen kann.
Bei 316 beinhaltet der Ablauf das Bestimmen, ob die geschätzte Temperatur des Unterboden-Katalysators über einer Schwellentemperatur liegt. Die Schwellentemperatur kann der Anspringtemperatur des Unterboden-Katalysators entsprechen. Sobald der Unterboden-Katalysator die Anspringtemperatur erreicht, kann er mit optimaler Funktionalität arbeiten. Die Unterboden-Katalysatortemperatur kann auf der Grundlage von Eingängen von Abgastemperatursensoren, die an den Hauptabgasdurchlass und den Unterboden-Katalysator gekoppelt sind, abgeleitet werden. Außerdem kann die Temperatur des Unterboden-Katalysators auf der Grundlage einer Dauer des Motorbetriebs bei einem stöchiometrischen oder magereren als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis geschätzt werden.
Wenn bei Schritt 304 bestimmt wird, dass der Motor nicht unter Kaltstartbedingungen arbeitet, kann die Routine außerdem direkt mit Schritt 316 fortfahren. Wenn bestimmt wird, dass die Katalysatortemperatur geringer als ein Schwellenwert ist, und ferner eine Erhöhung der Temperatur für einen optimalen Betrieb erwünscht ist, kann das Katalysatorsystem weiterhin im ersten Modus betrieben werden und Abgas wird über den Unterboden-Katalysator geleitet.
Wenn bestimmt wird, dass die Abgastemperatur höher als eine Schwellentemperatur ist, kann abgeleitet werden, dass der Unterboden-Katalysator die Anspringtemperatur erreicht hat und besser in der Lage ist, Verbrennungsnebenprodukte, wie etwa Oxide von Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen, zu reduzieren und dadurch die Emissionsqualität zu verbessern.
Bei 318 beinhaltet der Ablauf das Bestimmen, ob die Zylinderluftmasse über einer Schwellenluftmasse liegt. Die Zylinderluftmasse kann eine Funktion des Ansaugluftstroms und der Motordrehzahl sein und kann auf der Grundlage von Eingängen von einem oder mehreren eines Krümmerluftstromsensors und eines Krümmerdrucksensors bestimmt werden. Die Schwellen-Luftmasse kann einer Zylinderluftmasse entsprechen, was zu einem höheren als einem gewünschten Abgasgegendruck führt und ferner zu erhöhten Endrohremissionen führt.
Wenn bestimmt wird, dass der Motor mit einer geringeren als der Schwellen-Zylinderluftmasse arbeitet, kann die Routine bei Schritt 322 fortfahren, wobei bestimmt werden kann, ob der Motor ohne Kraftstoff arbeitet (nicht kraftstoffzuführende Bedingung des Motors). Die nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors können einen Kraftstoffabschaltungs-(DFSO)-Zustand beinhalten, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis magerer ist als die Stöchiometrie. Bei nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors kann es zu einer Erhöhung des Sauerstoffgehalts im Abgas kommen, was dazu führt, dass der Unterboden-Katalysator mit Sauerstoff gesättigt wird. Die Sauerstoffsättigung am Unterboden-Katalysator kann zu einer Reduzierung der Funktionalität des Katalysators führen. Wenn bestimmt wird, dass der Motor ohne Kraftstoff betrieben wird, um die Sauerstoffabscheidung am Unterboden zu reduzieren, kann das Katalysatorsystem deshalb bei 324 im zweiten Modus betrieben werden.
Um das Katalysatorsystem im zweiten Modus zu betreiben, kann das Umschaltventil bei 325 in die zweite Position geschaltet werden. Aufgrund der zweiten Position des Ventils kann Abgas durch den Umgehungsdurchlass strömen, wodurch der Unterboden-Katalysator umgangen wird. Wenn Abgas durch den Umgehungsdurchlass geleitet wird, kann Abgas durch den Wärmetauscher strömen. Bei 326 kann Wärme vom Abgas zum Kühlmittel, das durch den Wärmetauscher strömt, übertragen werden. Die Wärme, die durch das Kühlmittel am Wärmetauscher zurückgewonnen wurde, kann verwendet werden, um den Fahrzeugkomponenten, wie etwa dem Zylinderkopf, und einer Fahrgastkabine Wärme zur Verfügung zu stellen. Die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Wärmetauscher, die Fahrgastkabine und den Motorblock kann auf der Grundlage des Motorwärmebedarfs und der Kabinenwärmebedarfe eingestellt werden. Unter Umständen, wenn die Wärme, die am Wärmetauscher zurückgewonnen wurde, nicht zum Beheizen von Fahrzeugkomponenten erwünscht ist, kann die Wärme zur Ableitung an einen Radiator übertragen werden.
Wenn bestimmt wird, dass der Motor nicht ohne Kraftstoff arbeitet, beinhaltet die Routine bei 328 Bestimmen, ob die Abgastemperatur geringer ist als eine erste Schwellentemperatur. Außerdem kann bestimmt werden, ob die Abgastemperatur höher ist als eine zweite Schwellentemperatur, wobei die zweite Schwellentemperatur höher ist als die erste Schwellentemperatur. Wenn Abgas mit einer geringeren als eine untere (erste) Schwellentemperatur durch den Unterboden-Katalysator strömt, kann die Betriebstemperatur des Katalysators abnehmen, was die Leistung des Katalysators beeinträchtigen kann. Wenn Abgas mit einer höheren als eine obere (zweite) Schwellentemperatur durch den Unterboden-Katalysator strömt, kann die Funktionalität des Katalysators außerdem aufgrund einer Beschichtung auf der Katalysatorfläche reduziert werden. Die erste Schwellentemperatur kann geringer sein als die zweite Schwellentemperatur, und für einen optimalen Betrieb des Unterboden-Katalysators kann die Katalysatortemperatur zwischen der ersten Schwellentemperatur und der zweiten Schwellentemperatur gehalten werden.
