DE112016005174T5

DE112016005174T5 - Abgastemperatursteuerung für einen Magerverbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112016005174T5
Application number: DE112016005174.3T
Authority: DE
Inventors: Matthew A. Younkins; Shikui Kevin Chen; Mark A. WILCUTTS
Original assignee: Tula Technology Inc
Current assignee: Tula Technology Inc
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2018-07-26
Also published as: US20170130630A1; US11060430B2; US20200040788A1; US11333053B2; CN108350818B; US10494971B2; US10247072B2; US20190178135A1; WO2017083389A1; CN108350818A; US20210301703A1

Abstract

Es werden verschiedene Verfahren und Anordnungen zur Steuerung der Abgastemperatur eines mit einer Skip Fire-Steuerung (Zylinderdeaktivierung/- aktivierung) gesteuerten Magerverbrennungsmotors beschrieben. In einem Aspekt umfasst eine Motorsteuerung ein Nachbehandlungssystemüberwachungsgerät und eine Zündzeitpunktbestimmungseinheit. Das Nachbehandlungsüberwachungsgerät erhält Daten, die sich auf eine Temperatur eines oder mehrerer Nachbehandlungselemente, wie z. B. eines Katalysators, beziehen. Auf der Grundlage dieser Daten erzeugt die Zündzeitpunktbestimmungseinheit eine Zündfolge für den Betrieb des Motors auf eine Skip Fire-Weise, so dass die Temperatur des Nachbehandlungselements innerhalb seines effektiven Betriebsbereichs gesteuert wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/254,049 , eingereicht am 11. November 2015, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Skip Fire (Zylinderdeaktivierung/- aktivierung) -Motorsteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung Anordnungen und Verfahren zum Steuern der Abgastemperatur, um den Wirkungsgrad eines Abgasreinigungssystem zu verbessern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die meisten heute in Betrieb befindlichen Fahrzeuge werden von Verbrennungsmotoren („IC“ - „Internal Combustion Engines“) angetrieben. Verbrennungsmotoren weisen typischerweise mehrere Zylinder oder andere Arbeitskammern auf, in denen die Verbrennung stattfindet. Die vom Motor erzeugte Leistung ist abhängig von der Menge an Kraftstoff und Luft, die an jede Arbeitskammer geliefert wird. Der Motor muss über einen weiten Bereich von Betriebsdrehzahlen und Drehmomentabgabelasten betrieben werden, um den Anforderungen in der täglichen Fahrpraxis gerecht zu werden.
Es gibt zwei grundlegende Arten von IC-Motoren: Funkenzündungsmotoren und Kompressionszündungsmotoren. Bei den Erstgenannten wird die Verbrennung durch einen Funken ausgelöst und bei den Letztgenannten durch eine Temperaturerhöhung, die mit dem Komprimieren einer Arbeitskammerladung einhergeht. Kompressionszündungsmotoren können des Weiteren klassifiziert werden als Kompressionszündungsmotoren mit Schichtladung (z. B. der Großteil herkömmlicher Dieselmotoren, abgekürzt als „SCCI“ für „Stratified Charge Compression Ignition“), Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung („PCCI“ - „Premixed Charge Compression Ignition“), reaktivitätsgesteuerte Kompressionszündung („RCCI“ - „Reactivity Controlled Compression Ignition“), Benzinmotoren mit Kompressionszündung („GCI“ oder „GCIE“ - „Gasoline Compression Ignition Engines“) und Kompressionszündung mit homogener Ladung („HCCI“ - „Homogeneous Charge Compression Ignition“). Einige, insbesondere ältere Dieselmotoren verwenden in der Regel keine Drossel zur Steuerung des Luftstroms in den Motor. Funkenzündungsmotoren werden im Allgemeinen mit einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis betrieben und ihr Ausgangsdrehmoment wird durch Steuern der Luftmassenladung („MAC“ - „Mass Air Charge“) in einer Arbeitskammer gesteuert. Die Luftmassenladung wird im Allgemeinen unter Verwendung einer Drossel zur Reduzierung des Ansaugkrümmer-Absolutdrucks („MAP“ - „Manifold Absolute Pressure“) gesteuert. Kompressionszündungsmotoren steuern typischerweise die Motorleistung, indem sie die eingespritzte Kraftstoffmenge steuern (und damit die Luft/Kraftstoff-Stöchiometrie verändern), und nicht durch Steuerung des Luftstroms durch den Motor. Das Motorausgangsdrehmoment wird reduziert, indem der in die Arbeitskammer eintretenden Luft weniger Kraftstoff hinzugefügt wird, d. h. der Motor wird magerer betrieben. Beispielsweise kann ein Dieselmotor im Vergleich zu einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis von ca. 14,5 typischerweise mit Luft/Kraftstoff-Verhältnissen von 20 bis 55 betrieben werden.
Die Kraftstoffeffizienz von Verbrennungsmotoren kann durch Variation des Motorhubraums erheblich verbessert werden. Dadurch kann bei Bedarf das volle Drehmoment zur Verfügung gestellt werden - wenn das volle Drehmoment nicht erforderlich ist, können indessen die Pumpverluste deutlich reduziert und der thermische Wirkungsgrad durch Nutzung eines geringeren Hubraums deutlich verbessert werden. Das heutzutage gebräuchlichste Verfahren, einen Motor mit variablem Hubraum zu realisieren, besteht darin, eine Gruppe von Zylindern im Wesentlichen gleichzeitig zu deaktivieren. Dabei werden die den deaktivierten Zylindern zugeordneten Einlass- und Auslassventile geschlossen gehalten und es wird kein Kraftstoff eingespritzt, wenn ein Verbrennungsereignis übersprungen werden soll. Beispielsweise kann ein 8-Zylinder-Motor mit variablem Hubraum die Hälfte der Zylinder (d. h. 4 Zylinder) deaktivieren, sodass er nur mit den restlichen 4 Zylindern betrieben wird. Heutzutage verfügbare handelsübliche Motoren mit variablem Hubraum unterstützen typischerweise nur zwei oder höchstens drei Hubräume.
Ein anderer Ansatz der Motorsteuerung, der den effektiven Hubraum eines Motors variiert, wird als „Skip Fire“-Motorsteuerung bezeichnet. Generell sieht eine Skip Fire-Motorsteuerung vor, die Zündung bestimmter Zylinder bei ausgewählten Zündungsgelegenheiten selektiv zu überspringen. Somit kann ein bestimmter Zylinder während eines Motorzyklus gezündet werden und dann während des nächsten Motorzyklus übersprungen werden und während des darauffolgenden Motorzyklus selektiv übersprungen oder gezündet werden. Auf diese Weise ist eine noch feinere Steuerung des effektiven Motorhubraums möglich. Beispielsweise würde ein Zünden jedes dritten Zylinders in einem 4-Zylinder-Motor eine effektive Reduzierung auf 1/3 des gesamten Motorhubraums bewirken, was ein Hubraumbruchteil ist, der nicht durch einfaches Deaktivieren eines Satzes von Zylindern zum Erzeugen eines gleichmäßigen Zündmusters erreicht werden kann.
Sowohl Funkenzündungs- als auch Kompressionszündungsmotoren erfordern Abgasreinigungssysteme mit einem oder mehreren Nachbehandlungselementen, um die Emission unerwünschter Schadstoffe, die Verbrennungsnebenprodukte sind, zu begrenzen. Abgaskatalysatoren und Partikelfilter sind zwei gängige Nachbehandlungselemente. Funkenzündungsmotoren verwenden im Allgemeinen einen 3-Wege-Katalysator, der sowohl unverbrannte Kohlenwasserstoffe als auch Kohlenmonoxid oxidiert und Stickoxide (NOx) reduziert. Diese Katalysatoren erfordern, dass die Verbrennungen des Motors im Durchschnitt bei oder nahe einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis liegen, sodass sowohl Oxidations- als auch Reduktionsreaktionen in dem Katalysator stattfinden können. Da Kompressionszündungsmotoren in der Regel mager laufen, können sie sich zur Erfüllung von Emissionsvorschriften nicht ausschließlich auf einen herkömmlichen 3-Wege-Katalysator verlassen. Vielmehr verwenden sie zur Reduzierung von NOx-Emissionen eine andere Art von Nachbehandlungseinrichtung. Diese Nachbehandlungseinrichtungen können Katalysatoren, NOx-Speicherkatalysatoren und selektive katalytische Reduktion („SCR“ - „Selective Catalyst Reduction“) verwenden, um Stickoxide zu molekularem Stickstoff zu reduzieren. Das gängigste SCR-System fügt dem Motorabgas vor dem Durchströmen eines SCR-basierten Katalysators ein Harnstoff/Wasser-Gemisch hinzu. Im SCR-Element zerfällt der Harnstoff in Ammoniak, der mit Distickstoffoxiden im SCR zur Bildung von molekularem Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reagiert. Zudem benötigen Dieselmotoren zur Reduzierung von Rußemissionen häufig einen Partikelfilter.
Um Motoremissionen erfolgreich zu begrenzen, müssen alle Elemente des Nachbehandlungssystems in einem bestimmten erhöhten Temperaturbereich arbeiten, um effizienter zu funktionieren. Da 3-Wege-Katalysatoren in Funkenzündungsmotoren eingesetzt werden, bei denen der Motorluftstrom gesteuert wird, ist es relativ einfach, eine ausreichend hohe Motorabgastemperatur, im Bereich von 400 °C, einzuhalten, um eine effiziente Schadstoffbeseitigung in einem 3-Wege-Katalysator zu ermöglichen. Das Aufrechterhalten einer angemessenen Abgastemperatur in einem Magerverbrennungsmotor ist schwieriger, da die Abgastemperaturen durch überschüssige Luft, die durch den Motor strömt, reduziert werden. Es bedarf verbesserter Verfahren und Vorrichtungen, die zur Steuerung der Abgastemperatur eines Magerverbrennungsmotors über einen weiten Bereich von Motorbetriebsbedingungen in der Lage sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es werden verschiedene Verfahren und Anordnungen zum Erwärmen oder zum Steuern einer Temperatur eines Nachbehandlungselements in einem Abgassystem eines Magerverbrennungsmotors beschrieben. In einem Aspekt umfasst eine Motorsteuerung ein Nachbehandlungselement-Überwachungsgerät und eine Zündzeitpunktbestimmungseinheit. Das Nachbehandlungselement-Überwachungsgerät ist dazu ausgelegt, Daten zu erhalten, die sich auf eine Temperatur eines oder mehrerer Nachbehandlungselemente, wie z. B. eines Abgaskatalysators, beziehen. Diese Daten können in Form eines Nachbehandlungselement-Temperaturmodells vorliegen und/oder können eine direkte Messung oder Erfassung der Temperatur des Nachbehandlungselements umfassen. Die Zündzeitpunktbestimmungseinheit bestimmt eine Zündfolge zum Betreiben der Arbeitskammern des Motors auf eine Skip Fire-Weise. Die Zündfolge basiert zumindest teilweise auf den Nachbehandlungselement-Temperaturdaten.
