CH710284A1 - Dieselmotor-Zylinderabschaltung. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrzylinder-Dieselmotor mit Zylinderabschaltung und Abgasnachbehandlungssystem, wobei die Zylinderabschaltung wenigstens einen Zylinder zur Erhöhung der Abgastemperatur des Dieselmotors abschaltet, falls in dem Abgasnachbehandlungssystem eine gemessene Temperatur unterhalb eines bestimmten Wertes liegt.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrzylinder-Dieselmotor mit Zylinderabschaltung und verbesserter Funktionsfähigkeit der Abgasnachbehandlung.

[0002] Die Absenkung des Kraftstoffverbrauchs von Dieselmotoren ist bekanntermassen gesellschaftspolitisch gewünscht und vor allem bei kommerziell eingesetzten Hochleistungsdieselmotoren auch ein extrem wichtiges Verkaufskriterium.

[0003] Dazu müssen Dieselmotoren abgesehen von Kleinmotoren Abgasgrenzwerte einhalten. Die Einhaltung dieser Grenzwerte muss der Hersteller im Rahmen von sogenannten Zertifizierungen anhand von positiven Ergebnissen nachweisen, die sich aus definierten Prüfstandtests eines Motortyps ergeben. Die Einhaltung der Grenzwerte erfordert neben der Reduzierung der Rohemissionen durch innermotorische Massnahmen eine AGN, das heisst eine Abgasnachbehandlung bzw. ein Abgasnachbehandlungssystem. Die AGN umfasst heutzutage vorwiegend einen DPF (Dieselpartikelfilter) oder ein SCR-System (SCR = Selective Catalytic Reduction) bzw. umfasst ein System, welches die beiden genannten Verfahren miteinander kombiniert.

[0004] Es wird dabei zunehmend wichtiger, dass auch bei den sich im Einsatz befindenden Motoren die Emissionen dauerhaft bestimmte Grenzen nicht übersteigen. Hierbei spielt auch die Möglichkeit stichprobenartiger Kontrollen von Feldmotoren bei zukünftigen Verschärfungen der gesetzlichen Emissionsvorschriften eine Rolle.

[0005] Die Funktionsfähigkeit der AGN ist stark abhängig von der Abgastemperatur. Je höher die dortigen Temperaturen sind, desto schneller erfolgen die Reaktionen in den Katalysatoren. Probleme ergeben sich dabei daraus, dass unterhalb einer Temperaturschwelle von ca. 300 °C kann keine komplette Konvertierung des in den Rohemissionen enthaltenen NOx erreicht werden kann, weshalb auch die Einspritzung von Urea reduziert werden muss, um den Ammoniak-Slip am Ausgang der Katalysatoren tief zu halten. Je höher die Temperaturen in den Filtern sind, desto höher ist der dortige Russabbrand. Die Wärmezufuhr in diese AGN-Komponenten erfolgt durch die Abgase des Dieselmotors bzw. sollte bevorzugt durch diese erfolgen, da eine zusätzliche Aufheizung natürlich mit einem erheblichen Mehrverbrauch an Energie verbunden ist.

[0006] Im Fall einer geringen Temperatur der AGN-Komponenten, was nach einem Kaltstart oder nachdem der Dieselmotor bereits über einen bestimmten Zeitraum im unteren Teillastbereich betrieben worden ist der Fall sein kann, muss folglich die Abgastemperatur angehoben werden. Im Allgemeinen wird das erreicht, indem der Dieselmotor beabsichtigt mit nicht-optimalem (in Bezug auf die chemische Energie des Kraftstoffs und die zeitlich kumulierte mechanische Abgabeleistung) Wirkungsgrad betrieben wird, was entsprechend zu einem Kraftstoffmehrverbrauch führt. Ein einfaches Beispiel einer solchen Betriebsweise ist die Anhebung der Leerlaufdrehzahl sobald die Temperatur in der AGN einen Schwellenwert unterschritten hat.

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor dem Hintergrund der beschriebenen Temperatur-Problematik, einen Mehrzylinder-Dieselmotor bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Funktionsfähigkeit der Abgasnachbehandlung des Dieselmotors erreicht werden kann.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Mehrzylinder-Dieselmotor mit Zylinderabschaltung und Abgasnachbehandlungssystem (AGN) gelöst, wobei die Zylinderabschaltung wenigstens einen Zylinder zur Erhöhung der Abgastemperatur des Dieselmotors abschaltet, falls in dem Abgasnachbehandlungssystem eine gemessene Temperatur unterhalb eines bestimmten Wertes liegt.

[0009] Bei der vorliegend vorgeschlagenen Erfindung können Zylinder deaktiviert werden, sobald der Dieselmotor im unteren bis mittleren Teillastbereich betrieben wird. Diese Massnahme führt zum einen vorteilhaft direkt zu einer Kraftstoffeinsparung. Diese allgemein bekannte Tatsache wird der Vollständigkeit halber im nachfolgenden Text erklärt. Zum anderen stellt die Zylinderabschaltung eine vorteilhaft energieeffiziente Massnahme zur Anhebung der Abgastemperatur dar, die in das Abgastemperaturmanagement einbezogen werden kann. Letzteres stellt eine Neuheit dar und wird ebenfalls im nachfolgenden Text erläutert. Erfindungsgemäss ergibt sich insgesamt ein verbessertes Abgastemperaturmanagement des Dieselmotors. Bei dem Dieselmotor kann es sich um ein Aggregat handeln, dass speziell für den Off-Road-Einsatz ausgelegt ist.

[0010] In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Mehrzylinder-Dieselmotor zur Ansteuerung der Abgasklappen ausgelegt ist. Es ist dabei denkbar, dass die Abgasklappen angesteuert werden, wenn in dem Abgasnachbehandlungssystem eine gemessene Temperatur unterhalb eines bestimmten Wertes liegt. Es können jedoch auch andere Auslöser für die Ansteuerung der Abgasklappen herangezogen werden.