Wenn bestimmt wird, dass die Abgastemperatur geringer ist als die erste Schwellentemperatur oder höher ist als die zweite Schwellentemperatur, kann die Routine bei Schritt 334 fortfahren, um das Abgassystem im zweiten Modus zu betreiben. Im zweiten Modus kann die Temperatur des Katalysators nicht von der Abgastemperatur beeinflusst sein, da das Abgas derart geleitet wird, dass es über den Umgehungsdurchlass strömt, wodurch der Unterboden-Katalysator umgangen wird.
Wenn bei 328 bestimmt wird, dass die Abgastemperatur höher ist als der erste Schwellenwert oder geringer ist als der zweite Schwellenwert, kann das Abgassystem weiterhin im ersten Modus arbeiten und Abgas kann durch den Unterboden-Katalysator geleitet werden. Wenn allerdings zu einem beliebigen Zeitpunkt bestimmt wird, dass der Wassergehalt des Abgases aufgrund von Faktoren, wie etwa eine erhöhte Abgasrückführung, ein magereres als das Stöchiometrie-Luft-Kraftstoff-Verhältnis und eine höhere Umgebungsfeuchtigkeit, gestiegen ist und eine höhere als die Schwellengefahr der Kondensatbildung am Unterboden-Katalysator vorliegt, kann das Umschaltventil zur zweiten Position geschaltet werden, um das Katalysatorsystem im zweiten Modus zu betreiben, wobei der Unterboden-Katalysator umgangen wird, um die Kondensatbildung am Katalysator zu reduzieren.
Auf diese Weise kann der Betrieb des Unterboden-Abgaskatalysatorsystems verbessert werden, indem der zweite Modus als Reaktion darauf, dass eine der Gefahr von Kondensatbildung am Unterboden-Katalysator höher ist als eine Schwellengefahr, der Abgastemperatur geringer ist als ein unterer Schwellenwert, der Abgastemperatur höher ist als ein oberer Schwellenwert und der Sauerstoffkonzentration im Abgas höher ist als eine Schwellenkonzentration, ausgewählt wird; und der erste Modus als Reaktion darauf, dass eine der Abgastemperatur geringer ist als der untere Schwellenwert oder höher ist als der obere Schwellenwert und der Sauerstoffkonzentration im Abgas geringer ist als die Schwellenkonzentration, ausgewählt wird.
4 ist eine Tabelle 400 mit Darstellung von beispielhaften Betriebsmodi des Abgaskatalysatorsystems aus 1. Eine Motorsteuerung kann einen der Betriebsmodi auf Grundlage von Motorbedingungen und Wärmeanforderungen auswählen. Der Abgaskatalysator ist ein Unterboden-Katalysator, der stromabwärts eines vorderen Katalysators im Hauptabgasdurchlass gekoppelt ist, wobei der Unterboden-Katalysator über eine höhere Anspringtemperatur als der vordere Katalysator verfügt. Auf der Grundlage des ausgewählten Modus kann die Position eines Umschaltventils, das an den Hauptabgasdurchlass stromabwärts des Unterboden-Katalysators an einer Verbindung des Hauptabgasdurchlasses gekoppelt ist, variiert werden, um Abgas entweder durch den Katalysator oder über den Umgehungsdurchlass zu strömen.
In einem Beispiel kann die Steuerung das Katalysatorsystem in einem ersten Modus betreiben. Im ersten Modus kann das Umschaltventil zu einer ersten Position geschaltet werden, wobei der Abgasstrom vom Hauptdurchlass zum Umgehungsdurchlass blockiert wird. Aufgrund der Position des Ventils kann Abgas durch den Unterboden-Katalysator in den Hauptabgasdurchlass strömen. Abgas, das durch den Katalysator im Hauptdurchlass strömt, beinhaltet Abgas, das von stromabwärts des vorderen Katalysators zu einem Abgasendrohr über den Unterboden-Katalysator durch den Hauptdurchlass strömt. Das Katalysatorumgehungssystem kann im ersten Modus während einer oder mehreren Bedingungen betrieben werden, wie etwa eine geringere als eine Schwellengefahr von Wasserkondensation im Unterboden-Katalysator, eine höhere als eine Schwellen-Zylinderluftmasse, eine geringere als eine obere Schwellen-Abgastemperatur und eine höhere als eine Schwellen-Abgastemperatur. Die Gefahr der Wasserkondensation im Unterboden-Katalysator kann auf der Grundlage des Wassergehalts im Abgas und der Katalysatorsteintemperatur vorhergesagt werden. Der Wassergehalt des Abgases kann auf der Grundlage jedes eines AGR-Niveaus des Motors, eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, einer Motortemperatur und einer Umgebungsfeuchtigkeit geschätzt werden. Das Vorhersagen einer Gefahr der Wasserkondensation kann Erhöhen der vorhergesagten Gefahr, wenn eines oder mehrere der Katalysatorsteintemperatur abnimmt, das AGR-Niveau des Motors zunimmt, die Motortemperatur abnimmt und die Umgebungsfeuchtigkeit zunimmt, und Reduzieren der vorhergesagten Gefahr beinhalten, wenn eines oder mehrere der Katalysatortemperatur zunimmt, das AGR-Niveau des Motors abnimmt, die Motortemperatur zunimmt und die Umgebungsfeuchtigkeit abnimmt.