Einige Umsetzungen umfassen ein Skip Fire-Motorsteuerungssystem, das den Zündungsanteil oder die Zündfolge als Reaktion auf eine Vielzahl von Bedingungen und Motorparameter dynamisch einstellt, einschließlich Sauerstoffsensordaten, NOx-Sensordaten, Abgastemperatur, atmosphärischer Luftdruck, Umgebungsfeuchte, Umgebungstemperatur und/oder Katalysatortemperatur. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Zündfolge von Zündungsgelegenheit zu Zündungsgelegenheit bestimmt.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Magerverbrennungsmotors mit einer Vielzahl von Arbeitskammern während eines Kaltstarts beschrieben. Das Verfahren umfasst Deaktivieren mindestens einer Arbeitskammer, sodass keine Luft durch die Arbeitskammer gepumpt wird, Erhalten von Daten bezüglich einer Temperatur eines Elements in einem Nachbehandlungssystem, und Bestimmen einer Zündfolge zum Betreiben der Arbeitskammern des Motors auf eine Skip Fire-Weise. Die Zündfolge wird zumindest teilweise auf der Grundlage der Nachbehandlungs-Temperaturdaten erzeugt.
Figurenliste
Die Erfindung und ihre Vorteile können am besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden. Es zeigen:

1A ein schematisches Diagramm eines repräsentativen Motorabgassystems für einen beispielhaften Kompressionszündungsmotor.
1B ein schematisches Diagramm eines alternativen repräsentativen Motorabgassystems für einen beispielhaften Kompressionszündungsmotor.
2 einen Verlauf der Abgastemperatur gegenüber der Motorlast für einen beispielhaften Kompressionszündungsmotor.
3 eine Skip Fire-Motorsteuerung gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 eine graphische Darstellung der Abgastemperatur gegenüber der Motorlast für einen beispielhaften Kompressionszündungsmotor, der unter einer Skip Fire-Steuerung arbeitet, wobei übersprungene Zylinder deaktiviert sind.
5 eine graphische Darstellung der Abgastemperatur gegenüber der Motorlast für einen beispielhaften Kompressionszündungsmotor, der unter einer Skip Fire-Steuerung arbeitet, wobei übersprungene Zylinder Luft fördern.
6 einen für den Stand der Technik repräsentativen Verlauf einer Nachbehandlungselement-Temperatur während eines Kaltstarts und über einen Teil eines Fahrzyklus.
7 einen repräsentativen Verlauf einer Nachbehandlungselement-Temperatur während eines Kaltstarts und über einen Teil eines Fahrzyklus unter Anwendung der Skip Fire-Steuerung.

In den Zeichnungen werden teilweise gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Strukturelemente zu bezeichnen. Es versteht sich außerdem, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch und nicht maßstabsgetreu sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Skip Fire-Motorsteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor - und insbesondere für Magerverbrennungsmotoren. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung Anordnungen und Verfahren zum Steuern der Abgastemperatur, um den Wirkungsgrad eines Abgasreinigungssystem zu verbessern. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Zündfolge von Zündungsgelegenheit zu Zündungsgelegenheit oder unter Verwendung eines Sigma-Delta- oder äquivalent eines Delta-Sigma-Wandlers bestimmt. Ein solches Skip Fire-Steuerungssystem kann als dynamische Skip Fire-Steuerung definiert werden.
Eine Skip Fire-Motorsteuerung sieht vor, die Zündung bestimmter Zylinder bei ausgewählten Zündungsgelegenheiten selektiv zu überspringen. Somit kann beispielsweise ein bestimmter Zylinder während einer Zündungsgelegenheit gezündet werden und kann dann während der nächsten Zündungsgelegenheit übersprungen werden und während der darauffolgenden selektiv übersprungen oder gezündet werden. Dies steht im Gegensatz zu einem herkömmlichen Betrieb eines Motors mit variablem Hubraum, bei dem ein festgelegter Satz der Zylinder während bestimmter Niedriglast-Betriebsbedingungen deaktiviert wird. Im Skip Fire-Betrieb können die Zündentscheidungen dynamisch getroffen werden; beispielsweise von Zündungsgelegenheit zu Zündungsgelegenheit, obwohl dies nicht erforderlich ist.
Skip Fire-Motorsteuerung kann verschiedene Vorteile bieten, darunter erhebliche Verbesserungen der Kraftstoffeinsparung für Funkenzündungsmotoren, bei denen Pumpverluste durch den Betrieb mit höheren durchschnittlichen MAP-Niveaus reduziert werden können. Da Kompressionszündungsmotoren typischerweise nicht bei niedrigen Krümmerdrücken betrieben werden, bietet die Skip Fire-Steuerung keine signifikante Verringerung der Pumpverluste für diesen Motortyp. Sie bietet jedoch ein Mittel, um die Motorabgastemperatur über einen weiten Bereich von Motorbetriebsbedingungen zu steuern. Insbesondere kann die Skip Fire-Steuerung eingesetzt werden, um die Abgastemperatur so zu erhöhen, dass sie allgemein in einem Bereich gehalten wird, in dem Nachbehandlungs-Abgasreinigungssysteme die Auspuffemissionen effizient reduzieren können. Skip Fire-Steuerung kann eine 10%ige Verbesserung des Wirkungsgrades von Kompressionszündungsmotoren bei leichten Lasten, beispielsweise Lasten unter 1 bar mittlerem Arbeitsdruck („BMEP“ - „Brake Mean Effective Pressure“), bieten.
1A ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Magerverbrennungsmotors und eines Abgassystems. Ein Motor 111 weist eine Anzahl von Arbeitskammern oder Zylindern 114 auf, in denen die Verbrennung stattfindet. Die Abgase aus dem Verbrennungsprozess verlassen die Zylinder 114 über einen Abgaskrümmer 102. Ein Abgassystem 103a umfasst ein oder mehrere Nachbehandlungselemente, um die Emission von Schadstoffen in die Umgebung zu reduzieren. Diese Elemente können einen Partikelfilter 104, einen Oxidationskatalysator 106, ein Reduktionsmitteleinspritzsystem 108 und einen Reduktionskatalysator 113 umfassen. Zusammenfassend können diese verschiedenen Nachbehandlungselemente oder -einrichtungen als Nachbehandlungssystem bezeichnet werden. Der Partikelfilter 104 entfernt Partikel, d. h. Ruß, der im Abgasstrom vorhanden sein kann. Der Oxidationskatalysator 106 oxidiert unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid im Abgasstrom. Da der Motor 111 in der Regel bei magerem Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, ist in der Regel ausreichend Sauerstoff im Abgasstrom vorhanden, um diese Produkte einer unvollständigen Verbrennung zu oxidieren. Das Reduktionsmitteleinspritzsystem 108 führt ein Reduktionsmittel, oft ein Gemisch aus Harnstoff und Wasser, in den Abführstrom ein. Der Reduktionskatalysator 113 kann durch selektive katalytische Reduktion („SCR“ - „Selective Catalytic Reduction“) Distickstoffoxide zu molekularem Stickstoff und Wasser reduzieren. Der Reduktionskatalysator 113 kann zwei Katalysatoren verwenden. Einen ersten Katalysator 110 zur Umwandlung von Harnstoff in dem Reduktionsmittel 108 in Ammoniak und einen zweiten Katalysator 112 zur Umwandlung von Distickstoffoxiden und Ammoniak in molekularen Stickstoff und Wasser. Nach dem Durchlaufen des Reduktionskatalysators 113 verlässt der Abgasstrom das Abgassystem 103a über das Endrohr 124 und gelangt in die Umwelt. Die verschiedenen Nachbehandlungselemente in dem Abgassystem 103a können Schadstoffe aus dem Abgasstrom ausreichend entfernen, sodass es mit aktuellen Umweltvorschriften vereinbar ist.
Das Abgassystem 103a kann zusätzlich einen oder mehrere Sensoren umfassen. Beispielsweise können die Sauerstoffsensoren 109a und 109b vor bzw. nach dem Oxidationskatalysator 106 angeordnet sein. Stromabwärts des Reduktionskatalysators 113 kann ein NOx-Sensor 117 angeordnet sein. In dem Abgassystem 103a können auch ein oder mehrere Temperatursensoren aufgenommen sein. Insbesondere können ein Temperatursensor 107 zum Überwachen der Temperatur des Oxidationskatalysators 106, ein Temperatursensor 105 zum Überwachen der Temperatur des Partikelfilters 104 und ein Temperatursensor 115 zum Überwachen der Temperatur des Reduktionskatalysators 113 vorhanden sein. Zusätzliche Sensoren (in den 1A oder 1B nicht dargestellt), wie ein Temperatursensor im Abgaskrümmer, können in dem Abgassystem aufgenommen sein.
Damit die Nachbehandlungselemente in einem Abgassystem bestimmungsgemäß funktionieren, müssen sie in einem bestimmten erhöhten Temperaturbereich arbeiten. Insbesondere müssen die Katalysatoren sowohl in dem Oxidationskatalysator 106 als auch in dem Reduktionskatalysator 113 in einem relativ engen Temperaturbereich arbeiten. Ein repräsentativer Betriebsbereich für den Reduktionskatalysator kann zwischen 200 °C und 400 °C liegen, obwohl andere Katalysatoren andere Bereiche haben können. Der Oxidationskatalysator kann einen weiteren und etwas höheren Betriebsbereich haben. Das Anordnen des Oxidationskatalysators stromaufwärts des Reduktionskatalysators führt dazu, dass der Oxidationskatalysator in der Regel Abgasen höherer Temperatur ausgesetzt ist, da weniger Zeit für die Abkühlung der Gase im Abgassystem bleibt. Allgemein können Nachbehandlungselemente in dem Abgassystem so angeordnet sein, dass Elemente mit höheren Betriebstemperaturbereichen näher am Motor liegen als die anderen Elemente. So kann das erste Nachbehandlungselement, beispielsweise der Partikelfilter 104 in 1A, den Abgasstrom mit der höchsten Temperatur erfahren. Der Abgasstrom kühlt im Allgemeinen ab, während er durch nachfolgende Elemente im Abgaspfad strömt, es sei denn, in einer der Nachbehandlungseinrichtungen wird durch exotherme chemische Reaktionen, durch eine externe Wärmequelle, durch Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe oder durch eine andere Wärmequelle erhebliche Energie freigesetzt.