[0011] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Mehrzylinder-Dieselmotor zum Verschieben des Drehzahl-Drehmoment-Betriebspunktes ausgelegt ist. Es ist dabei denkbar, dass der Drehzahl-Drehmoment-Betriebspunkt verschoben wird, wenn in dem Abgasnachbehandlungssystem eine gemessene Temperatur unterhalb eines bestimmten Wertes liegt. Es können jedoch auch andere Auslöser für das Verschieben des Drehzahl-Drehmoment-Betriebspunktes herangezogen werden.

[0012] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Mehrzylinder-Dieselmotor zur Verschiebung der Haupteinspritzung in Bezug auf die Kolbenposition bzw. der Nockenwellen-Phasenlage, und/oder zur Late-Injection, und/oder zur Post-Injection ausgelegt ist. Es ist dabei denkbar, dass die genannten Massnahmen dann durchführbar sind, wenn in dem Abgasnachbehandlungssystem eine gemessene Temperatur unterhalb eines bestimmten Wertes liegt. Es können jedoch auch andere Auslöser für das Durchführen der genannten Massnahmen herangezogen werden.

[0013] In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Mehrzylinder-Dieselmotor zur Ansteuerung der Aktuatorik eines Turboladers ausgelegt ist, wobei die Ansteuerung die gezielte Einstellung des Öffnungsgrads eines Waste-Gate’s und/oder die Verstellung der Turbinenschaufeln bei Vorhandensein eines VTG-Laders umfasst. Es ist dabei denkbar, dass die gezielte Einstellung des Öffnungsgrads des Waste-Gate’s und/oder die Verstellung der Turbinenschaufeln dann erfolgt, wenn in dem Abgasnachbehandlungssystem eine gemessene Temperatur unterhalb eines bestimmten Wertes liegt. Es können jedoch auch andere Auslöser für das Durchführen der genannten Massnahmen herangezogen werden.

[0014] Die vorliegende Erfindung richtet sich auch auf eine Baumaschine oder einen Kran mit wenigstens einem Mehrzylinder-Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

[0015] In einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Kran als Mobilkran ausgebildet ist, arbeitet dessen Dieselmotor überwiegend bis nahezu ausschliesslich im Leerlaufbetrieb. Dies ist dann beispielsweise der Fall, wenn der Mobilkran ein Teil in einer Montagehöhe hält, bis dieses Teil an der vorgesehenen Position fixiert ist. Damit eine beispielsweise durch eine Windböe hervorgerufene unerwünschte Bewegung des Hebeteils kompensiert werden kann, ist es erforderlich, dass der Dieselmotor innerhalb einer sehr kurzen Zeit Leistung abgeben kann.

[0016] Auftretende niedrige Abgastemperaturen können zu einem erhöhten Russeintrag in den DPF führen. Feme kann in das SCR-System unter Umständen nicht genügend Urea eingespritzt werden, wodurch die NOx Emissionen nach der AGN vergleichsweise hoch sind.

[0017] In einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Baumaschine als Planier- und/oder Laderaupe ausgebildet ist, kann der Dieselmotor beim Schieben des Schüttguts unter Volllast, das heisst bei 100% Leistung gefahren werden. Beim Rücksetzten werden dagegen lediglich ca. 30% der Volllastleistung abgerufen, im Leerlaufbetrieb entsprechend noch weniger. Eine erfindungsgemässe Zylinderabschaltung bietet daher auch im Falle des Einsatzes in einer Planier- und/oder Laderaupe entsprechende Vorteile.

[0018] In einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Baumaschine als Radlader ausgebildet ist, kann dessen Dieselmotor bei Einfahren in Schüttgut ebenfalls unter Volllast, das heisst bei 100% Leistung gefahren werden. Auch während der Beschleunigungsphasen im Fahrbetrieb, bei Bergauf-Fahrt oder beim Anheben der beladenen Schaufel kann der Dieselmotor unter Volllast oder annähernd unter Volllast gefahren werden. Ein Teillast-Fahrbetrieb ist dagegen beispielsweise bei Fahrbetrieb auf Untergrund denkbar, der beim Offroad-Einsatz vergleichsweise geringeren Fahrtwiderstand bietet. Ein Leerlaufbetrieb kann ferner dann vorliegen, wenn lediglich diverse Leerlaufverbraucher wie z.B. die Klimatisierung der Fahrerkabine, ein Arbeitsscheinwerfer oder Scheibenwischer betrieben werden.

[0019] Zum Realisieren der Vorteile einer Zylinderabschaltung in einem Leerlaufbetrieb kann es dabei erforderlich sein, einen alternierenden Betrieb mit wechselseitigem Abschalten von Zylindern durchzuführen. Sofern bei laufendem Motor ein Zylinder zu lange abgeschaltet wird, tritt dort, neben anderen Nachteilen, ein stark erhöhter Verschleiss auf. Bezogen auf einen beispielhaft verwendeten 6-Zylinder-Reihenmotor muss jeder Zylinder mit einer Abschaltefunktion ausgestattet sein. In einem oberen Lastbereich kann dabei ein 6-Zylindermodus genutzt werden, während in einem unteren Lastbereich ein 3-Zylindermodus mit alternierendem Zyklus genutzt werden kann.

[0020] Die Erfindung richtet sich ferner auf ein Verfahren zur Zylinderabschaltung bei einem Mehrzylinder-Dieseimotor mit Abgasnachbehandlungssystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in einem Schritt eine Temperatur in dem AGN gemessen wird und in einem weiteren Schritt wenigstens ein Zylinder des Mehrzylinder-Dieselmotors abgeschaltet wird, falls in dem Abgasnachbehandlungssystem die gemessene Temperatur unterhalb eines bestimmten Wertes liegt. Das Verfahren kann dabei Teil eines Abgastemperaturmanagements sein.

[0021] Dabei ist in einem besondere Ausführungsbeispiel denkbar, dass in einem weiteren Schritt oder mehreren weiteren Schritten die Abgasklappen angesteuert werden, und/oder der Drehzahl-Drehpunkt-Betriebspunkt verschoben wird, und/oder die Haupteinspritzung verschoben wird, und/oder eine Late-Injection erfolgt, und/oder eine Post-Injection erfolgt, und/oder eine gezielte Einstellung des Öffnungsgrades eines Waste-Gate’s erfolgt, und/oder die Turbinenschaufel eines Turboladers verstellt wird. Post-Injection ist dabei die aktive Regeneration eines Filters durch eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung.