In einem weiteren Beispiel kann die Steuerung das Katalysatorsystem in einem zweiten Modus betreiben. Im zweiten Modus kann das Umschaltventil zu einer zweiten Position geschaltet werden, wobei der Abgasstrom vom Hauptdurchlass zum Umgehungsdurchlass nicht blockiert wird. Aufgrund der Position des Ventils kann Abgas durch den Umgehungsdurchlass strömen, wodurch der Unterboden-Katalysator umgangen wird. Abgas, das durch den Umgehungsdurchlass strömt, beinhaltet Abgas, das von stromabwärts des vorderen Katalysators zu einem Abgasendrohr über den Umgehungsdurchlass strömt, ohne durch den Unterboden-Katalysator zu strömen. Das Katalysatorumgehungssystem kann im zweiten Modus während nicht kraftstoffzuführender Bedingungen des Motors und bestimmten kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors betrieben werden. Die nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors können eine Kraftstoffabschaltungsbedingung beinhalten und die kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, bei denen der zweite Betriebsmodus genutzt wird, kann eine höhere als eine Schwellengefahr von Wasserkondensation im Unterboden-Katalysator, eine höhere als eine obere Schwellen-Abgastemperatur (zum Beispiel während eines Warmstarts) und eine geringere als eine untere Schwellen-Abgastemperatur beinhalten. Während des Betreibens im zweiten Modus kann Abgas durch einen Wärmetauscher strömen, der an den Umgehungsdurchlass gekoppelt ist, und während des Abgasstroms durch den Wärmetauscher im Umgehungsdurchlass kann Wärme vom Abgas zu einem Kühlmittel übertragen werden, das durch den Wärmetauscher zirkuliert. Als Reaktion auf einen Motorwärmebedarf kann das aufgewärmte Kühlmittel durch einen Motorblock zirkuliert werden; und als Reaktion auf einen Kabinenwärmebedarf kann das aufgewärmte Kühlmittel durch den Heizkern zirkuliert werden.
Auf diese Weise kann das Abgas auf der Grundlage einer vorhergesagten Gefahr der Kondensatbildung am Unterboden-Katalysator, der Abgastemperatur und des Sauerstoffgehalts im Abgas durch den Unterboden-Katalysator oder einen Umgehungsdurchlass, wodurch der Unterboden-Katalysator vermieden wird, geleitet werden.
5 zeigt eine beispielhafte Betriebssequenz 500 des Unterboden-Abgaskatalysatorsystems. Der Abgasstrom durch den Unterboden-Katalysator oder den Umgehungsdurchlass wird auf der Grundlage von Motorbetriebsbedingungen bestimmt. Die horizontale (x-Achse) kennzeichnet die Zeit und die vertikalen Markierungen t1–t5 kennzeichnen wichtige Zeitpunkte beim Betrieb des Abgasumgehungssystems.
Der erste Verlauf, Linie 502, zeigt eine Variation der Motorumdrehungen pro Minute (RPM) im Zeitverlauf. Die gepunktete Linie 503 zeigt einer Schwellen-Motordrehzahl(-RPM), unter der der Motor ohne Kraftstoff betrieben werden kann. Der zweite Verlauf, Linie 504, zeigt die Steintemperatur des Unterboden-Katalysators. Die gepunktete Linie 505 zeigt eine Schwellen-Katalysatortemperatur, unter der der Unterboden-Katalysator nicht vollständig funktionell sein kann. Der dritte Verlauf, Linie 506, zeigt eine Änderung der Abgastemperatur im Zeitverlauf. Die gepunktete Linie 507 zeigt eine Schwellen-Abgastemperatur, unter der das Abgas nicht über den Unterboden-Katalysator geleitet werden kann. Die Katalysatorsteintemperatur und die Abgastemperatur können über Abgastemperatursensor(en) geschätzt werden. Der vierte Verlauf, Linie 508, zeigt eine Abweichung der Zylinderluftmasse, wie sie über einen Krümmerluftstromsensor und/oder einen Krümmerluftdrucksensor bestimmt wurde. Die gepunktete Linie 509 zeigt eine Schwellen-Zylinderluftmasse, über der Abgas durch den Unterboden-Katalysator geleitet werden kann. Der fünfte Verlauf, Linie 510, zeigt eine vorhergesagte Gefahr der Wasserkondensation am Unterboden-Katalysator, wie sie auf der Grundlage des Wassergehalts im Abgas geschätzt wurde, und die Steintemperatur des Unterboden-Katalysators. Die gepunktete Linie 511 zeigt eine Schwellen-Kondensationsgefahr, über der sich eine signifikante Menge von Kondensat auf dem Unterboden-Katalysator bilden kann, wodurch die Funktionalität des Katalysators beeinträchtigt wird. Der sechste Verlauf, Linie 512, zeigt die Kraftstoffmasse (Menge an Kraftstoff), wie sie zur Verbrennung in einen Motorzylinder eingespritzt wurde. Der siebente Verlauf, Linie 514, zeigt die Position eines Umschaltventils, das an den Hauptabgasdurchlass stromabwärts des Unterboden-Katalysators an einer Verbindung des Hauptabgasdurchlasses und des Umgehungsdurchlasses gekoppelt ist.
Kurz nach t0 wird ein Motorstart angefordert. Da der Motor nach einem Zeitraum der Inaktivität, bei der das Fahrzeug nicht angetrieben wurde, aus dem Stillstand gestartet wurde und ferner aufgrund von kühleren Umgebungsbedingungen kann der Motorstart ein Motorkaltstart sein. Der Motor kann unter Kaltstartbedingungen mit einer geringeren als der Schwellen-Abgastemperatur und der Steintemperatur des Unterboden-Katalysators starten. Aufgrund von Kaltstartbedingungen und der geringeren als die Schwellen-Abgastemperatur kann die Gefahr der Kondensatbildung am Unterboden-Katalysator höher sein als Schwellengefahrniveau. Aus diesem Grund kann Abgas während dieser Zeit nicht durch den Unterboden-Katalysator geleitet werden, um Energieaufnahme vom Katalysator durch Kondensatverdampfung zu reduzieren. Als Reaktion auf die höhere als die Schwellengefahr für Kondensatbildung am Unterboden-Katalysator kann die Steuerung ein Signal an einen Aktor senden, der an das Umschaltventil gekoppelt ist, um das Ventil auf eine zweite Position zu schalten, um Abgas über den Umgehungsdurchlass zu leiten, wodurch der Unterboden-Katalysator vermieden wird.