Die Temperatur eines Nachbehandlungselementes entspricht in der Regel nahezu der des hindurchströmenden Abgases, obwohl in einigen Fällen durch einen Katalysator ermöglichte exotherme chemische Reaktionen dessen Temperatur erhöhen können. Durch Wärmeübertragung von Abgassystemelementen und Rohrleitungen in die Umgebung kühlen sich die Abgase in der Regel beim Durchströmen durch das Abgassystem ab, obwohl eine fortgesetzte Oxidation von unverbranntem oder teilweise verbranntem Kraftstoff die Abgastemperatur erhöhen kann. Diese Oxidation kann sowohl im Abgasstrom als auch am Oxidationskatalysator auftreten. Auch ist die Masse der Katalysatoren des Nachbehandlungssystems im Vergleich zum Massendurchsatz der Abgase durch die Katalysatoren relativ groß, sodass es in der Regel mehrere Minuten dauert, bis sich die Temperatur der Katalysatoren an die des durchströmenden Abgases angeglichen hat.
Es ist zu beachten, dass die Reihenfolge der Elemente im Nachbehandlungssystem geändert werden kann. Die in 1A gezeigte Anordnung kann für Systeme geeignet sein, bei denen der Partikelfilter 104 keinen aktiven Reinigungs- oder Regenerationsprozess erfordert. 1B zeigt ein alternatives repräsentatives Abgassystem 103b. Ein Unterschied zwischen diesem System und dem in 1A dargestellten Abgassystem 103a, besteht in der Reihenfolge der verschiedenen Nachbehandlungselemente im Abgasstrom. In 1B ist der Oxidationskatalysator 106 stromaufwärts des Partikelfilters 104 angeordnet. Diese Anordnung kann vorteilhaft sein, wenn der Partikelfilter 104 regelmäßig durch einen aktiven Prozess gereinigt werden muss, in dem seine Temperatur auf etwa 500 °C bis 600 °C erhöht wird, um Ruß, der sich an dem Partikelfilter 104 angesammelt hat, zu verbrennen. Der aktive Reinigungsprozess kann das Einbringen unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrom und deren Umwandlung in Wärme durch Oxidation im Oxidationskatalysator 106 umfassen. Durch das Anordnen des Oxidationskatalysators 106 stromaufwärts des Partikelfilters 104 kann die Temperatur des Partikelfilters während des Reinigungsprozesses aktiv gesteuert werden. Alternativ kann der Partikelfilter 104 stromabwärts des Reduktionskatalysators 113 angeordnet sein. Die Reihenfolge der Nachbehandlungselemente kann in Abhängigkeit von ihren Betriebstemperaturbereichen und maximal zulässigen Temperaturen variieren.
Verschiedene andere Merkmale und Elemente, die in den 1A und 1B nicht dargestellt sind, können in dem Abgassystem aufgenommen sein. Solche Elemente können unter anderem ein Abgasrückführungssystem („EGR“ - „Exhaust Gas Recirculation system“), eine Turbine zum Antrieb eines Turboladers und ein Wastegateventil zur Steuerung des Abgasstroms durch die Turbine umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
2 zeigt die Abgastemperatur im Abgaskrümmer (102 in den 1A und 1B) gegenüber der Motorbetriebslast für einen repräsentativen aufgeladenen Kompressionszündungsmotor, der bei 1250 U/min betrieben wird. Die Kurve 280 stellt die Abgastemperatur in Abhängigkeit von der als mittleren Arbeitsdruck (BMEP) ausgedrückten Motorlast für den Fall dar, dass alle Motorzylinder unter im Wesentlichen gleichen Bedingungen zünden. Die Steuerung der Motorleistung erfolgt in der Regel durch Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge, obwohl andere Motorparameter, wie Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und Abgasrückführung, sich auf die Motorleistung auswirken können. Die höchste Ausgangslast ist mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis verbunden, bei dem im Wesentlichen der gesamte Sauerstoff in der Luftladung während der Verbrennung verbraucht wird. Niedrigere Ausgangslasten entsprechen magereren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen und einer Änderung des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung. Ferner ist in 2 als schraffierter Bereich 270 ein Betriebstemperaturbereich für die Motorabgastemperatur, der einen effizienten Nachbehandlungsbetrieb ermöglicht, dargestellt. Der effektive Temperaturbereich kann durch den SCR-Katalysator im Reduktionskatalysator 113 begrenzt sein, der oftmals einen begrenzteren Betriebstemperaturbereich als Oxidationskatalysatoren und Partikelfilter aufweist. Der in 2 dargestellte schraffierte Bereich 270 hat einen Betriebsbereich von etwa 200 °C, was ein typischer Wert ist. Der SCR-Katalysator muss in diesem Temperaturbereich gehalten werden, damit das Nachbehandlungssystem NOx effizient aus dem Abgasstrom entfernen kann. Wenn der SCR-Katalysator innerhalb seines Betriebstemperaturbereichs ist, sind in einigen Fällen die anderen Nachbehandlungselemente innerhalb ihrer jeweiligen Betriebsbereiche. In diesem Fall repräsentiert der Temperaturbetriebsbereich des SCR-Katalysators den Temperaturbetriebsbereich des gesamten Nachbehandlungssystems. Falls andere Nachbehandlungselemente in dem Abgassystem unterschiedliche oder engere Betriebstemperaturbereiche aufweisen, muss der in 2 dargestellte Betriebstemperaturbereich 270 möglicherweise geändert werden.
Es ist zu beachten, dass der in 2 dargestellte Betriebsbereich 270 nicht unbedingt der Betriebstemperaturbereich des Katalysators ist, sondern der Temperaturbereich der Abgase im Abgaskrümmer, der dazu führt, dass der Katalysator in seinem Betriebstemperaturbereich ist. Beispielsweise kann der Betriebstemperaturbereich des SCR-Katalysators 200 °C bis 400 °C betragen und die Abgase können sich bis zum Erreichen des Katalysators um 25 °C abkühlen. Somit repräsentiert der schraffierte Bereich 270 einen Abgastemperaturbereich von etwa 225 °C bis 425 °C. Unterschiedliche Motorbetriebspunkte und Motorkonstruktionen können unterschiedliche stationäre Offsets zwischen der Abgastemperatur und der Temperatur des SCR-Katalysators oder anderer Katalysatoren im Nachbehandlungssystem aufweisen. In einigen Fällen können die Abgastemperaturen im Abgassystem aufgrund exothermer chemischer Reaktionen ansteigen. Die oben für den Katalysator-Temperaturbetriebsbereich und den Temperatur-Offset zwischen dem Katalysator und der Gastemperatur im Abgaskrümmer angegebenen Werte sind lediglich repräsentativ und sollten nicht als Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden.
Aus 2 geht hervor, dass die Abgastemperaturen nur über etwa die Hälfte des Motorbetriebsbereichs in einen für eine effektive NOx-Entfernung akzeptablen Bereich fallen. Vorteilhafterweise kann die Skip Fire-Motorsteuerung dazu eingesetzt werden, die Abgastemperatur über den größten Teil eines Motorbetriebslastbereichs, der in einem typischen Fahrzyklus auftritt, zu steuern, sodass die Temperatur des Nachbehandlungssystems innerhalb ihres Betriebstemperaturfensters bleibt. Insbesondere erhöht das Deaktivieren eines oder mehrerer Zylinder, sodass während eines Arbeitszyklus keine Luft durch einen Zylinder gepumpt wird, die Durchschnittstemperatur der aus dem Motor austretenden Abgase. Ein Zylinder kann deaktiviert werden, indem das bzw. die Zylindereinlassventil(e), das bzw. die Zylinderauslassventil(e) oder sowohl das bzw. die Einlass- als auch das bzw. die Auslassventil(e) deaktiviert wird bzw. werden. Ein effektives Abschalten eines Zylinders führt dazu, dass weniger Luft die durch die Verbrennung erzeugten heißen Abgase verdünnt. Skip Fire-Steuerung kann insbesondere dazu eingesetzt werden, die Temperatur des Abgasstroms unter Niedriglastbedingungen zu erhöhen.
In 3 wird zunächst eine Skip Fire-Motorsteuerung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Motorsteuerung 200 umfasst eine Zündungsanteil-Berechnungseinrichtung 206, eine Zündzeitpunktbestimmungseinheit 204, ein Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216, eine Zündsteuereinheit 240 und ein Nachbehandlungsüberwachungsgerät 202. Die Zündsteuereinheit 240 empfängt Eingaben von der Zündzeitpunktbestimmungseinheit 204, der Nachbehandlungsüberwachungsgerät 202 und dem Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216 und managt den Betrieb der Arbeitskammern eines Motors basierend auf diesem Eingaben.