[0022] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der Abbildungen erläutert. Dabei zeigen: <tb>Fig. 1 :<SEP>Schematische Darstellung einer Zylinderabschaltung; <tb>Fig. 2 :<SEP>Vereinfachte Darstellung wesentlicher Zusammenhänge einer Zylinderabschaltung; <tb>Fig. 3 :<SEP>Qualitative Beschreibung wesentlicher Zusammenhänge einer Zylinderabschaltung; und <tb>Fig. 4a , 4b<SEP>Funktionsnetzwerk eines Abgastemperaturmanagements, in welchem die Zylinderabschaltung einbezogen ist.

[0023] Prinzipiell ist eine Zylinderabschaltung für Verbrennungsmotoren, darunter Diesel-und Ottomotoren, unabhängig von ihrer Topologie (6-Zylinder Reihenmotor, V8-Motor etc.) umsetzbar. Je nach Motor lassen sich die Anzahl und die Lage der abschaltbaren Zylinder variieren. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 1 dargestellt. Auf der linken Seite der Fig. 1 sind die Konfigurationen der jeweils aktiven und abgeschalteten Zylinder für einen Vierzylindermotor aufgezeigt. Die Zahlenbeschriftungen der als Zylindersymbole verwendeten Kreise kennzeichnen die Zündfolge der aktiven Zylinder. Abschaltbare Zylinder sind mit einem Kreuz gekennzeichnet. Unter der Voraussetzung, dass alle Gegebenheiten, die eine Zylinderabschaltung ermöglichen, vorliegen (siehe unten), existieren folglich die drei untereinander dargestellten Konfigurationen: <tb>Oben:<SEP>Alle Zylinder sind aktiv. Das entspricht selbsterklärend auch genau einem Vierzylindermotor ohne Zylinderabschaltung. <tb>Mitte:<SEP>Die beiden äusseren Zylinder bleiben aktiv, die beiden Inneren sind abgeschaltet. <tb>Unten:<SEP>Die beiden inneren Zylinder bleiben aktiv, die beiden Äusseren sind abgeschaltet.

[0024] Auf der rechten Seite der Fig. 1 sind exemplarisch einige der möglichen Konfigurationen in der entsprechend gleichen Darstellungsform exemplarisch für einen 6-Zylinderreihenmotor aufgezeigt. Dort besteht die Möglichkeiten einer gleichzeitigen Abschaltung von drei Zylindern oder einer gleichzeitigen Abschaltung von vier Zylindern.

[0025] An einem Verbrennungsmotor treten im Fall einer Zylinderabschaltung z. T. höhere mechanische Belastungen (z.B. durch stärker ausgeprägte Torsionsschwingungen) oder eine deutlich höhere Neigung zu Vibrationen bzw. einer Verschiebung der Anregungen auf, die möglicherweise unzulässig hohe Resonanzen an einer Stelle oder Komponente des Verbrennungsmotors oder einer anderen Stelle im Antriebsstrang auslösen. Diese mechanischen Randbedingungen sind zwar komplex, aber einschlägig bekannt, genauso wie deren technische Beherrschbarkeit.

[0026] Damit eine Zylinderabschaltung möglich ist, müssen bestimmte Vorkehrungen am Motor getroffen werden. Beispielsweise muss die Möglichkeit geschaffen werden, dass im Fall einer Zylinderabschaltung die Kraftstoffeinspritzung angepasst wird, ggf. schliesst das auch eine Änderung der Zündfolge ein. Weitere Massnahmen sollten getroffen werden, damit die durch die Zylinderabschaltung angestrebte Kraftstoffeinsparung möglichst hoch ist. Hierzu zählt beispielsweise eine Reduktion der Ladewechselverluste, die durch eine Entdrosselung der aktiv verbleibenden Zylinder unterstützt wird.

[0027] Eine wichtige Massnahme ist die Ausrüstung der mit einer Deaktivierungsfunktion auszustattenden Zylinder mit geeigneten Aktuatoren und deren Einbau mit einer entsprechend gestalteten Mechanik, die im Fall einer gewünschten Abschaltung von Zylindern deren Einlass- und Auslassventile im einfachsten Fall dauerhaft geschlossen halten oder diese in einer hierfür vorteilhaften Ventilhubcharakteristik betätigen und im Fall einer Aktivierung dieser Zylinder eine ungestörte Ventilbewegung entsprechend der für den aktiven Betrieb ausgelegten Nockenwellenkontur erfolgen lässt.

[0028] Es ist bekannt, die Umschaltung zwischen Zylinderaktivierung und -Deaktivierung über eine sogenannte Nockenhubumschaltung zu erreichen. Es ist ebenfalls bekannt, elektrisch angesteuerte und hydraulisch betätigende Aktuatoren einzusetzen, die Schaltzeiten in einer Grössenordnung von 30 ms aufweisen.

[0029] Bei einem Verbrennungsmotor der mit einem VVT (Vollvariabler Ventiltrieb) ausgestattet ist, kann eine Zylinderabschaltung bereits als Zusatzfunktion unter Einsatz einer entsprechend konzipierten Nockenwelle bereitgestellt werden.

[0030] Die Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung des wesentlichen Zusammenhangs einer Zylinderabschaltung und zwar exemplarisch für einen 6-Zylindermotor, bei dem drei Zylinder mit einer Deaktivierungsfunktion ausgestattet sind. Das Teilbild oben rechts zeigt einen zur Erklärung geeigneten Zeitverlauf des vom Verbrennungsmotor abgeforderten Drehmoments (Lastmoment). Die Zeit ist dabei über der x-Achse in relativen Einheiten aufgetragen. Zum Zeitpunkt 1 erfolgt eine Reduzierung des Lastmoments. Zum Zeitpunkt 2 unterschreitet diese einen Schwellenwert, d.h. taucht sozusagen in den schraffierten Bereich des Diagramms ein, in dem das auf der linken Bildhälfte dargestellte Kriterium TqDes > TqThd erfüllt wird, welches bei der Freigabe einer Zylinderabschaltung eine solche auslöst.