Zwischen t0 und t1 kann die Abgastemperatur stetig zunehmen und Wasser aus dem Abgas kann auf dem Hauptabgasdurchlass stromaufwärts und/oder stromabwärts des Unterboden-Katalysators kondensieren. Dementsprechend kann die Gefahr der Kondensatbildung am Unterboden-Katalysator abnehmen. Bei Zeitpunkt t1 kann die Gefahr der Kondensatbildung auf unter des Schwellenwerts abnehmen. Als Reaktion auf die Reduzierung der Gefahr der Kondensatbildung kann die Steuerung ein Signal an einen Aktor senden, der an das Umschaltventil gekoppelt ist, um das Ventil auf eine erste Position zu schalten, um Abgas über den Hauptabgasdurchlass und den Unterboden-Katalysator zu leiten. Zwischen Zeitpunkt t1 und t2, wenn heißes Abgas durch den Unterboden-Katalysator geleitet wird, kann die Temperatur des Unterboden-Katalysators stetig zunehmen.
Bei Zeitpunkt t2 kann abgeleitet werden, dass der Unterboden-Katalysator die Anspringtemperatur erreicht hat und voll funktionell ist. Zu diesem Zeitpunkt kann die Zylinderluftmasse außerdem auf über den Schwellenwert zunehmen und um einen geringeren Abgasgegendruck beizubehalten, während die Emissionsqualität verbessert wird, kann Abgas zwischen Zeitpunkt t2 und t3 weiterhin über den Unterboden-Katalysator geleitet werden.
Bei Zeitpunkt t3 kann die Motordrehzahl(-RPM) aufgrund einer Pedalbetätigung durch den Bediener und eines Abfalls des Drehmomentbedarfs auf unterhalb der Schwellendrehzahl(-RPM) abnehmen, und um die Kraftstoffeffizienz des Motors zu verbessern, kann der Motor ohne Kraftstoff betrieben werden. Als Reaktion auf die geringere als die Schwellen-Motordrehzahl(-RPM) kann die Kraftstoffmasse, die zu den Zylindern gespritzt wird, auf Null abnehmen. Aufgrund der nicht kraftstoffzuführenden Bedingung des Motors, bei der die Kraftstoffzufuhr abgeschaltet ist, aber Einlass- und/oder Auslassventile weiterhin Luft durch die Motorzylinder pumpen, kann der Sauerstoffgehalt des Abgases zunehmen. Zu diesem Zeitpunkt kann die Abgastemperatur außerdem auf unterhalb der Schwellentemperatur abnehmen. Um die Möglichkeit einer Sauerstoffsättigung am Unterboden-Katalysator zu reduzieren und die Temperatur des Katalysators auf einem optimalen Niveau zu halten, kann das Umschaltventil auf die zweite Position geschaltet werden, um das kühler- und sauerstoffreiche Abgas über den Umgehungsdurchlass zu leiten, wodurch der Unterboden-Katalysator vermieden wird. Zwischen Zeitpunkt t3 und t4, wenn die nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors andauern, kann das Abgas weiterhin derart geleitet werden, dass es den Unterboden-Katalysator umgeht.
Bei Zeitpunkt t4 kann die Motordrehzahl(-RPM) aufgrund einer Pedalbetätigung des Bedieners und einer Erhöhung des Drehmomentbedarfs auf über die Schwellendrehzahl(-RPM) zunehmen und dementsprechend kann die Kraftstoffzufuhr fortgesetzt werden, wodurch es zu einer Reduzierung des Sauerstoffgehalts im Abgas kommt. Zu diesem Zeitpunkt allerdings kann die Unterboden-Katalysatortemperatur auf unterhalb der Schwellentemperatur reduziert werden und es kann zu einer Erhöhung der Gefahr der Kondensatbildung am Unterboden-Katalysator kommen. Zu diesem Zeitpunkt kann die Abgastemperatur weiterhin unterhalb des Schwellenwerts bleiben. Um die Möglichkeit der Wasserkondensation am Unterboden-Katalysator zu reduzieren und eine weitere Reduzierung der Katalysatortemperatur zu verhindern, kann das Umschaltventil deshalb zwischen Zeitpunkt t4 und t5 in der zweiten Position gehalten werden und Abgas kann weiterhin den Unterboden-Katalysator umgehen.
Bei Zeitpunkt t5 kann die Unterboden-Katalysatortemperatur auf oberhalb der Schwellentemperatur zunehmen und die Abgastemperatur kann auf unterhalb der Schwellentemperatur abnehmen und außerdem kann die Gefahr der Kondensation auf unterhalb des Schwellenwerts abnehmen. Ferner kann die Zylinderluftmasse auf oberhalb der Schwellen-Luftmasse zunehmen. Um Abgas über den Unterboden-Katalysator zu leiten, kann das Umschaltventil deshalb auf die erste Position geschaltet werden. Nach dem Zeitpunkt t5 kann Abgas weiter über den Unterboden-Katalysator strömen und Verbrennungsnebenprodukte, wie etwa Oxide von Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen, können am Katalysator effektiv reduziert werden.