Der Nachbehandlungsüberwachungsgerät 202 repräsentiert alle geeigneten Module, Mechanismen und/oder Sensoren, die Daten über eine Temperatur eines Nachbehandlungselements erhalten. Er kann der Temperatur des Reduktionskatalysators 113, des Oxidationskatalysators 106 oder des Partikelfilters 104 entsprechen (siehe 1A und 1B). Wenn der Reduktionskatalysator den engsten Betriebsbereich aller Nachbehandlungselemente aufweist, können nur für seine Temperatur repräsentative Daten verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Nachbehandlungsüberwachungsgerät 202 beispielsweise Sauerstoffsensordaten von dem Sauerstoffsensor 109a und/oder dem Sauerstoffsensor 109b enthalten. Das Nachbehandlungsüberwachungsgerät kann auch Messungen von NOx-Sensoren, die vor und nach dem Reduktionskatalysator 113 angeordnet sind, umfassen. Das Nachbehandlungsüberwachungsgerät 202 kann auch solche Eingaben wie Umgebungslufttemperatur, Abgastemperatur im Abgaskrümmer, atmosphärischer Luftdruck, Umgebungsfeuchtigkeit und/oder Motorkühlmitteltemperatur umfassen. Temperaturdaten können unter Verwendung eines oder mehrerer Sensoren, beispielsweise der Temperatursensoren 105, 107 und 115, erhalten werden. In einigen Ausführungsformen benötigen die Motorsteuerung 200 und der Nachbehandlungsüberwachungsgerät 202 keine direkte Messung oder Erfassung der Temperatur eines Nachbehandlungselements. Stattdessen kann ein Algorithmus, der eine oder mehrere Eingaben, wie z. B. ein Katalysatortemperaturmodell, verwendet, zur Bestimmung der Temperatur des Nachbehandlungselements oder -systems verwendet werden. Das Modell basiert auf einem oder mehreren der obigen Parameter (z. B. Sauerstoffsensordaten, NOx-Sensordaten, Abgastemperatur, Umgebungstemperatur, atmosphärischer Luftdruck, Umgebungsfeuchte, etc.), die für eine Katalysatortemperatur repräsentativ sind oder auf eine Katalysatortemperatur bezogen sind. In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination eines Temperaturmodells mit gemessenen Temperaturwerten kombiniert werden, um die Temperaturdaten zu ermitteln. Insbesondere kann das Modell dazu verwendet werden, die Temperatur der Nachbehandlungselemente in vorübergehenden Situationen, wie z. B. beim Motorstart oder bei Übergängen zwischen Motorlasten, vorherzusagen. Die Temperatur eines Nachbehandlungselementes kann in solchen Fällen über ein Vorwärtssteuerungssystem gesteuert werden. In noch weiteren Ausführungsformen schätzt oder erfasst das Nachbehandlungsüberwachungsgerät 202 direkt die Katalysatortemperaturen oder die Temperaturen anderer Elemente in dem Nachbehandlungssystem. Das Nachbehandlungsüberwachungsgerät 202 übermittelt die Nachbehandlungssystem-Temperaturdaten an das Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216, die Zündzeitpunktbestimmungseinheit 204, die Zündsteuereinheit 240 und/oder die Zündungsanteil-Berechnungseinrichtung 206.
Zusätzlich zu den Temperaturdaten des Nachbehandlungsüberwachungsgeräts erhält die Zündungsanteil-Berechnungseinrichtung 206 ein Eingangssignal 210, das ein Soll-Drehmoment anzeigt, oder ein anderes Steuersignal. Das Signal 210 kann von einem Fahrpedalpositionssensor („APP“ - „Accelerator Pedal Position sensor“) oder anderen geeigneten Quellen, wie etwa einem Fahrgeschwindigkeitsregler, einem Drehmomentregler etc., empfangen oder abgeleitet werden.
Basierend auf den obigen Eingaben ist die Zündungsanteil-Berechnungseinrichtung 206 dazu eingerichtet, einen Skip Fire-Zündungsanteil zu bestimmen (d. h. den angesteuerten Zündungsanteil 223). Der Zündungsanteil ist kennzeichnend für den prozentualen Anteil an Zündungen unter den gegenwärtigen (oder angewiesenen) Betriebsbedingungen, die erforderlich sind, um die Soll-Leistung und Nachbehandlungselement-Temperatur zu liefern. Unter bestimmten Bedingungen kann der Zündungsanteil basierend auf dem prozentualen Anteil an optimierten Zündungen bestimmt werden, die erforderlich sind, um die Soll-Ausgangs- und Nachbehandlungselement-Temperatur zu liefern (z. B. wenn die Arbeitskammern an einem im Wesentlichen für die Kraftstoffeffizienz optimierten Betriebspunkt gezündet werden). Es ist zu beachten, dass ein Zündungsanteil auf vielfältige Weise übermittelt oder dargestellt werden kann. Beispielsweise kann der Zündungsanteil die Form eines Zündmusters, einer Zündfolge oder irgendeiner anderen Zündcharakteristik annehmen, die den obengenannten prozentualen Anteil von Zündungen umfasst oder mit sich bringt.
Die Zündungsanteil-Berechnungseinrichtung 206 berücksichtigt unterschiedlichste Parameter, welche die Nachbehandlungselement-Temperatur beeinflussen oder zu deren Anzeige beitragen können. Das heißt, der Zündungsanteil wird zumindest teilweise basierend auf den Nachbehandlungselement-Temperaturdaten, die von dem Nachbehandlungsüberwachungsgerät 202 empfangen werden, bestimmt. Bei einigen Ansätzen basiert der Zündungsanteil auf einer direkten Messung des Nachbehandlungselements. Zusätzlich können zur Bestimmung des Zündungsanteils weitere Informationen, beispielsweise Sauerstoffsensordaten, NOx-Sensordaten, Umgebungslufttemperatur, Abgastemperatur, Katalysatortemperatur, atmosphärischer Luftdruck, Umgebungsfeuchte, Motorkühlmitteltemperatur, etc., herangezogen werden. Da sich diese Parameter im Laufe der Zeit ändern, kann bei verschiedenen Ausführungsformen der Zündungsanteil als Reaktion auf die Änderungen dynamisch eingestellt werden.
Das Verfahren, das zum Erzeugen des Zündungsanteils verwendet wird, kann in Abhängigkeit von den Anforderungen einer bestimmten Anwendung stark variieren. Bei einem bestimmten Ansatz wird der Zündungsanteil zumindest teilweise als eine Funktion der Zeit erzeugt. Das heißt, es wird ein vorläufiger Wert des Zündungsanteils erzeugt, der in einer vorbestimmten Weise in Abhängigkeit von der seit dem Motorstart vergangenen Zeitspanne eingestellt wird. Der vorläufige Wert kann dann unter Verwendung eines Algorithmus, der auf einem beliebigen der oben genannten Parameter, wie Umgebungslufttemperatur, Abgastemperatur, Katalysatortemperatur, NOx-Sensordaten und/oder Sauerstoffsensordaten, basiert, weiter eingestellt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist bekannt, dass einige Zündungsanteile bei bestimmten Fahrzeug- oder Motorkonstruktionen unerwünschte Geräusche, Schwingungen und Rauigkeit („NVH“ - „Noise, Vibration and Harshness“) verursachen, und solche Zündungsanteile können eingestellt oder vermieden werden. In noch anderen Ausführungsformen wird ein Zündungsanteil basierend auf Nachbehandlungselement-Temperaturdaten aus einer vordefinierten Bibliothek von Zündungsanteilen, die akzeptable NVH-Eigenschaften aufweisen, ausgewählt. Die Nachbehandlungselement-Temperaturdaten können aus einem Nachbehandlungselement-Temperaturmodell erhalten werden oder eine erfasste Nachbehandlungselement-Temperatur sein.
In der dargestellten Ausführungsform ist ein Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216 vorgesehen, das mit der Zündungsanteil-Berechnungseinrichtung 206 zusammenwirkt. Das Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216 weist die Zündsteuereinheit 240 an, ausgewählte Antriebsstrangparameter geeignet einzustellen, um sicherzustellen, dass bei dem angesteuerten Zündungsanteil die tatsächliche Motorleistung im Wesentlichen gleich der angeforderten Motorleistung ist. Beispielsweise kann das Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216 für das Bestimmen des gewünschten Kraftstofffüllstands, der Anzahl von Kraftstoffeinspritzungsereignissen, des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, der Abgasrückführung (EGR) und/oder anderer Motoreinstellungen zuständig sein, die wünschenswert sind, um zu gewährleisten, dass die tatsächliche Motorleistung mit der angeforderten Motorleistung übereinstimmt. In anderen Ausführungsformen kann das Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216 selbstverständlich so angeordnet sein, dass es verschiedene Motoreinstellungen direkt steuert.
In einigen Umsetzungen der vorliegenden Erfindung ist das Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216 dazu ausgelegt, übersprungene Arbeitskammern zwischen verschiedenen Betriebsmodi umzuschalten. Wie zuvor erwähnt, umfasst der Skip Fire-Motorbetrieb das Zünden eines oder mehrerer ausgewählter Arbeitszyklen ausgewählter Arbeitskammern und das Überspringen anderer. In einem ersten Betriebsmodus werden die übersprungenen Arbeitskammern während übersprungener Arbeitszyklen deaktiviert - d. h. für die Dauer des entsprechenden Arbeitszyklus wird sehr wenig oder keine Luft durch die entsprechende Arbeitskammer geleitet. Dieser Betriebsmodus wird durch Deaktivieren der Einlass- und/oder Auslassventile erreicht, die den Luftein- und austritt in die bzw. aus der Arbeitskammer ermöglichen. Sind sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile geschlossen, werden Gase in der Arbeitskammer eingefangen und bilden effektiv eine Gasfeder.
In einem zweiten Betriebsmodus werden die Einlass- und Auslassventile für die übersprungene Arbeitskammer während des entsprechenden Arbeitszyklus nicht abgedichtet und Luft kann durch die Arbeitskammer strömen. In diesem Betriebsmodus findet in der übersprungenen Arbeitskammer keine Verbrennung statt und die durch die übersprungene Arbeitskammer gepumpte Luft wird dem Abgassystem zugeführt. Dies führt dazu, dass der Abgasstrom verdünnt und seine Temperatur gesenkt wird. Außerdem wird überschüssiger Sauerstoff in den Abgasstrom eingeleitet.
In einem dritten Betriebsmodus öffnen sich die Ein- und Auslassventile einer übersprungenen Arbeitskammer und der Kraftstoff wird spät im Arbeitstakt in den Zylinder eingespritzt. Das Ergebnis ist unverbrannter oder nur geringfügig verbrannter Kraftstoff in dem von den übersprungenen Arbeitskammern zugeführten Abgasstrom. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe treten in den Oxidationskatalysator ein und reagieren exotherm mit der Luft aus den übersprungenen Arbeitskammern. Diese Reaktion hilft, den Oxidationskatalysator zu erwärmen. Ein solcher Ansatz kann insbesondere während einer Motorstartphase nützlich sein, in welcher der Oxidationskatalysator schnell erwärmt werden muss, um die Schadstoffemission zu minimieren. In anderen Ausführungsformen können die unverbrannten Kohlenwasserstoffe nützlich sein, um einen Partikelfilter 104 zu reinigen, indem seine Temperatur erhöht wird, um angesammelten Ruß zu verbrennen. Während die Überlegung, Kohlenwasserstoffe in das Abgassystem einzuleiten, in einigen Situationen nützlich sein kann, sollte diese Praxis allgemein vermieden oder minimiert werden, da sie die Kraftstoffeinsparung verringert.