[0031] Korrespondierend zum besagten Lastmomenten-Zeitverlauf gibt das unten rechts in der Figur gezeigte Diagramm den Zeitverlauf des Mitteldrucks im Zylinder 1 an. Hierbei stellt die gestrichelte Linie den Zeitverlauf des Mitteldrucks im Zylinder 1 für den Fall dar, dass alle Zylinder aktiv bleiben, d.h. keine Zylinderabschaltung vorliegt. Die dickere und durchgezogene Linie deutet den Zeitverlauf des Mitteldrucks im Zylinder 1 an, der sich im Fall einer Abschaltung von drei Zylindern (zum Zeitpunkt 2) gemäss der in der linken Bildseite dargestellten Anordnung ergibt. Der Zusammenhang ist offensichtlich, da im Fall einer Zylinderabschaltung das abgeforderte Drehmoment durch die Expansionen in drei anstatt in sechs Zylinder aufgebracht werden muss. Die dargestellten Zeitverläufe zeigen den zur Erklärung ausreichenden qualitativen Zusammenhang. Anstelle des Zylinders 1 hätte die Erklärung gleichermassen anhand eines beliebigen der drei Zylinder erfolgen können, die sich auf der linken Seite der symbolisch dargestellten Zylinder befinden.

[0032] Bei Ottomotoren führt die im Fall einer Zylinderabschaltung verbundene Erhöhung des Mittedrucks in den aktiv bleibenden Zylindern zu einem deutlichen Anstieg des Motorwirkungsgrades. Bei Dieselmotoren führt eine bezogen auf das Drehzahl-Mitteldruck-Kennfeld gleiche Betriebspunktverschiebung zu einer vergleichsweise geringen Erhöhung des Motorwirkungsgrades, da bei Dieselmotoren physikalisch bedingt die Wirkungsgrade im Drehzahl-Mitteldruck-Kennfeld bei zunehmender Entfernung zum Bestpunkt deutlich weniger abfallen als das bei Ottomotoren der Fall ist. Dies kann als ein Grund dafür gesehen sein, dass die Zylinderabschaltung bei Ottomotoren bereits in Serienprodukten angewendet wird und bei Dieselmotoren nicht. Die Nutzung der Auswirkungen einer Zylinderabschaltung an Dieselmotoren stellt dabei eine Neuheit im vorgestellten Gesamtkonzept dar und wird im Folgenden näher beschrieben.

[0033] Eine Auswahl möglicher Verfahren zur Anhebung der Abgastemperatur ist: Androsselung durch Abgasklappe zur Erhöhung des Abgasgegendrucks Verschiebung der Haupteinspritzung in Bezug auf die Kolbenposition bzw. der Nockenwellenwellen-Phasenlage Late-Injection (innermotorisch) Drehmomenten-Drehzahl-Betriebspunktverschiebung Reduzierung des Ladedrucks. Ist möglich durch einen erhöhten Öffnungsgrad des Waste Gate’s oder durch eine entsprechende Verstellung der Turbinenschaufeln bei Vorhandensein eines VTG-Laders (VTG = Variable-Turbinengeometrie)

[0034] Diese Verfahren bewirken eine in diesem Fall gewünschte Wirkungsgrad-Absenkung des Dieselmotors in Bezug auf die chemische Energie des Kraftstoffs und auf die zeitlich kumulierte mechanische Abgabeleistung, was zu einer Anhebung der Abgastemperatur führt. Post-Injection ist die aktive Regeneration eines Filters durch eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung.

[0035] Bei einem mit einem AGR-System (AGR = Abgasrückführung) ausgestatteten Dieselmotor kann bei Vorhandensein einer entsprechenden Aktuatorik die AGR-Rate verändert werden. Durch Erhöhung der AGR-Rate können gezielt die NOx Rohemissionen reduziert werden, allerdings mit einhergehender Erhöhung der Partikel-Rohemissionen. Gleichermassen können durch eine gezielte Absenkung der AGR-Rate die Partikel-Rohemissionen reduziert werden, allerdings bei einhergehender Erhöhung NOx Rohemissionen.

[0036] Eine elektrische Beheizung der AGN ist für mobile Anwendungen eher impraktikabel und führt selbstverständlich auch zu einem geringeren Systemwirkungsgrad.

[0037] Insbesondere kann die erstgenannte Massnahme der Androsselung durch Abgasklappen eingesetzt werden. Diese Massnahme kann bei niedrigen Drehzahlen des Dieselmotors zu einer als besonders unangenehm empfundenen Emission von Lärm führen. Daher kann diese Androsselung bereits heutzutage, obwohl hierdurch (noch) keine Lärmschutz Grenzwerte tangiert werden, aus Sicht der Kundenakzeptanz nicht bis hin zur Leerlaufdrehzahl angewendet werden. Dabei ist genau im unteren Teillastbetrieb die Anhebung der Abgastemperatur zur Aufrechterhaltung einer Mindestabgastemperatur essentiell, um die Wirksamkeit der AGN zu erhalten. Die Einführung von gesetzlich einzuhaltenden Lärmschutz-Grenzwerten stellt hierbei ein durchaus realistisches Zukunftsszenario dar.

[0038] Die vorliegende Erfindung ergibt für eine in Dieselmotoren angewendete Zylinderabschaltung einen ausreichend grossen Vorteil in Bezug auf den damit verbundenen Mehraufwand. Der Vorteil besteht darin, dass diese Massnahme in das Abgastemperaturmanagement zu dessen Verbesserung einbezogen wird.