In einem Beispiel umfasst ein Motor: während nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, Strömen von Abgas durch einen Umgehungsdurchlass während des Umgehens eines Unterboden-Abgaskatalysators, der in einem Hauptabgasdurchlass positioniert ist, über ein Ventil, das stromabwärts von dem Katalysator positioniert ist; und während kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, selektives Strömen von Abgas durch den Umgehungsdurchlass auf der Grundlage jedes einer Temperatur und Wassergehalts des Abgases. Das vorstehende beispielhafte Verfahren kann zusätzlich oder optional ferner umfassen Schätzen des Wassergehalts des Abgases auf der Grundlage jedes einer Umgebungsfeuchtigkeit, eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases und eines AGR-Niveaus des Motors. Ein beliebiges oder alle der vorstehenden Beispiele umfassen ferner zusätzlich oder optional Vorhersagen einer Kondensationsgefahr am Unterboden-Katalysator auf der Grundlage jedes des geschätzten Wassergehalts des Abgases und einer Steintemperatur des Unterboden-Katalysators, wobei die Gefahr steigt, wenn der geschätzte Wassergehalt steigt oder die Steintemperatur abnimmt. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhaltet das selektive Strömen zusätzlich oder optional: als Reaktion darauf, dass die Abgastemperatur einen unteren Schwellenwert unterschreitet oder einen höheren Schwellenwert überschreitet, Strömen des Abgases durch den Umgehungsdurchlass für eine Dauer, bis der Wassergehalt des Abgases unter einen Schwellengehalt gesenkt wurde oder die Steintemperatur des Katalysators über eine Schwellentemperatur erhöht wurde. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhaltet das selektive Strömen zusätzlich oder optional: als Reaktion darauf, dass die Abgastemperatur einen unteren Schwellenwert unterschreitet oder einen höheren Schwellenwert überschreitet, Strömen des Abgases durch den Umgehungsdurchlass für eine Dauer, bis die vorhergesagte Gefahr der Kondensation am Unterboden-Katalysator gesenkt wurde, und als Reaktion darauf, dass die Abgastemperatur höher ist als ein oberer Schwellenwert, Strömen des Abgases durch den Umgehungsdurchlass für eine Dauer, bis die Temperatur des Abgases unterhalb des oberen Schwellenwerts gesenkt wurde. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhaltet das selektive Strömen ferner zusätzlich oder optional: als Reaktion darauf, dass eine der Abgastemperatur den unteren Schwellenwert überschreitet, der Abgastemperatur den oberen Schwellenwert unterschreitet und der vorhergesagten Kondensationsgefahr gesenkt wird, Übergang zum Strömen des Abgases durch den Katalysator in den Hauptabgasdurchlass über das Ventil. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele basiert das selektive Strömen ferner zusätzlich oder optional auf der Zylinderluftmasse, wobei das selektive Strömen Strömen von Abgas durch den Abgaskatalysator beinhaltet, wenn die Zylinderluftmasse eine Schwellenmasse überschreitet. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhalten die nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors zusätzlich oder optional eine Verzögerungskraftstoffabsperrungsbedingung, wobei die kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, wenn die Abgastemperatur den Schwellenwert unterschreitet, einen Motorkaltstart beinhalten, und wobei die kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, wenn die Abgastemperatur den Schwellenwert überschreitet, einen Motorwarmstart beinhalten. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele ist der Unterboden-Abgaskatalysator zusätzlich oder optional im Hauptabgasdurchlass stromabwärts von einem vorderen Abgaskatalysator positioniert, und wobei das Ventil ein Umschaltventil ist, das stromabwärts von dem Unterboden-Katalysator an einer Verbindung des Hauptabgasdurchlasses und des Umgehungsdurchlasses gekoppelt ist. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhaltet Strömen von Abgas durch den Hauptdurchlass zusätzlich oder optional Betätigen des Umschaltventils auf eine erste Position, in der Abgasstrom vom Umgehungsdurchlass in den Hauptdurchlass blockiert wird, und wobei Strömen von Abgas durch den Umgehungsdurchlass Betätigen des Umschaltventils auf eine zweite Position beinhaltet, in der Abgasstrom vom Umgehungsdurchlass in den Hauptdurchlass nicht blockiert wird. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhaltet der Umgehungsdurchlass zusätzlich oder optional einen Wärmetauscher und wobei Strömen von Abgas durch den Umgehungsdurchlass Strömen von Abgas durch den Wärmetauscher beinhaltet, der Wärme vom Strömen von Abgas zu einem Kühlmittel überträgt, das durch den Wärmetauscher zirkuliert, und aufgewärmtes Kühlmittel auf der Grundlage der Motortemperatur durch einen Motorblock und auf der Grundlage der Kabinenheizung durch einen Heizer zirkuliert.
Ein weiteres beispielhaftes Verfahren umfasst Vorhersagen einer Gefahr der Kondensation an einem Abgaskatalysator auf der Grundlage jedes einer Katalysatortemperatur und eines Wassergehalts von Abgas; und Auswählen zwischen dem Betreiben in einem ersten Modus, wobei Abgas durch den Katalysator in einem Hauptabgasdurchlass strömt, und Betreiben in einem zweiten Modus, wobei Abgas durch einen Umgehungsdurchlass strömt, während der Katalysator umgangen wird, auf der Grundlage einer vorhergesagten Gefahr. Im vorstehenden beispielhaften Verfahren basiert die vorhergesagte Gefahr ferner zusätzlich oder optional auf einem Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis relativ zur Stöchiometrie, wobei die vorhergesagte Gefahr zunimmt, wenn eine Dauer des Motorbetriebs magerer als die Stöchiometrie zunimmt. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele ist der Abgaskatalysator zusätzlich oder optional ein Unterboden-Katalysator, der stromabwärts eines vorderen Katalysators im Hauptabgasdurchlass gekoppelt ist, wobei der Unterboden-Katalysator über eine höhere Anspringtemperatur als der vordere Katalysator verfügt, wobei Abgas, das durch den Katalysator im Hauptdurchlass strömt, Abgas beinhaltet, das von stromabwärts des vorderen Katalysators zu einem Abgasendrohr über den Unterboden-Katalysator durch den Hauptdurchlass strömt, und wobei Abgas, das durch den Umgehungsdurchlass strömt, Abgas beinhaltet, das von stromabwärts des vorderen Katalysators zu einem Abgasendrohr über den Umgehungsdurchlass strömt, ohne durch den Unterboden-Katalysator zu strömen. Ein beliebiges oder alle der vorstehenden Beispiele umfasst/umfassen ferner zusätzlich oder optional Schätzen des Wassergehalts von Abgas auf der Grundlage jedes eines AGR-Niveaus des Motors, einer Motortemperatur und einer Umgebungsfeuchtigkeit, wobei das Vorhersagen beinhaltet: Erhöhen der vorhergesagten Gefahr, wenn eines oder mehrere der Katalysatortemperatur abnimmt, das AGR-Niveau des Motors zunimmt, die Motortemperatur abnimmt und die Umgebungsfeuchtigkeit zunimmt, und Reduzieren der vorhergesagten Gefahr beinhalten, wenn eines oder mehrere der Katalysatortemperatur zunimmt, das AGR-Niveau des Motors abnimmt, die Motortemperatur zunimmt und die Umgebungsfeuchtigkeit abnimmt. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhaltet das Auswählen zusätzlich oder optional: Betreiben im zweiten Modus als Reaktion darauf, dass die vorhergesagte Gefahr größer ist als ein Schwellenwert, und Übergang zum ersten Modus als Reaktion darauf, dass die vorhergesagte Gefahr geringer ist als der Schwellenwert. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhaltet das Auswählen zusätzlich oder optional: Auswählen des zweiten Modus als Reaktion darauf, dass eine der Abgastemperatur geringer ist als ein unterer Schwellenwert, der Abgastemperatur höher ist als ein oberer Schwellenwert und der Sauerstoffkonzentration im Abgas höher ist als eine Schwellenkonzentration; und Auswählen des ersten Modus als Reaktion darauf, dass eine der Abgastemperatur geringer ist als der untere Schwellenwert oder höher ist als der obere Schwellenwert und der Sauerstoffkonzentration im Abgas geringer ist als die Schwellenkonzentration. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele zusätzlich oder optional Übergang vom Betreiben im ersten Modus zum Betreiben im zweiten Modus als Reaktion auf ein Kraftstoffabschaltungsereignis und Übergang vom Betreiben im zweiten Modus zum Betreiben im ersten Modus als Reaktion darauf, dass eine der Abgastemperatur einen oberen Schwellenwert überschreitet und der Zylinderluftmasse eine Schwellen-Luftmasse überschreitet.
In noch einem weiteren Beispiel umfasst ein Motorsystem einen Motoransaugkrümmer, beinhaltend jeden eines Massenluftstrom-(MAF)- und eines Krümmerdruck-(MAP)-Sensors, einen Motorabgaskrümmer, beinhaltend einen Hauptabgasdurchlass, das einen vorderen Katalysator stromaufwärts eines Unterboden-Katalysators aufnimmt, und einen Umgehungsdurchlass, der an den Hauptabgasdurchlass von stromabwärts des vorderen Katalysators zu stromabwärts des Unterboden-Katalysators gekoppelt ist, wobei der Umgehungsdurchlass einen Wärmetauscher beinhaltet; ein Kühlmittelsystem, das den Wärmetauscher fluidisch mit einem Heizkern koppelt; ein Umschaltventil, das stromabwärts des Unterboden-Katalysators an einer Verbindung des Hauptabgasdurchlasses und des Umgehungsdurchlasses, gekoppelt ist, und einen Abgastemperatursensor; eine Abgas-Lambdasonde; und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die auf einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind zum: als Reaktion auf einen Motorbetrieb unterhalb des Schwellen-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, Betätigen des Umschaltventils von einer ersten Position, die Abgasstrom durch den Unterboden-Katalysator ermöglicht, zu einer zweiten Position, die Abgasstrom durch den Umgehungsdurchlass und den Wärmetauscher ermöglicht, während der Unterboden-Katalysator umgangen wird; Schätzen einer Katalysatortemperatur auf der Grundlage einer Dauer des Betriebs beim Schwellen-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, als Reaktion darauf, dass die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur unterschreitet, während ein Wassergehalt des Abgases höher ist, Übergang des Umschaltventils zur ersten früheren Position, und als Reaktion darauf, dass die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur unterschreitet, während ein Wassergehalt des Abgases geringer ist, Übergang des Umschaltventils zur ersten späteren Position. Im vorstehenden beispielhaften Verfahren beinhaltet die Steuerung zusätzlich oder optional ferner Anweisungen für: auf der Grundlage eines Eingangs vom Abgastemperatursensor, der darauf hinweist, dass die Abgastemperatur über einem unteren Schwellenwert und unter einem oberen Schwellenwert ist, Betätigen des Umschaltventils auf die erste Position; auf der Grundlage eines Eingangs vom Abgastemperatursensor, der auf eine geringere als die untere Schwellen-Abgastemperatur oder eine höhere als die obere Schwellen-Abgastemperatur hinweist, Betätigen des Umschaltventils von der ersten Position zur zweiten Position, um Abgas über den vorderen Katalysator, dann den Umgehungsdurchlass und dann den Wärmetauscher zu strömen; Beibehalten des Umschaltventils an der zweiten Position für einen Zeitraum auf der Grundlage des Wassergehalts des Abgases; und nachdem der Zeitraum verstrichen ist, Betätigen des Umschaltventils zur ersten Position, um Abgas über den vorderen Katalysator und denn den Unterboden-Katalysator im Hauptabgasdurchlass zu strömen. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhaltet die Steuerung ferner zusätzlich oder optional Anweisungen zum: Ableiten der Zylinderluftstrommasse auf der Grundlage des Eingangs von einem des MAF- und des MAP-Sensors; und als Reaktion auf einen höheren als den Schwellen-Zylindermassenstrom, während der Wassergehalt geringer ist, Betätigen des Umschaltventils zur ersten Position, um Abgas über den Unterboden-Katalysator im Hauptabgasdurchlass zu strömen. In einem beliebigen oder in allen der vorstehenden Beispiele beinhaltet die Steuerung ferner zusätzlich oder optional Anweisungen zum: während des Abgasstromes durch den Wärmetauscher im Umgehungsdurchlass, Übertragen von Wärme vom Abgas zum Kühlmittel, das durch den Wärmetauscher zirkuliert; als Reaktion auf einen Motorwärmebedarf, Zirkulieren von erwärmtem Kühlmittel durch einen Motorblock; und als Reaktion auf einen Kabinenwärmebedarf, Zirkulieren von erwärmtem Kühlmittel durch den Heizkern. Durch Leiten von Abgasstrom, um einen Unterboden-Abgaskatalysator während Bedingungen, bei denen eine höhere als eine Schwellengefahr der Kondensatbildung am Unterboden-Abgaskatalysator vorliegt, zu umgehen, wird eine erwünschte Katalysatorkühlung reduziert. Durch Strömen von Abgas durch den Umgehungsdurchlass während nicht kraftstoffzuführender Bedingungen des Motors können außerdem die Sauerstoffsättigung und die daraus folgende Verschlechterung der Funktionalität des Katalysators reduziert werden. Der technische Effekt für das Umgehen des Unterboden-Katalysators während Bedingungen, bei denen die Abgastemperatur (höher als ein oberer Schwellenwert oder geringer als ein unterer Schwellenwert) sich außerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs befindet, besteht darin, dass die Unterboden-Katalysatortemperatur in einem optimalen Bereich gehalten werden kann. Durch Verwenden eines Wärmetauschers im Umgehungsdurchlass, um Wärme vom Abgas zurückzugewinnen, kann Abgaswärme effektiv für ein beschleunigtes Beheizen des Motors und zum Bereitstellen von Wärme an die Fahrgastkabine verwendet werden, wodurch die Verluste von Motorleistung reduziert werden. Durch das Regulieren des Abgasstroms über einen Unterboden-Katalysator und einen Umgehungsdurchlass, der einen Wärmetauscher aufnimmt, können insgesamt die Emissionsqualität verbessert und die Motoreffizienz erhöht werden.