Es versteht sich, dass die übersprungenen Zylinder in jedem der drei Betriebsmodi betrieben werden können, d. h. deaktiviert, mit Betätigung der Ventile ohne Kraftstoffeinspritzung oder mit Einspritzung von Kraftstoff derart, dass sich eine geringe oder keine Verbrennung ergibt. Das heißt, bei einigen Arbeitszyklen kann ein übersprungener Zylinder mit deaktivierten Ventilen und bei einem anschließenden Zyklus mit betätigten Ventilen und bei einem nachstehenden Zyklus mit deaktivierten Ventilen betrieben werden. Ob ein Zylinder übersprungen oder gezündet wird, wird ebenfalls dynamisch gesteuert. Dieser Steuerungsgrad ermöglicht die Optimierung der Mengen an Luft, Sauerstoff und unverbranntem Kraftstoff, die von den übersprungenen Zylindern in das Abgassystem abgegeben werden. Die gezündeten Zylinder erzeugen in der Regel heiße Abgase, die einen Restsauerstoff enthalten, da die Zylinder in der Regel mager betrieben werden, sowie einen Restgehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen.
Eine Steuerung der Emissionen während des Motorstarts ist technisch anspruchsvoll, da die verschiedenen Nachbehandlungselemente ihre Betriebstemperaturen nicht erreicht haben. Zunächst sind bei einem Kaltstart alle Motor- und Auspuffkomponenten kalt. Es kann wünschenswert sein, den Motor mit einem relativ niedrigen Zündungsanteil zu starten, wobei die zündenden Zylinder ein nominell stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweisen, und alle übersprungenen Zylinder in Betriebsmodus eins zu halten, um zu vermeiden, dass Luft in den Oxidationskatalysator gepumpt wird. Sobald das Ansteigen der Temperatur des Oxidationskatalysators begonnen hat, kann Sauerstoff an den Katalysator abgegeben werden, indem zumindest ein Teil der übersprungenen Zylinder im zweiten oder dritten Modus betrieben wird. Gleichzeitig können dem Oxidationskatalysator durch Betreiben der zündenden Zylinder bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder über eine späte Kraftstoffeinspritzung durch die übersprungenen Zylinder, d. h. Betriebsmodus drei, unverbrannte Kohlenwasserstoffe zugeführt werden. Der Sauerstoff und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe können dann im Oxidationskatalysator exotherm reagieren, um dessen Temperatur schneller zu erhöhen. Diese Reaktion kann erst dann auftreten, wenn der Oxidationskatalysator bei oder oberhalb der Kohlenwasserstoff-Anspringtemperatur ist und daher kann es wünschenswert sein, Sauerstoff und unverbrannte Kohlenwasserstoffe erst dann in den Katalysator einzubringen, wenn er diese Temperatur erreicht hat. Sobald der Oxidationskatalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat, können alle übersprungenen Zylinder im Betriebsmodus drei, späte Kraftstoffeinspritzung durch die übersprungenen Zylinder, betrieben werden, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Es ist zu beachten, dass ein Erwärmen des Oxidationskatalysators durch Zuführen von unverbranntem Kraftstoff und Sauerstoff auch andere Nachbehandlungselemente, die stromabwärts des Oxidationskatalysators in dem Abgassystem angeordnet sind, erwärmt. Diese Nachbehandlungselemente können den Reduktionskatalysator und/oder den Partikelfilter umfassen.
In verschiedenen Umsetzungen ist das Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216 dazu ausgelegt, zu bewirken, dass der Motor anhand der Nachbehandlungselement-Temperaturdaten und/oder anderer Motorbetriebsparameter zwischen den drei Betriebsmodi wechselt. Wenn bei einigen Ansätzen die Motorsteuerung beispielsweise feststellt, dass die Temperatur des Nachbehandlungselements unterhalb seines effektiven Betriebstemperaturbereichs, aber oberhalb der Anspringtemperatur liegt (z. B. während eines Kaltstarts oder unter länger andauernden Niedriglastbedingungen), kann das Antriebsstrangparameter-Einstellmodul den dritten Betriebsmodus (z. B. einen Skip Fire-Motorbetrieb, der die Abgabe von unverbrannten Kohlenwasserstoffen an den Oxidationskatalysator umfasst) verwenden. Dieser Betriebsmodus kann dazu beitragen, das Erwärmen des Oxidationskatalysators auf eine Soll-Betriebstemperatur zu beschleunigen. Wenn die Motorsteuerung jedoch feststellt, dass die Temperatur des Oxidationskatalysators hoch genug ist oder eine effektive Temperatur eines Betriebstemperaturbereichs erreicht hat, schaltet das Antriebsstrangparameter-Einstellmodul in den ersten Betriebsmodus um (z. B. Skip Fire-Motorbetrieb mit Zuführung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemisches zu den gezündeten Arbeitskammern und Deaktivierung der übersprungenen Arbeitskammern).
Es kann auch Situationen geben, in denen die Katalysatortemperatur zu hoch ist und eine Kühlung erforderlich ist. Beispielsweise sind Kompressionszündungsmotoren typischerweise mit einem Abgasnachbehandlungs-Steuerungselement gekoppelt, das in einem etwas engeren Bereich von Betriebstemperaturen arbeitet als Funkenzündungsmotoren. In einigen Fällen kann die Temperatur des Nachbehandlungselements diesen Bereich überschreiten. Es ist wünschenswert, derartige Situationen zu vermeiden, da zu hohe Temperaturen das Nachbehandlungselement beschädigen oder dessen Leistung beeinträchtigen können. Dementsprechend stellt die Motorsteuerung bei einigen Ausführungsformen fest, ob das Nachbehandlungselement eine bestimmte Schwellentemperatur überschritten hat. Ist dies der Fall, kann vor jedem Nachbehandlungselement, dessen Temperatur seinen Betriebstemperaturbereich überschreitet, Außenluft in das Abgassystem eingespritzt werden. Die zusätzliche Luft, die durch das Abgassystem strömt, trägt zur Kühlung des Nachbehandlungsabgasreinigungselements bei. Sobald die Motorsteuerung feststellt, dass die Temperatur des Nachbehandlungselements innerhalb eines Soll-Betriebstemperaturbereichs liegt, kann die Außenlufteinspritzung beendet werden.
Es ist zu beachten, dass in einigen Ausführungsformen verschiedene Modi auf verschiedene Arbeitszyklen angewendet werden können. Mit anderen Worten, während eines ausgewählten Arbeitszyklus einer bestimmten Arbeitskammer kann die Arbeitskammer in einem zweiten Modus betrieben werden, während die entsprechende Arbeitskammer schon im nächsten Arbeitszyklus in einem ersten Modus betrieben wird. Mit anderen Worten, in einem Arbeitszyklus kann die übersprungene Arbeitskammer das Durchströmen von Luft zulassen, während die Arbeitskammer schon bei der nächsten Zündungsgelegenheit, die eine übersprungene Arbeitskammer umfasst, deaktiviert und abgedichtet wird. Veränderungen bei der Zufuhr von Luft-Kraftstoff-Gemischen und beim Betrieb der Arbeitskammerventile können sich als Reaktion auf die Abgassystem-Temperaturdaten und/oder eine Vielzahl von Motorbetriebsparametern von einem Arbeitszyklus zum nächsten und von einer Arbeitskammer zur nächsten dynamisch verändern.
Die Zündzeitpunktbestimmungseinheit 204 empfängt Eingaben von der Zündungsanteil-Berechnungseinrichtung 206 und/oder dem Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216 und ist dazu eingerichtet, eine Folge von Zündbefehlen (z. B. das Steuerimpulssignal 213) auszugeben, die bewirken, dass der Motor den von dem angesteuerten Zündungsanteil 223 vorgegebenen prozentualen Anteil von Zündungen liefert. Die Zündzeitpunktbestimmungseinheit 204 kann unterschiedlichste Formen annehmen. Beispielsweise kann die Zündzeitpunktbestimmungseinheit 204 in einigen Ausführungsformen verschiedene Arten von Nachschlagetabellen verwenden, um die gewünschten Steueralgorithmen zu implementieren. In anderen Ausführungsformen werden ein Sigma-Delta-Wandler oder andere Mechanismen verwendet. Die von der Zündzeitpunktbestimmungseinheit 204 ausgegebene Folge von Zündbefehlen (manchmal auch als Steuerimpulssignal 213 bezeichnet) kann an eine Zündsteuereinheit 240 weitergegeben werden, welche die tatsächlichen Zündungen orchestriert.
Einige Umsetzungen umfassen das selektive Zünden bestimmter Arbeitskammern und nicht anderer. Beispielsweise kann während einer Motorstartphase bei einem Kaltstart die Motorsteuerung nur eine bestimmte Teilmenge von Arbeitskammern zünden, die räumlich näher an einem Nachbehandlungselement in dem Abgassystem liegen, d. h. einen kürzeren Abgasströmungspfad zu dem Nachbehandlungselement aufweisen. Da Abgas aus diesen Arbeitskammern einen kürzeren Weg zurücklegt, verliert das Abgas weniger Wärmeenergie und kann dazu beitragen, die Nachbehandlungselemente schneller und effizienter zu erwärmen. Mindestens eine Arbeitskammer kann deaktiviert werden, sodass keine Luft durch die Arbeitskammer gepumpt wird, wodurch die Temperatur der Abgase für eine Anzahl von Arbeitszyklen erhöht wird. Diese mindestens eine deaktivierte Arbeitskammer kann die am weitesten von den zu erwärmenden Nachbehandlungselementen entfernte Arbeitskammer sein.