[0039] Zur besseren Lesbarkeit nimmt der Text weiterhin auf den in Fig. 2 dargestellten 6-Zylindermotor Bezug, der im 6- oder im 3-Zylindermodus betrieben werden kann. Selbstverständlich sind die nachfolgenden Textinhalte gleichermassen für andere Motorkonfigurationen hinsichtlich der Bauform (Reihenmotor, V-Motor etc.), der Gesamtanzahl sowie der Anzahl und der Lage der Zylinder mit einer Deaktivierungsfunktion übertragbar. Die folgenden Erklärungen inkludieren die Teilsysteme, die derzeit am weitesten verbreitet sind. Aus diesen Teilsystemen sind derzeit AGN-Systeme in unterschiedlicher Auswahl und einer unterschiedlichen Zusammenstellung aufgebaut. Die nachfolgend beschriebenen Zusammenhänge haben auch dann Ihre Gültigkeit, wenn in einem AGN-System weitere hier nicht genannte oder völlig andere Teilsysteme enthalten sind, sofern für die AGN Systemlösung bzw. einem darin enthaltenen Teilsystem oder auch nur einer einzigen Komponente eine Temperaturabhängigkeit der Konvertierungsrate vorliegt, z.B. eine Mindesttemperatur erforderlich ist, damit die volle Wirksamkeit der AGN-Systemlösung dauerhaft besteht bzw. das Wartungsintervall nicht aufgrund geringer Temperaturen verkürzt wird.

[0040] Beim Betrieb des Motors im 3-Zylindermodus wird bei entsprechend gleichem Drehzahl-Drehmomenten-Arbeitspunkt pro Kurbelwellen-Umdrehung eine deutlich geringere Frischluftmenge zugeleitet als im 6-Zylindermodus. Ausserdem steht bei entsprechend gleichem Drehzahl-Drehmomenten-Arbeitspunkt den aktiv bleibenden Zylindern ein höherer Ladedruck zur Verfügung. Da die Energiewandlung von der chemischen Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie in nur drei Zylindern erfolgt, wird bei entsprechend gleichem Drehzahl-Drehmomenten-Arbeitspunkt in den aktiv bleibenden Zylindern ein höheres Temperaturniveau erreicht als dies im 6-Zylindermodus der Fall wäre.

[0041] Das führt zu: <tb>a)<SEP>einer Erhöhung der Abgastemperatur (erwünscht). <tb>b)<SEP>einer Reduzierung der Partikel-Rohemissionen (erwünscht). <tb>c)<SEP>einer Erhöhung der NOx-Rohemissionen (unerwünscht, aber kompensierbar s. Folgesatz).

[0042] Durch den Betrieb des Dieselmotors im 3-Zylindermodus im unteren Teillastbereich wird der Temperaturrückgang im AGN-System kompensiert. Dadurch ergibt sich eine erhöhte NOx Konvertierungsrate, sodass die NOx-Emissionen nach der AGN, d.h. die an die Umwelt abgegebenen und damit die gesetzlich relevanten Emissionen im Endeffekt sogar niedriger sind bzw. aufgrund des Vorliegens der maximalen Konvertierungsrate ausreichend niedrig sind.

[0043] Die Kompensation des besagten Temperaturrückgangs begünstigt auch die Wirksamkeit von Teilsystemen in der AGN, die mittels Oxidation zum Abbau von Schadstoffen beitragen. Beispiele solcher Teilsysteme sind Oxidationskatalysatoren, die teilweise für den Abbau von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zur Einhaltung der Grenzwerte erforderlich sind. Darüber ist der Einsatz von AGN-Systemen denkbar, die mit einem Dieseloxidationskatalysator ausgestattet sind und zwar anstelle eines DPF’s oder die dem DPF zu dessen Ergänzung vorgeschaltet sind.

[0044] Durch die besagte Anhebung der Abgastemperatur wird der erwünschte Russabbrand im DPF unterstützt. Dadurch verlängern sich wiederum die Zeiträume, bis eine aktive Regeneration erforderlich ist. Für diesen Vorgang muss stets zusätzlicher Kraftstoff aufgewendet werden. Gegebenenfalls wird aufgrund der Zylinderabschaltung eine aktive Regeneration überhaupt nicht mehr benötigt. Da ein geringer Anteil des am DPF angelagerten Russes nicht regeneriert werden kann, kann sich gegebenenfalls sogar der Zeitraum verlängern, bis der DPF getauscht oder im ausgebauten Zustand gereinigt werden muss.

[0045] Ungeachtet der passiven und aktiven Regeneration des betriebenen DPF’s kumuliert sich im Laufe seiner Nutzung eine Aschebeladung, die hauptsächlich durch die Rückstände von Motorenöl hervorgerufen wird.

[0046] Unter der Voraussetzung, dass die Abschaltung von drei Zylindern in einer Betriebsphase möglich ist, bewirkt diese eine Erhöhung des Mitteldrucks in Richtung höherer Motorwirkungsgrade, was somit eine direkte Kraftstoffeinsparung hervorruft, die allerdings vergleichsweise niedrig ist. Die mit der Zylinderabschaltung hervorgerufene Abgastemperatur-Erhöhung hat den Vorteil, dass zur Aufrechterhaltung der für das AGN-System erforderlichen Betriebstemperatur bestimmte mit einem Kraftstoffmehrverbrauch behaftete Massnahmen überhaupt nicht oder zumindest in einem geringeren Umfang eingeleitet werden müssen. Damit eine Betriebsweise des AGN-Systems unter Wahrung der Hauptkriterien einer Energieeffizienz und einer Schonung der AGN-Komponenten ermöglicht wird, ist in der Erfindung ein optimiertes Abgastemperaturmanagement unter Einbeziehung aller möglichen Einzelmassnahmen zusätzlich zu der erfindungswesentlichen Zylinderabschaltung möglich.

[0047] Wird nach einem Start eines abgekühlten Dieselmotors und demzufolge auch einer entsprechend abgekühlten AGN dieser über einen gewissen Zeitraum nur im unteren Teillastbereich betrieben, so kann durch das optimierte Abgastemperaturmanagement nach einer wesentlich kürzeren Zeit und/oder unter Einsparung von Kraftstoff der Betriebszustand erreicht werden (verkürzter Warm-Up Lauf der AGN), bei dem das SCR-System bereits für eine Reduktion der NOx-Emissionen sorgt (Überschreitung der SCR light-off Temperatur). Entsprechend verkürzt sich natürlich auch die Zeitdauer bis das SCR-System seine volle Konvertierungsrate erreicht. Völlig analog gilt das für ggf. im AGN-System enthaltene Oxidationskatalysatoren.