Es ist zu beachten, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuerungs- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hierin offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert und durch das Steuersystem, einschließend die Steuerung in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktoren und anderer Motorhardware, ausgeführt werden. Die hier beschriebenen konkreten Routinen können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien darstellen, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multi-Tasking, Multi-Threading und dergleichen. Somit können verschiedene dargestellte Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwangsläufig erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erzielen, sondern wird vielmehr zur Erleichterung der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Ein(e) oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen können je nach konkret eingesetzter Strategie wiederholt durchgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen graphisch Code darstellen, der in einem nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Verbrennungsmotorsteuersystem programmiert werden soll, in dem die beschriebenen Handlungen durch Ausführen der Anweisungen in einem System, einschließend die verschiedenen Verbrennungsmotorhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung, ausgeführt werden.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinn aufzufassen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die vorstehende Technologie auf V6-, I4-, I6-, V12-, 4-Zylinder-Boxer- und andere Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und weitere hierin offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften ein.
Die folgenden Patentansprüche legen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen dar, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Patentansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Derartige Patentansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente einschließen und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Patentansprüche oder durch Einreichung neuer Patentansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Patentansprüche werden unabhängig davon, ob sie einen weiteren, engeren, gleichen oder unterschiedlichen Schutzumfang im Vergleich zu den ursprünglichen Patentansprüchen aufweisen, darüber hinaus als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5377486 [0003]

Claims

Verfahren für einen Motor, umfassend: während nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, Strömen von Abgas durch einen Umgehungsdurchlass während des Umgehens eines Unterboden-Abgaskatalysators, der in einem Hauptabgasdurchlass positioniert ist, über ein Ventil, das stromabwärts von dem Katalysator positioniert ist; und während kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, selektives Strömen von Abgas durch den Umgehungsdurchlass auf der Grundlage jedes einer Temperatur und Wassergehalts des Abgases.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Schätzen des Wassergehalts des Abgases auf der Grundlage jedes einer Umgebungsfeuchtigkeit, eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases und eines AGR-Niveaus des Motors.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend Vorhersagen einer Kondensationsgefahr am Unterboden-Katalysator auf der Grundlage jedes des geschätzten Wassergehalts des Abgases und einer Steintemperatur des Unterboden-Katalysators, wobei die Gefahr steigt, wenn der geschätzte Wassergehalt steigt oder die Steintemperatur abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das selektive Strömen beinhaltet: als Reaktion darauf, dass die Abgastemperatur einen unteren Schwellenwert unterschreitet oder einen höheren Schwellenwert überschreitet, Strömen des Abgases durch den Umgehungsdurchlass für eine Dauer, bis der Wassergehalt des Abgases unter einen Schwellengehalt gesenkt wurde oder die Steintemperatur des Katalysators über eine Schwellentemperatur erhöht wurde.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das selektive Strömen beinhaltet: als Reaktion darauf, dass die Abgastemperatur einen unteren Schwellenwert unterschreitet oder einen höheren Schwellenwert überschreitet, Strömen des Abgases durch den Umgehungsdurchlass für eine Dauer, bis die vorhergesagte Kondensationsgefahr am Unterboden-Katalysator gesenkt wurde; und als Reaktion darauf, dass die Abgastemperatur einen oberen Schwellenwert überschreitet, Strömen des Abgases durch den Umgehungsdurchlass für eine Dauer, bis die Temperatur des Abgases unter den oberen Schwellenwert gesenkt wurde.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das selektive Strömen ferner beinhaltet: als Reaktion darauf, dass eine der Abgastemperatur den unteren Schwellenwert überschreitet, der Abgastemperatur den oberen Schwellenwert unterschreitet und der vorhergesagten Kondensationsgefahr gesenkt wird, Übergang zum Strömen des Abgases durch den Katalysator in den Hauptabgasdurchlass über das Ventil.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Strömen ferner auf der Zylinderluftmasse basiert, wobei das selektive Strömen Strömen von Abgas durch den Abgaskatalysator beinhaltet, wenn die Zylinderluftmasse eine Schwellenmasse überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die nicht kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors eine Verzögerungskraftstoffabsperrungsbedingung beinhalten, wobei die kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, wenn die Abgastemperatur den Schwellenwert unterschreitet, einen Motorkaltstart beinhalten, und wobei die kraftstoffzuführenden Bedingungen des Motors, wenn die Abgastemperatur den Schwellenwert überschreitet, einen Motorwarmstart beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Unterboden-Abgaskatalysator im Hauptabgasdurchlass stromabwärts von einem vorderen Abgaskatalysator positioniert ist, und wobei das Ventil ein Umschaltventil ist, das stromabwärts von dem Unterboden-Katalysator an einer Verbindung des Hauptabgasdurchlasses und des Umgehungsdurchlasses gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei Strömen von Abgas durch den Hauptdurchlass Betätigen des Umschaltventils auf eine erste Position beinhaltet, in der Abgasstrom vom Umgehungsdurchlass in den Hauptdurchlass blockiert wird, und wobei Strömen von Abgas durch den Umgehungsdurchlass Betätigen des Umschaltventils auf eine zweite Position beinhaltet, in der Abgasstrom vom Umgehungsdurchlass in den Hauptdurchlass nicht blockiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Umgehungsdurchlass einen Wärmetauscher beinhaltet und wobei Strömen von Abgas durch den Umgehungsdurchlass Strömen von Abgas durch den Wärmetauscher beinhaltet, der Wärme vom Strömen von Abgas zu einem Kühlmittel überträgt, das durch den Wärmetauscher zirkuliert, und aufgewärmtes Kühlmittel auf der Grundlage der Motortemperatur durch einen Motorblock und auf der Grundlage der Kabinenheizung durch einen Heizer zirkuliert.