Die Motorsteuerung 200, die Zündungsanteil-Berechnungseinrichtung 206, das Antriebsstrangparameter-Einstellmodul 216 und die Zündzeitpunktbestimmungseinheit 204 können unterschiedlichste Formen und Funktionen haben. Beispielsweise können die verschiedenen in 3 dargestellten Module in weniger Komponenten eingebaut sein oder ihre Merkmale können von einer größeren Anzahl von Modulen übernommen werden. Der Motorsteuerung können weitere Merkmale und Module hinzugefügt werden. Beispielsweise sind einige geeignete Zündungsanteil-Berechnungseinrichtungen, Zündzeitpunktbestimmungseinheiten, Antriebsstrangparameter-Einstellmodule und andere zugeordnete Module beschrieben in den eigenen US-Patenten Nr. 7,954,474 ; 7,886,715 ; 7,849,835 ; 7,577,511 ; 8,099,224 ; 8,131,445 ; 8,131,447 ; 9,086,020 und 9,120,478 und den US-Patentanmeldungen Nr. 13/774,134 ; 13/963,686 ; 13/953,615 ; 13/886,107 ; 13/963,759 ; 13/963,819 ; 13/961,701 ; 13/843,567 ; 13/794,157 ; 13/842,234 ; 13/004,839 , 13/654,244 und 13/004,844 , von denen jede(s) durch Bezugnahme in seiner/ihrer Gesamtheit für alle Zwecke hierin aufgenommen ist. Alle in den obigen Patentschriften beschriebenen Merkmale, Module und Operationen können der Steuerung 200 hinzugefügt werden. In verschiedenen alternativen Umsetzungen können diese Funktionsblöcke algorithmisch unter Verwendung eines Mikroprozessors, einer ECU oder einer anderen Recheneinrichtung, unter Verwendung von analogen oder digitalen Komponenten, unter Verwendung einer programmierbaren Logik, unter Verwendung von Kombinationen des oben Beschriebenen und/oder auf irgendeine andere geeignete Weise erzielt werden.
4 zeigt die Gastemperatur im Abgaskrümmer gegenüber der Motorbetriebslast für einen repräsentativen aufgeladenen Kompressionszündungsmotor, der bei 1250 U/min mit Skip Fire-Steuerung betrieben wird. Die Motorbetriebslast wird in BMEP bezogen auf den gesamten Hubraum des Motors ausgedrückt, wenn alle Zylinder in Betrieb sind. In 4 sind mehrere Betriebskurven 410a bis 410j dargestellt. Diese entsprechen dem Betreiben des Motors mit unterschiedlichen Zündungsanteilen mit deaktivierten Zylindern, der oben beschriebene Betriebsmodus eins. Die Kurve 410a ganz links entspricht dem niedrigsten Zündungsanteil und die Kurve 410j ganz rechts entspricht dem höchsten Zündungsanteil, d. h. einem Zündungsanteil von 1, wobei alle Zylinder zünden. Die dazwischen liegenden Kurven 410b bis 410i entsprechen aufeinanderfolgenden ansteigenden Zündungsanteilen. Die Kurve 410j, die einem Zündungsanteil von eins entspricht, ist identisch mit dem entsprechenden Abschnitt der in 2 dargestellten Kurve 280. Die gewählten Zündungsanteile können den Zündungsanteilen entsprechen, die akzeptable NVH-Eigenschaften bereitstellen, wie in dem eigenen US-Patent Nr. 9,086,020 und den anhängigen US-Patentanmeldungen Nr. 13/963,686 und 14/638,908 beschrieben. Ebenfalls in 4 dargestellt ist der schraffierte Bereich 270, der die Gastemperatur im Abgaskrümmer darstellt, die erforderlich ist, um ein Nachbehandlungselement in dem Abgassystem in seinen Betriebstemperaturbereich zu bringen. Dieser Bereich ist mit dem in 2 gezeigten schraffierten Bereich 270 identisch.
Innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs kann die erforderliche Motorleistung erzeugt werden, indem man mit einem der in den Kurven 410a bis 410j angegebenen Zündungsanteilen arbeitet und dabei die Motorabgastemperatur innerhalb der erforderlichen Temperaturgrenzen hält. In einigen Fällen können mehrere Zündungsanteile eine akzeptable Motorleistung und eine akzeptable Abgastemperatur liefern. In diesen Fällen kann von der Zündungsanteil-Berechnungseinrichtung 206 (3) zum Betreiben des Verbrennungsmotors der Zündungsanteil ausgewählt werden, der den kraftstoffeffizientesten Betrieb bereitstellt. Die Betrachtung der 4 zeigt, dass der zulässige stationäre Betriebsbereich unter Verwendung der Skip Fire-Steuerung viel größer ist, als der entsprechende Bereich ohne eine solche Steuerung, wie in 2 dargestellt. Ähnliche Betriebskurven 410a bis 410j und Abgaskrümmergas-Temperaturbereiche 470 können für andere Motordrehzahlen erzeugt werden. Generell ermöglicht der Betrieb mit der Skip Fire-Steuerung mit variierenden Zündungsanteilen einen stationären Betrieb über einen weiten Bereich von Motorlasten.
Wie in 4 dargestellt, gibt es einen Bereich von Hochlastzuständen oberhalb von etwa 9,5 bar BMEP, in denen der Motor nicht im stationären Zustand arbeiten und das Element in dem Nachbehandlungssystem in seinem Soll-Temperaturbereich halten kann. Diese hohen Belastungen erfordern den Betrieb aller Zylinder und somit werden keine Zylinder übersprungen, d. h. der Zündungsanteil ist eins. Unter diesen Bedingungen kann die Temperatur des Nachbehandlungssystems verringert werden, indem, wie zuvor beschrieben, Außenluft in das Abgassystem eingeblasen wird. Zudem arbeitet ein Motor bei typischen Fahrzyklen selten über längere Zeiträume in diesem Hochlastbereich. Ein kurzzeitiger Betrieb in diesem Hochlast-Betriebszustand, wie z. B. beim Überholen oder Bergauffahren, führt aufgrund der thermischen Trägheit des Nachbehandlungssystems in der Regel nicht dazu, dass das Nachbehandlungssystem seinen Betriebstemperaturbereich überschreitet. In diesen Fällen muss das Nachbehandlungssystem nicht von außen gekühlt werden, da es seinen Betriebstemperaturbereich nicht überschreitet.
Der Betrieb einer Kompressionszündungsverbrennung mit Skip Fire-Steuerung und Deaktivierung der übersprungenen Zylinder ermöglicht das Beibehalten einer hohen Abgastemperatur über einen großen Motorbetriebsbereich. Hohe Abgastemperaturen sind im Allgemeinen vorteilhaft für einen Partikelfilter (104 in 1A und 1B), der Teil eines Nachbehandlungssystems sein kann. Den Partikelfilter 104 auf einer hohen Temperatur zu halten, fördert die Oxidation der in dem Filter aufgefangenen Rußpartikel.
Einige Partikelfilter 104 erfordern, dass ihre Temperatur regelmäßig auf etwa 500 °C bis 600 °C erhöht wird, um den an dem Filter angesammelten Ruß zu entfernen, damit der Filter wieder funktioniert. Dieser Prozess des aktiven Temperaturmanagements ist sehr kraftstoffaufwendig. Auch wenn der Reinigungs-/Regenerationsprozess je nach Filtergröße nur alle 200 bis 400 Meilen erfolgen muss, kann der Preis für den Kraftstoffverbrauch erheblich sein. Ein Skip Fire-Betrieb kann die Notwendigkeit einer Regeneration reduzieren oder eliminieren, wenn der Partikelfilter 104 so erhitzt wird, dass er den in dem Filter aufgefangenen Ruß vollständig oxidiert und auf diese Weise den Filter reinigt. Bei Skip Fire-Betrieb kann der Partikelfilter im Allgemeinen bei einer höheren Temperatur betrieben werden, was den Rußaufbau verlangsamt und den Zeitraum zwischen den Reinigungszyklen verlängert. In einigen Fällen kann die Skip Fire-Steuerung dazu verwendet werden, die Temperatur des Abgasstroms absichtlich vorübergehend zu erhöhen, um den Partikelfilter 104 in einem aktiven Regenerationsprozess zu reinigen. Ein solches Reinigungsverfahren wird kraftstoffeffizienter sein als Reinigungsverfahren, die darauf beruhen, unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrom einzubringen.
5 zeigt die Abgastemperatur im Abgaskrümmer gegenüber der Motorbetriebslast für einen repräsentativen aufgeladenen Kompressionszündungsmotor, der bei 1250 U/min mit Skip Fire-Steuerung betrieben wird. 5 ist ähnlich zu 4, außer dass die übersprungenen Zylinder nicht deaktiviert sind, sie pumpen Luft ohne jeglichen zugesetzten Kraftstoff (Modus 2). Die verschiedenen Kurven 510a bis 510j repräsentieren den Betrieb bei verschiedenen Zündungsanteilen. Die numerischen Bezeichnungen 510a bis 510j repräsentieren die gleichen Zündungsanteile wie in 4 gezeigt. Die Kurve 510j, die dem Betrieb mit einem Zündungsanteil von eins entspricht, ist identisch mit der Kurve 410j und der Kurve 280. Dies ist der Betriebsmodus zwei wie oben beschrieben. Der schraffierte Bereich 270 ist identisch mit dem in 2 und 4 dargestellten und repräsentiert die Abgastemperatur, die erforderlich ist, um ein Element im Nachbehandlungssystem bis auf dessen Betriebstemperaturbereich zu erwärmen. Die Betrachtung der 5 zeigt, dass der Betrieb im Modus zwei ohne Zusetzen von Kraftstoff zu den übersprungenen Zylindern den Bereich zulässiger stationärer Betriebsbedingungen relativ zu allen zündenden Zylindern (in 2 gezeigt) kaum erweitert. Der Betrieb einiger - pumpender - übersprungener Zylinder im Modus 2 und einiger - deaktivierter - übersprungener Zylinder im Modus 1 kann in einigen Fällen nützlich sein, um die Abgastemperatur zu steuern.