[0048] Durch das erfindungsgemäss optimierte Abgastemperaturmanagement wird die AGN bei gleichem Kraftstoffverbrauch des Dieselmotors wesentlich häufiger in einem Bereich höherer Wirksamkeit betrieben. Darüber hinaus könnte sich für bestimmte AGN-Auslegungen die Option ergeben, kleinere Filter oder/und Katalysatoren zu verwenden.

[0049] Der beschriebene Zusammenhang wird durch die drei in Fig. 3 zusammengestellten Diagramme qualitativ beschrieben. Das obere Diagramm zeigt einen angenommen Zeitverlauf des Lastmoments, d.h. das vom Dieselmotor abgeforderte Drehmoment «torque». Der exemplarisch herangezogene Dieselmotor kann mit allen 6 Zylindern – hierfür gelten die gestrichelt gezeichneten Linien der beiden unteren Diagramme – oder im Fall niedriger Lasten mit drei Zylindern betrieben werden, wofür die jeweils dickere durchgezogene Linie in den beiden unteren Diagrammen verwendet wird. «nCyl» gibt die Anzahl der aktiv betriebenen Zylinder über dem betrachteten Zeitraum an.

[0050] Wird der Dieselmotor im unteren Teillastbetrieb im 3-Zylindermodus betrieben, dann bleibt die Abgastemperatur «Texh» auf einem höheren Niveau als bei einem Betrieb mit allen sechs Zylindern.

[0051] Bei einem Stationärbetrieb des Dieselmotors würde das Temperaturniveau in den Komponenten der AGN, in denen die eigentlichen Konversions- bzw. Reinigungsprozesse stattfinden das Temperaturniveau des Abgases bzw. einen etwas darunter liegenden Temperaturwert annehmen. Bei einem transienten Betrieb, bei dem auch Zeiträume im unteren Teillastbereich enthalten sind, ergibt sich eine höhere Durchschnittstemperatur.

[0052] Fig. 4a und 4b zeigen das Funktionsnetzwerk eines Abgastemperaturmanagements, in welchem die Zylinderabschaltung einbezogen ist. Die Beiden Figuren ergeben zusammengenommen das Funktionsnetzwerk. Zur besseren Lesbarkeit werden sie auf zwei Blättern vergrössert wiedergegeben.

[0053] Die schwarz eingefärbten Rechtecke stellen die Eingangsinformationen dar, die z.B. durch Sensoren bereitgestellt werden. Hierbei können folgende Informationen umfasst sein: Massenstrom des Abgases bzw. Massenstrom_Abgas 101, Drehzahl 102 der Kurbelwelle, das an der Kurbelwelle verfügbare Drehmoment 103, die Öltemperatur vor dem Eintritt in den Wärmetauscher durch den das Öl mit dem Motorkühlwasser abgekühlt wird Temp_Oil_ln_WT 104, die Temperatur des zugeführten Kraftstoffs Temp_Kraftstoff 105, die Abgastemperatur nach dem Austritt aus der Turbine des Abgasturboladers Temp_Out_Turbine 106, wobei im Fall einer mehrstufigen Aufladung die Abgastemperatur nach dem Austritt aus der in Bezug auf die Strömungsrichtung letzten Turbine gemeint ist, die Ladelufttemperatur der dem Brennraum zugeführten Luft nach dem Austritt der Luft aus dem Luftfilter Temp_Ladeluft 107, die Luftfeuchte der Luft, die dem Brennraum des Dieselmotors zugeführt wird Luftfeuchte_Out_Luftfilter 108, der Massenstrom der Luft, die dem Brennraum des Dieselmotors zugeführt wird Massenstrom_Ladeluft 109 und der Luftdruck der Luft am Luftverteiler, die dem Brennraum des Dieselmotors zugeführt wird Druck_Ladeluft 110.

[0054] Der Informationsfluss entspricht den Pfeilen, die den als Rechtecke dargestellten Funktionen zugeführt bzw. dort generiert und von dort aus weitergeleitet werden. Einzelne Informationsflüsse werden im Folgenden gesondert herausgegriffen, grundsätzlich sind aber wenigstens alle mit den Pfeilen gekennzeichneten Informationsflüsse denkbar. Die sich am rechten Bildrand von Fig. 4b befindenden Blöcke (ohne Ausgang) kennzeichnen die Ansteuerung vorhandener Aktuatoren. Dabei können die Ansteuerung der Abgasklappen bzw. Ansteuerung_Abgasklappe 21, die Ansteuerung der Aktuatorik des Turbolader bzw. Ansteuerung_Aktuatorik_Turbolader 22 und die Ansteuerung der Aktuatorik der ZAS/Zylinderabschaltung bzw. Ansteuerung_Aktuatorik_ZAS 23 umfasst sein. Ferner kennzeichnen die Blöcke am rechten Bildrand in zwei Fällen den Übergang in ein anderes Funktionsnetzwerk: Anforderung_Betriebspunktverschiebung 31 und Funktionsumfang_CRS 32.

[0055] In der Funktion/dem Block Cylinder-Observer 4 im unteren linken Bereich von Fig. 4a wird der Zustand der mit einer Abschaltfunktion ausgestatteten Zylinder überwacht. Es wird dabei im Wesentlichen überwacht, ob aktuell eine Abschaltung vorliegt bzw. welche Zylinder aktuell abgeschaltet werden dürfen. Dabei kann als Eingangsinformation der Binärzustand aktiv oder passiv für die jeweiligen Zylinder mit Deaktivierungsfunktion lstwert_Zylinder_x_aktiv/passiv 116 eingelesen sein. Als Ausgangsinformation kann der Istwert des Binärzustands aktiv oder passiv des jeweiligen Zylinders ZAS_Status 401 ausgegeben werden und die Information ZAS_Freigabe 402, ob der entsprechende Zylinder mit Deaktivierungsfunktion aufgrund des Betriebsstatus abgeschaltet werden darf oder nicht.