Motorsystem, umfassend: einen Motoransaugkrümmer, beinhaltend jeden eines Massenluftstrom-(MAF)-sensor und eines Krümmerdruck-(MAP)-sensors; einen Motorabgaskrümmer, beinhaltend einen Hauptabgasdurchlass, der einen vorderen Katalysator stromaufwärts von einem Unterboden-Katalysator aufnimmt, und einen Umgehungsdurchlass, der an den Hauptabgasdurchlass von stromabwärts des vorderen Katalysators zu stromabwärts des Unterboden-Katalysators gekoppelt ist, wobei der Umgehungsdurchlass einen Wärmetauscher beinhaltet; ein Kühlmittelsystem, das den Wärmetauscher fluidisch mit einem Heizkern koppelt; ein Umschaltventil, das stromabwärts des Unterboden-Katalysators an einer Verbindung des Hauptabgasdurchlasses und des Umgehungsdurchlasses gekoppelt ist; einen Abgastemperatursensor; eine Abgas-Lambdasonde; und eine Steuerung mit in einem nichtflüchtigen Speicher gespeicherten computerlesbaren Anweisungen zum: als Reaktion auf einen Motorbetrieb unterhalb des Schwellen-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, Betätigen des Umschaltventils von einer ersten Position, die Abgasstrom durch den Unterboden-Katalysator ermöglicht, zu einer zweiten Position, die Abgasstrom durch den Umgehungsdurchlass und den Wärmetauscher ermöglicht, während der Unterboden-Katalysator umgangen wird; Schätzen einer Katalysatortemperatur auf der Grundlage einer Dauer des Betriebs beim Schwellen-Luft-Kraftstoff-Verhältnis; als Reaktion darauf, dass die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur unterschreitet, während ein Wassergehalt des Abgases geringer ist, Übergang des Umschaltventils zur ersten früheren Position; und als Reaktion darauf, dass die Katalysatortemperatur eine Schwellentemperatur unterschreitet, während ein Wassergehalt des Abgases höher ist, Übergang des Umschaltventils zur ersten späteren Position.
System nach Anspruch 12, wobei die Steuerung ferner Anweisungen für Folgendes umfasst: auf der Grundlage eines Eingangs vom Abgastemperatursensor, der darauf hinweist, dass die Abgastemperatur einen unteren Schwellenwert überschreitet und einen oberen Schwellenwert unterschreitet, Betätigen des Umschaltventils zur ersten Position; auf der Grundlage eines Eingangs vom Abgastemperatursensor, der auf eine geringere als die untere Schwellen-Abgastemperatur oder eine höhere als die obere Schwellen-Abgastemperatur hinweist, Betätigen des Umschaltventils von der ersten Position zur zweiten Position, um Abgas über den vorderen Katalysator, dann den Umgehungsdurchlass und dann den Wärmetauscher zu strömen; Beibehalten des Umschaltventils an der zweiten Position für einen Zeitraum auf der Grundlage des Wassergehalts des Abgases; und nachdem der Zeitraum verstrichen ist, Betätigen des Umschaltventils zur ersten Position, um Abgas über den vorderen Katalysator und denn den Unterboden-Katalysator im Hauptabgasdurchlass zu strömen.
System nach Anspruch 12, wobei die Steuerung ferner Anweisungen für Folgendes umfasst: Ableiten der Zylinderluftstrommasse auf der Grundlage des Eingangs von einem des MAF- und des MAP-Sensors; und als Reaktion auf einen höheren als den Schwellen-Zylindermassenstrom, während der Wassergehalt geringer ist, Betätigen des Umschaltventils zur ersten Position, um Abgas über den Unterboden-Katalysator im Hauptabgasdurchlass zu strömen.
System nach Anspruch 12, wobei die Steuerung ferner Anweisungen für Folgendes umfasst: während des Abgasstromes durch den Wärmetauscher im Umgehungsdurchlass, Übertragen von Wärme vom Abgas zum Kühlmittel, das durch den Wärmetauscher zirkuliert; als Reaktion auf einen Motorwärmebedarf, Zirkulieren von erwärmtem Kühlmittel durch einen Motorblock; und als Reaktion auf einen Kabinenwärmebedarf, Zirkulieren von erwärmtem Kühlmittel durch den Heizkern.