Zwei Betriebsbereiche, in denen eine Skip Fire-Steuerung besonders nützlich ist, sind beim Anfahren und bei niedrigen Lasten, bei denen ein Kompressionszündungsmotor üblicherweise sehr mager läuft. Dies liegt daran, dass der Kraftstofffluss aufgrund der niedrigen Last sehr gering ist. Bei den meisten älteren Kompressionszündungsmotoren kann der Luftstrom nicht weiter reduziert werden, da diese Motoren in der Regel keine Drossel haben. Daher kann die Abgastemperatur für eine effektive NOx-Umwandlung in dem Katalysator mitunter zu niedrig sein. Einige Lösungen nach dem Stand der Technik haben eine Kohlenwasserstoffeinspritzung in das Abgassystem verwendet, um zusätzliche Wärme in dem Abgassystem zu erzeugen, wobei ein oder mehrere Nachbehandlungselemente in ihrem Soll-Betriebstemperaturbereich gehalten werden. Dieses Steuerverfahren verzichtet auf die Kraftstoffeinsparung. Durch die Verwendung einer Skip Fire-Steuerung kann der Bedarf an dieser Kohlenwasserstoffeinspritzung vermieden - oder zumindest deutlich reduziert - werden.
6 zeigt die Temperatur eines Nachbehandlungselements 606 eines Kompressionszündungsmotors nach dem Stand der Technik während des Kaltstarts und eines Teils eines Fahrzyklus. Die Figur zeigt auch die Anspringtemperatur 602, die Temperatur, bei der sich einige Kohlenwasserstoffe im Abgasstrom selbst entzünden, und die untere Grenze des effektiven Betriebsbereichs des Nachbehandlungselements 604. In dieser Figur ist die Anspringtemperatur als 150 °C und der untere Nachbehandlungsbetriebsbereich als 200 °C gezeigt; diese Werte sollten jedoch lediglich als repräsentative Werte behandelt werden und können in der Praxis größer oder kleiner sein.
Zu Beginn des Fahrzyklus ist das Nachbehandlungselement auf Umgebungstemperatur, wobei angenommen wird, dass sie 20 °C beträgt. Das Nachbehandlungselement erreicht die Anspringtemperatur zum Zeitpunkt t₁. Erst nach diesem Zeitpunkt kann das Einspritzen von Kohlenwasserstoffen in den Abgasstrom die Temperatur eines Nachbehandlungselements erhöhen. Bis zum Zeitpunkt t₂, an dem es seinen effektiven Betriebsbereich erreicht, steigt die Temperatur des Nachbehandlungselements weiter an. Vor dem Zeitpunkt t₂ ist das Nachbehandlungselement beim Entfernen von Schadstoffen aus dem Abgasstrom unwirksam. Das Nachbehandlungselement bleibt bis zum Zeitpunkt t₃, der einen verlängerten Niedriglastabschnitt des Fahrzyklus darstellt, bei der Entfernung von Schadstoffen wirksam. In der Zeitspanne zwischen t₃ und t₄ liegt das Nachbehandlungselement unterhalb seines Betriebsbereichs und ist bei der Entfernung von Schadstoffen unwirksam.
Zur Reduzierung von Emissionen ist es wünschenswert, die Anlaufzeit bis das Nachbehandlungselement seine Betriebstemperatur erreicht, zu verkürzen, und die Wahrscheinlichkeit, dass das Nachbehandlungselement bei Niedriglastbedingungen unter seine Betriebstemperatur fällt, zu verringern oder zu beseitigen. 7 zeigt einen repräsentativen Fahrzyklus unter Verwendung der vorliegenden Erfindung. Die Temperatur des Nachbehandlungselements nach dem Stand der Technik ist als die gepunktete Linie 606 dargestellt, die mit der in 6 gezeigten Nachbehandlungstemperatur identisch ist. Die Anspringtemperatur 602 und die untere Grenze der Betriebstemperatur 604 des Nachbehandlungselements sind wie in 6. Die Kurve 608 zeigt die Temperatur des Nachbehandlungselements. Der Zeitpunkt, zu dem das Nachbehandlungselement seine Betriebstemperatur erreicht, ist von t₂ auf t_2' reduziert worden. Außerdem wird das Nachbehandlungselement in der verlängerten Niedriglastphase zwischen t₃ und t₄ innerhalb seines effektiven Betriebsbereichs gehalten. Die Motorsteuerung kann die Temperatur des Nachbehandlungselements etwas oberhalb von dessen minimalem Betriebstemperaturbereich halten, um einen Puffer oberhalb dieses Wertes aufrecht zu erhalten. Das Aufrechterhalten eines Puffers hilft zu verhindern, dass die Temperatur des Nachbehandlungselements unter seinen Betriebsbereich fällt, falls die Motorlast weiter reduziert werden sollte. Somit sind die Motoremissionen über den Fahrzyklus bei der Verwendung der in 7 gezeigten vorliegenden Erfindung gegenüber dem in 6 gezeigten Stand der Technik geringer.
Die Erfindung wurde hauptsächlich im Zusammenhang mit der Steuerung der Zündung von 4-Takt-Kolbenmotoren mit Kompressionszündung, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet sind, beschrieben. Die Kompressionszündung kann eine geschichtete Kraftstoffladung, eine homogene Kraftstoffladung, eine teilweise homogene Ladung oder eine andere Art von Kraftstoffladung verwenden. Es versteht sich jedoch, dass die beschriebenen Skip Fire-Ansätze sehr gut für den Einsatz in unterschiedlichsten Verbrennungsmotoren geeignet sind. Dazu gehören Motoren für nahezu jede Art von Fahrzeug - einschließlich Autos, Lastkraftwagen, Boote, Baumaschinen, Flugzeuge, Motorräder, Roller etc.; und nahezu jede andere Anwendung, die das Zünden von Arbeitskammern umfasst und einen Verbrennungsmotor nutzt.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen nutzt das Zündzeitpunktbestimmungsmodul eine Sigma-Delta-Wandlung. Obwohl angenommen wird, dass Sigma-Delta-Wandler sehr gut für den Einsatz in dieser Anwendung geeignet sind, versteht es sich, dass die Wandler eine große Vielzahl von Modulationsschemata verwenden können. Beispielsweise können Pulsbreitenmodulation, Pulshöhenmodulation, CDMA-orientierte Modulation oder andere Modulationsschemata verwendet werden, um das Steuerimpulssignal zu liefern. Einige der beschriebenen Ausführungsformen verwenden Wandler erster Ordnung. In anderen Ausführungsformen können jedoch Wandler höherer Ordnung oder eine Bibliothek vorbestimmter Zündsequenzen verwendet werden.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einlass- und Auslassventilsteuerung komplexer sein als eine einfache binäre Steuerung, d. h. offen oder geschlossen. Ventile mit variablem Hub können verwendet werden und/oder der Ventilöffnungs-/-schließzeitpunkt kann durch einen Nockenphasensteller eingestellt werden. Diese Aktuatoren ermöglichen eine begrenzte Steuerung der Zylinder-MAC („Mass Air Charge“ - Luftmassenladung) ohne Verwendung einer Drossel und die damit verbundenen Pumpverluste. Vorteilhafterweise ermöglicht die Einstellung der Zylinder-MAC eine Steuerung der Kraftstoff/Luft-Stöchiometrie für eine feststehende Kraftstoffladung. Die Verbrennungsbedingungen können dann für eine verbesserte Kraftstoffeffizienz optimiert werden oder um in den Verbrennungsabgasen gewünschte Bedingungen, d. h. Sauerstoffgehalt, Temperatur etc., bereitzustellen.
Obwohl nur einige wenige Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, sollte klar sein, dass die Erfindung in vielen anderen Formen implementiert werden kann, ohne vom Gedanken oder Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise beschreiben die Zeichnungen und die Ausführungsformen teilweise spezifische Anordnungen, Arbeitsschritte und Steuerungsmechanismen. Es sollte klar sein, dass diese Mechanismen und Schritte so modifiziert werden können, dass sie den Erfordernissen verschiedener Anwendungen entsprechen. Beispielsweise kann die Reihenfolge der verschiedenen Abgasnachbehandlungs-Steuerungselemente in dem in den 1A und 1B gezeigten Abgaspfad verändert werden. Es können zusätzliche Nachbehandlungseinrichtungen verwendet werden und die Funktionen einzelner Elemente können in einem einzigen Element kombiniert werden. Die Verfahren zur Durchführung der Oxidations- und Reduktionsschritte können geändert werden; beispielsweise kann anstelle des SCR-Katalysators eine NOx-Speicherkatalysator verwendet werden. Die Verwendung eines NOx-Adsorbers/ eines NOx-Speicherkatalysators für einen Magerverbrennungsmotor setzt voraus, dass der Motor regelmäßig, etwa alle ein oder zwei Minuten, leicht fett läuft, um das NOx aus dem Adsorber zu spülen und den NOx-Speicherkatalysator zu regenerieren. Da Kompressionszündungsmotoren typischerweise, insbesondere bei niedrigen Lasten, unter sehr mageren Bedingungen arbeiten, ist, um den Motor zum Spülen des NOx-Speicherkatalysators unter fetten Bedingungen zu betreiben, eine erhebliche Verringerung des Luftstroms durch den Motor erforderlich, was normalerweise eine Drosselung des Motorluftstroms erfordert. Der Regenerationsprozess ist auch sehr kraftstoffaufwendig. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zum Spülen von NOx-Speicherkatalysatoren wäre es sehr vorteilhaft, die Skip Fire-Steuerung zu verwenden, um einen NOx-Speicherkatalysator zu spülen. Durch den Einsatz der Skip Fire-Steuerung kann das Erfordernis einer Drossel in dem Motor vermieden werden, wodurch die Kosten und die Komplexität des Motors verringert werden. In anderen Ausführungsformen kann die Verwendung einer Skip Fire-Steuerung zusammen mit einer Motordrossel zur Steuerung der Abgastemperatur verwendet werden.