[0056] In dem darüber angeordneten NOx_Modell-Block 5 ist ein Modell enthalten, welches die aktuell vorliegenden NOx-Rohemissionen (d.h. NOx_EngineOut 501) aus bekannten Informationen (z.B. Daten anderer Sensoren) berechnet. Ersatzweise zu diesem Modell könnte am realen Dieselmotor auch ein realer NOx-Sensor zwischen dem Abgassammler und der AGN (am Ausgang der Turbine des Abgasturboladers) angeordnet sein. Das sich im Funktionsnetzwerk oben links befindende Soot-Modell-Block 6 dient zur Berechnung der Partikel-Rohemissionen Soot_EngineOut 601. Bei dem vorliegenden Modell müssen im transienten Betrieb eines Dieselmotors keine genauen Werte bereitstellt werden, es kann vielmehr zur Erkennung von Tendenzen genutzt werden.

[0057] Zwischen den Blöcken Soot-Modell 6 und NOx-Modell 5 befindet sich das OxiKat-Modell 7, dessen Ausgangsgrösse N02/NOx_Ratio 701 den Quotienten aus NO2 und NOx bzw. den Anteil von Stickstoffdioxid im gesamten Vorkommen der emittierten Stickstoffoxide angibt. Als Eingangsgrösse kann das OxiKat-Modell 7 auf die Temperatur an der Messstelle im Oxidationskatalysator Temp_OxiKat 111 zurückgreifen. In den rechts davon angeordneten Blöcken DPF-Modell 8 (Ausgangsgrösse Partikel_AGN_Out 801) und SCR-Modell 9 Ausgangsgrösse NOx_AGN_Out 901) werden die artspezifischen Mengen des Schadstoffausstosses nach der AGN berechnet und zwar in Abhängigkeit der Rohemissionen und der für die Wirksamkeit der besagten AGN-Teilsysteme relevanten Bedingungen. Diese können sein: die Temperatur an der Messstelle im DPF Temp_DPF 112, der Druck im Abgas am Austritt des Systems zur katalytischen NOx-Reduktion Druck_Out-SCR 113, die Temperatur an der Messstelle in der Zuleitung des Ureas bzw. der Betriebsflüssigkeit zur katalytischen NOx-Reduktion TempJJrea 114 und Temperatur an der Messstelle im System zur katalytischen NOx-Reduktion Temp-SCR 115.

[0058] In Abhängigkeit der momentan erforderlichen – noch zulässigen – NOx-Emissionen (s. SCR-Modell 9) wird die zur Konversion erforderliche Urea-Dosierung bzw. Urea_Dosierung 1001 bestimmt (s. Block SCR-Dosierstrategie 10, unterhalb des SCR-Modells 9 angeordnet).

[0059] Zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit eines DPF’s ist dessen Überwachung (siehe Block Ansteuerung_Regeneration_DPF 11 mit Ausgangsgrösse Regeneration_DPF 1101, und Eingangsgrössen des Umgebungsluftdrucks DruckJJmgebung 117 und des Drucks im Abgas an Eintritt des Dieselpartikelfilters Druck_ln_DPF 118, angeordnet oberhalb des DPF-Modells 8) nötig, um im Bedarfsfall eine aktive Regeneration auszulösen und ggf. darüber hinaus gehend, bereits eine Prognose darüber abzugeben, nach welcher Nutzungsdauer eine Regeneration erfolgen muss, also beispielsweise ob diese demnächst, zeitnah oder sofort erforderlich ist. Sofern der verbleibende Zeitraum bis zu dem eine Regeneration erfolgen muss nur von geringer Dauer ist und bei der Anwendung die Regeneration des DPF’s überwiegend aktiv ausgelöst werden muss, (weil in der Anwendung keine/selten länger anhaltenden ausreichend hohen Temperaturen erreicht werden) wäre die Auslösung einer aktiven Regeneration sinnvoll, sobald ein in Bezug auf die Anwendung hohes Temperaturniveau vorliegt.

[0060] Im Block ExhaustGas-TemperatureManager 12 werden die Informationen aus den AGN-Teilsystemen zur Bestimmung der Abgas-Solltemperatur bzw. des Set-poin_Temp_lncrease 1201 gesammelt. Dieser Sollwert wird in den Block Optimierung 13 zugeleitet. Dort werden alle Informationen zusammengeführt und ausgewertet, samt einer Eingangsgrösse zur Temperatur des Motorkühlwassers vor dem Eintritt in den Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme an die Umgebung Temp_WassserEngine_ln_WT 119, damit im Fall einer notwendigen Anhebung der Abgastemperatur zu deren Erreichung die aus den bestehenden Möglichkeiten optimale Massnahmenergreifung ermittelt wird. Eine solche Massnahmenergreifung kann selbstverständlich auch eine Kombination verschiedener Einzelmassnahmen sein.

[0061] Die Optimierungsfunktionalität kann z.B. durch folgenden Ansatz dargestellt werden:

[0062] In der Optimierung ist ein multidimensionaler Zustandsraum hinterlegt, der sämtliche Einflussgrössen erfasst. Aus der Lage der aktuellen entsprechenden Zustandstrajektorie leitet sich unmittelbar die Massnahmenergreifung ab. Das ist möglich, wenn im Vorfeld ausreichende Kenntnisse zur Bedatung des Zustandsraums vorliegen, die beispielsweise durch entsprechende Messungen generiert werden können.