Darüber hinaus kann die Erfindung, obgleich sie im Wesentlichen hinsichtlich eines Kompressionszündungsmotors beschrieben wurde, auch in fremdgezündeten, fremdzündungsunterstützten oder durch Glühkerzenzündung unterstützten Motoren verwendet werden. Insbesondere ist die Erfindung auf Funkenzündungsmotoren mit Magerverbrennung anwendbar. Diese Motoren haben einige der Eigenschaften von Kompressionszündungsmotoren, wie etwa Sauerstoff im Abgasstrom, sodass sie in der Regel kein herkömmliches Nachbehandlungssystem auf der Basis eines 3-Wege-Katalysators verwenden können. In einigen Ausführungsformen müssen nicht alle Zylinder in einem Motor deaktivierbar sein. Dadurch können die Kosten gegenüber einem Motor, bei dem alle Zylinder deaktivierbar sind, reduziert werden. In einigen Ausführungsformen werden eine oder mehrere der beschriebenen Operationen umgeordnet, ersetzt, modifiziert oder entfernt. Daher sollten die vorliegenden Ausführungsformen als veranschaulichend und nicht als einschränkend betrachtet werden und die Erfindung soll nicht auf die hierin angegebenen Details beschränkt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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US 13886107 [0043]
US 13963759 [0043]
US 13963819 [0043]
US 13961701 [0043]
US 13843567 [0043]
US 13794157 [0043]
US 13842234 [0043]
US 13004839 [0043]
US 13654244 [0043]
US 13004844 [0043]
US 14638908 [0044]

Claims

Motorsteuerung zum Betreiben eines Magerverbrennungsmotors auf eine Skip Fire-Weise, wobei der Motor eine Vielzahl von Arbeitskammern mit mindestens einer Arbeitskammer mit einem deaktivierbaren Einlass- oder Auslassventil umfasst, wobei die Motorsteuerung Folgendes umfasst: ein Nachbehandlungsüberwachungsgerät, das dazu eingerichtet ist, Daten zu erhalten, die sich auf eine Temperatur eines Nachbehandlungselements in einem Motorabgassystem beziehen; und eine Zündzeitpunktbestimmungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Zündfolge zum Betreiben der mindestens einen Arbeitskammer des Motors mit deaktivierbarem Einlass- oder Auslassventil auf eine Skip Fire-Weise zu bestimmen, wobei die Zündfolge zumindest teilweise auf der Grundlage der Temperaturdaten des Nachbehandlungselements erzeugt wird.
Motorsteuerung nach Anspruch 1, wobei die Nachbehandlungselement-Temperaturdaten aus einem Element der Gruppe erhalten werden, die aus einem Nachbehandlungselement-Temperaturmodell und einer erfassten Nachbehandlungselement-Temperatur besteht.
Motorsteuerung nach Anspruch 1, wobei: die Nachbehandlungselement-Temperaturdaten aus einem Nachbehandlungselement-Temperaturmodell erhalten werden; und das Nachbehandlungselement-Temperaturmodell auf einem oder mehreren Elementen basiert, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoffsensordaten, NO_x-Sensordaten, Abgastemperatur, Umgebungstemperatur, Luftmassenstrom durch den Motor, eingespritztem Kraftstoff, Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, Krümmerdruck, Nockenwellenposition, zurückgehaltenem Restabgas, rückgeführtem Abgas, Umgebungsfeuchte, atmosphärischem Luftdruck und Motorkühlmitteltemperatur.
Motorsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündfolge von Zündungsgelegenheit zu Zündungsgelegenheit bestimmt wird.
Motorsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Nachbehandlungselement ein Abgaskatalysator ist.
Motorsteuerung nach Anspruch 5, wobei das Nachbehandlungselement ein Abgaskatalysator ist, der einen SCR-Katalysator verwendet.
Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Nachbehandlungselement ein NOx-Speicherkatalysator ist.
Motorsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magerverbrennungsmotor ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Kompressionszündungsmotor mit geschichteter Ladung, einem Kompressionszündungsmotor mit homogener Ladung, einem Kompressionszündungsmotor mit teilweise homogener Ladung und einem Magerverbrennungsmotor mit Funkenzündung.
Motorsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Motorsteuerung dazu ausgelegt ist, während des Motorstarts die Arbeitskammer, die am weitesten von dem Nachbehandlungselement entfernt ist, zu deaktivieren.
Motorsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor keine Drossel hat, um den Luftstrom in die Arbeitskammern zu steuern.
Motorsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Motorsteuerung so eingerichtet ist, dass sie zugehörige Einlass- und/oder Auslassventil, das bzw. die während jedes übersprungenen Arbeitszyklus deaktiviert werden sollen, so steuert, dass keine Luft durch die Arbeitskammer gepumpt wird.
Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Elements in einem Nachbehandlungssystem unter Verwendung einer Skip Fire-Motorsteuerung eines Magerverbrennungsmotors mit mehreren Arbeitskammern, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erhalten von Daten bezüglich einer Temperatur eines Nachbehandlungselements in einem Abgassystem; und Bestimmen einer Zündfolge zum Betreiben der Arbeitskammern des Motors auf eine Skip Fire-Weise, sodass einige Arbeitskammerarbeitszyklen übersprungen werden und einige Arbeitskammerarbeitszyklen gezündet werden, wobei die Zündfolge zumindest teilweise auf der Grundlage der Nachbehandlungs-Temperaturdaten erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Nachbehandlungselement ein Abgaskatalysator ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Abgaskatalysator einen SCR-Katalysator verwendet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Nachbehandlungselement ein NO_x-Speicherkatalysator ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Nachbehandlungselement ein Partikelfilter ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 16, wobei die Temperatur des Nachbehandlungselements vorübergehend erhöht wird, um das Nachbehandlungselement aktiv zu regenerieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Magerverbrennungsmotor ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Kompressionszündungsmotor mit geschichteter Ladung, einem Kompressionszündungsmotor mit homogener Ladung, einem Kompressionszündungsmotor mit teilweise homogener Ladung und einem Magerverbrennungsmotor mit Funkenzündung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei während ausgewählter übersprungener Arbeitszyklen die entsprechenden Arbeitskammern deaktiviert werden, sodass während der übersprungenen Arbeitszyklen keine Luft durch die entsprechenden Arbeitskammern gepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei während ausgewählter übersprungener Arbeitszyklen für die entsprechende Arbeitskammer eine späte Kraftstoffeinspritzung verwendet wird, um zu bewirken, dass unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgassystem eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei während des Skip Fire-Betriebs des Motors die Entscheidungen zum Überspringen oder Zünden jedes Arbeitskammer-Arbeitszyklus individuell bei jeder Zündungsgelegenheit getroffen werden.
Verfahren zum Kaltstarten eines Magerverbrennungsmotors mit einer Vielzahl von Arbeitskammern, wobei jede Arbeitskammer so ausgelegt ist, dass sie in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen arbeitet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Betreiben des Magerverbrennungsmotor in einem ersten reduzierten effektiven Hubraummodus durch Deaktivieren mindestens einer der Arbeitskammern während ausgewählter Arbeitszyklen, sodass während der ausgewählten Arbeitszyklen keine Luft durch die entsprechende(n) Arbeitskammer(n) gepumpt wird, wobei der Magerverbrennungsmotor in dem reduzierten effektiven Hubraummodus mindestens solange betrieben wird, bis ein Nachbehandlungselement in einem dem Magerverbrennungsmotor zugeordneten Abgassystem eine Kohlenwasserstoff-Anspringtemperatur erreicht; Bestimmen, ob das Nachbehandlungselement mindestens die Kohlenwasserstoff-Anspringtemperatur erreicht hat; und nachdem festgestellt wurde, dass das Nachbehandlungselement mindestens die Kohlenwasserstoff-Anspringtemperatur erreicht hat, Betreiben des Motors in einem aktiven Skip Fire-Aufwärmbetriebsmodus zumindest bis das Nachbehandlungselement mindestens eine bestimmte Betriebstemperatur erreicht hat, wobei während des Betriebs im aktiven Skip Fire-Aufwärmbetriebsmodus Sauerstoff und unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgassystem geleitet werden, sodass mindestens ein Teil der unverbrannten Kohlenwasserstoffe durch das Nachbehandlungselement oxidiert wird, um das Aufwärmen des Nachbehandlungselements zu beschleunigen.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei während des Betriebs im ersten reduzierten effektiven Hubraummodus nur eine Teilmenge der Arbeitskammern, die räumlich näher an dem Nachbehandlungselement in dem Abgassystem liegen, gezündet werden.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei während des Betriebs in dem ersten reduzierten effektiven Hubraummodus die Arbeitskammern bei einem nominell stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei in dem ersten reduzierten effektiven Hubraummodus ein Skip Fire-Motorbetrieb verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei mindestens einige der unverbrannten Kohlenwasserstoffe unter Verwendung eines fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in zumindest einigen der gezündeten Skip Fire-Arbeitszyklen eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei zumindest ein Teil der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und zumindest ein Teil des überschüssigen Sauerstoffs durch späte Kraftstoffeinspritzung in zumindest einigen der nicht verbrannten Skip Fire-Arbeitszyklen eingeleitet wird.
Verfahren zum Reduzieren von angesammeltem Ruß in einem Partikelfilter, der in einem Abgaspfad eines Magerverbrennungsmotors mit mehreren Arbeitskammern eingesetzt wird, wobei jede Arbeitskammer so ausgelegt ist, dass sie in einer Folge von aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen arbeitet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: während des Betriebs des Magerverbrennungsmotors, Übergehen zu einem vorübergehenden Partikelfilterreinigungsmodus, in dem der Magerverbrennungsmotor in einem Skip Fire-Modus betrieben wird, um die Temperatur der Abgase ausreichend zu erhöhen und um dadurch die Temperatur des Partikelfilters ausreichend zu erhöhen, um den auf dem Partikelfilter angesammelten Ruß zu oxidieren und so zu entfernen, wobei während des Betriebs im Skip Fire-Modus in ausgewählten gezündeten Arbeitszyklen eine Verbrennung bewirkt wird und in ausgewählten übersprungenen Arbeitszyklen keine Verbrennung bewirkt wird; Deaktivieren der entsprechenden Arbeitskammern während mindestens einiger der ausgewählten übersprungenen Arbeitszyklen, um zu verhindern, dass während solcher übersprungener Arbeitszyklen Luft durch solche Arbeitskammern strömt; und wobei während des Betriebs im Skip Fire-Modus bei einem ersten effektiven Hubraum mindestens eine der Arbeitskammern manchmal übersprungen und manchmal gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Partikelfilter auf eine Temperatur im Bereich von etwa 500 °C bis 600 °C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei die entsprechenden Arbeitskammern während aller übersprungener Arbeitszyklen deaktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei bei einigen der übersprungenen Arbeitszyklen eine späte Kraftstoffeinspritzung genutzt wird, um zu bewirken, dass unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgaspfad eingeleitet werden, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe oxidiert werden, um die Erwärmung des Partikelfilters zu unterstützen.