[0063] Die auf der rechten Seite im Funktionsnetzwerk dargestellten Einzelmassnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur sind: <tb>–<SEP>Ansteuerung der Abgasklappe 21 (Einstellung des Öffnungsgrades der Abgasklappe zur Androsselung zur Erhöhung des Abgasgegendrucks) <tb>–<SEP>Drehzahl-Drehmomenten-Betriebspunktverschiebung 31 (einfaches Beispiel: Anhebung der Leerlaufdrehzahl) <tb>–<SEP>Funktionsumfang_CRS 32: Eingriffe in den Funktionsumfang der Kraftstoffeinspritzung <tb><SEP>• Verschiebung der Haupteinspritzung in Bezug auf die Kolbenposition bzw. der Nockenwellen Phasenlage <tb><SEP>• Late-Injection <tb><SEP>• Post-Injection (aktiver Regenerierung des DPF’s) <tb>–<SEP>Ansteuerung_Aktuatorik_Turbolader 22 <tb><SEP>• gezielte Einstellung des Öffnungsgrads eines Waste Gate’s <tb><SEP>• Verstellung der Turbinenschaufeln bei Vorhandensein eines VTG-Laders <tb>–<SEP>Aktuatorik für eine (teilweise) Zylinderabschaltung 23

[0064] Nicht in das dargestellte Funktionsnetzwerk aufgenommen sind die Massnahmen der Elektrische Beheizung der AGN und eine Veränderung der Abgasrückführungsrate. Beide oder eine diese Massnahmen können in das Abgastemperaturmanagement mit einbezogen werden.

[0065] Als Ausgangsgrössen kann der Block Optimierung 13 die folgenden Informationen ausgeben: einen aus der Optimierung 13 bestimmten Androsselungsfaktor für die Abgasklappen Sollwert_Ansteuerung_Abgasklappe 1301, die Vorgabe eine geänderten Drehzahl-Drehmomenten Arbeitspunktes des Dieselmotors Anforderung_Betriebspunktverschiebung 1302, die Veränderung des Einspritzzeitpunktes bzw. der Haupteinspritzung bezogen auf den Positionswinkel der Kurbelwelle Anforderung_lnjection_Angle 1303, die Anforderung einer Nacheinspritzung bzw. Regeneration es Dieselpartikelfilter Anforderung_Post_lnjection 1304, die Anforderung einer Nacheinspritzung Anforderung_Late_lnjection 1305, eine Ansteuerung der Aktuatorik des Turboladers Sollwert_Ansteuerung_Aktuatorik_Turbolader 1306 sowie eine Ansteuerung der Aktuatoren mit denen eine Zylinderdeaktivierung bewirkt werden kann Sollwet_Ansteuerung_Verschiebung_Akuatorik_ZAS 1307.

[0066] In einem Abgastemperaturmanagement bzw. in dem Mehrzylinder-Dieselmotor müssen keineswegs alle der in den Fig. 4a und 4b dargestellten Einzelmassnahmen enthalten sein. Die vorliegende Erfindung umfasst demnach die Einbeziehung einer Zylinderabschaltung in das Abgastemperaturmanagement, und dass im Abgastemperaturmanagement eine Optimierung der durchzuführenden Massnahmenergreifung zwecks ausreichender Anhebung der Abgastemperatur vorgenommen wird. Die Erfindung umfasst ferner, dass in dieser Optimierung die Einzelmassnahme einer zumindest teilweisen Zylinderabschaltung einbezogen wird.

[0067] Sofern im Modell-Kraftstoffverbrauch_Ohne_mit_ZAS 14 erkannt wird, dass eine Zylinderabschaltung energetisch vorteilhaft ist, und eine Freigabe einer Zylinderabschaltung des Cylinder-Obeserver’s vorliegt, kann diese auf ein Signal ZAS_Energiebetrachtung 1401 in der Funktion Ansteuerung_Aktuatorik_ZAS 23 durchgeführt werden und zwar unabhängig davon, ob eine Anhebung der Abgastemperatur erwünscht/notwendig ist.

[0068] Der Block Freigabe_Abgasklappe 15 kann ferner als Ausgangsgrösse Informationen zur Abgasklappe_Freigabe 1501 an den Block Ansteuerung_Abgasklappe 21 übermitteln.

Claims (8)

1. Mehrzylinder-Dieselmotor mit Zylinderabschaltung und Abgasnachbehandlungssystem, wobei die Zylinderabschaltung dann wenigstens einen Zylinder zur Erhöhung der Abgastemperatur des Dieselmotors abschaltet, falls in dem Abgasnachbehandlungssystem eine gemessene Temperatur unterhalb eines bestimmten Wertes liegt.

2. Mehrzylinder-Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzylinder-Dieselmotor zur Ansteuerung der Abgasklappen ausgelegt ist.

3. Mehrzylinder-Dieselmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzylinder-Dieselmotor zum Verschieben des Drehzahl-Drehmoment-Betriebspunktes ausgelegt ist.

4. Mehrzylinder-Dieselmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzylinder-Dieselmotor zur Verschiebung der Haupteinspritzung in Bezug auf die Kolbenposition bzw. der Nockenwellen-Phasenlage, und/oder zur Late-Injection, und/oder zur Post-Injection ausgelegt ist.

5. Mehrzylinder-Dieselmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzylinder-Dieselmotor zur Ansteuerung der Aktuatorik eines Turboladers ausgelegt ist, wobei die Ansteuerung die gezielte Einstellung des Öffnungsgrads eines Waste-Gate’s und/oder die Verstellung der Turbinenschaufeln bei Vorhandenseine eines VTG-Laders umfasst.

6. Baumaschine oder Kran mit wenigstens einem Mehrzylinder-Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Verfahren zur Zylinderabschaltung bei einem Mehrzylinder-Dieselmotor mit Abgasnachbehandlungssystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in einem Schritt eine Temperatur in dem Abgasnachbehandlungssystem gemessen wird und in einem weiteren Schritt wenigstens ein Zylinder des Mehrzylinder-Dieselmotors abgeschaltet wird, falls in dem Abgasnachbehandlungssystem die gemessene Temperatur unterhalb eines bestimmten Wertes liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt oder mehreren weiteren Schritten die Abgasklappen angesteuert werden, und/oder der Drehzahl-Drehpunkt-Betriebspunkt verschoben wird, und/oder die Haupteinspritzung verschoben wird, und/oder eine Late-Injection erfolgt, und/oder eine Post-Injection erfolgt, und/oder eine gezielte Einstellung des Öffnungsgrades eines Waste-Gate’s erfolgt, und/oder die Turbinenschaufel eines Turboladers verstellt wird.