DE102007001553A1 - Verfahren und Steuergerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Ladeluftkühler mit schaltbarer Wärmetauscherfläche - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgestellt, welches die Regeneration eines Rußpartikelfilters auch bei niedriger Teillast der Brennkraftmaschine und geringem Sauerstoffanteil im Abgas ermöglicht. Des Weiteren wird ein schaltbarer und steuerbarer Ladeluftkühler (11) vorgeschlagen, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine sowie einen Ladeluftkühler nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 5.
  • Heutzutage sind Rußpartikelfilter bei Diesel-Brennkraftmaschinen Stand der Technik. Ebenso ist es üblich, dass die Diesel-Brennkraftmaschinen aufgeladen werden. In der Mehrzahl der Fälle wird die Brennkraftmaschine durch einen Abgasturbolader aufgeladen. Allerdings sind auch andere Lader, wie beispielsweise mechanische Kompressoren, einsetzbar.
  • Rußpartikelfilter filtern die im Abgasstrom befindlichen Rußpartikel aus dem Abgas heraus und lagern sie im Filterelement ab. Da mit zunehmender Rußbeladung der Filterelemente der Strömungswiderstand derselben und damit auch der Abgasgegendruck der Brennkraftmaschine ansteigt, ist es von Zeit zu Zeit erforderlich, eine so genannte Regeneration des Rußpartikelfilters vorzunehmen. Dies bedeutet nichts anderes, als dass der im Rußpartikelfilter abgelagerte Ruß abgebrannt wird. Dazu sind Abgastemperaturen von 600° Celsius bis 650° Celsius erforderlich. Bei Vollast werden diese Abgastemperaturen ohne weitere Maßnahmen oder Eingriffe in die Motorsteuerung erreicht.
  • Bei niedrigen Motorlasten und niedrigen Drehzahlen werden die erforderlichen Abgastemperaturen nur erreicht, wenn die Steuerung der Brennkraftmaschine gezielt beeinflusst wird und beispielsweise eine Drosselklappe im Ansaugtrakt weiter geschlossen wird. Außerdem sind einspritzseitige Maßnahmen häufig erforderlich, wie beispielsweise die Verschiebung des Einspritzzeitpunkts der Haupteinspritzung. Zusätzlich können noch Nacheinspritzungen vorgenommen werden, um die Abgastemperatur gezielt zu erhöhen.
  • Insbesondere wenn das Filterelement des Rußpartikelfilters aus einem thermisch kritischen Werkstoff besteht, ist allerdings darauf zu achten, dass die Regeneration des Rußpartikelfilters bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine mit einem geringen Sauerstoffangebot im Abgas erfolgt. Wenn nämlich der Sauerstoffgehalt im Abgas zu hoch ist, können beim Abbrennen des eingelagerten Rußes unzulässig hohe Temperaturen oder Temperaturgradienten auftreten.
  • Dieser Effekt wird dadurch begünstigt, dass bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine naturgemäß der Abgasmassenstrom relativ gering ist, so dass die bei einem zu raschen Abbrand des eingelagerten Rußes entstehende Wärme nicht ausreichend schnell abtransportiert werden kann.
  • Um den bei der Regeneration unerwünscht hohen Sauerstoffanteil im Abgas zu reduzieren, wird im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eine Drosselklappe relativ weit geschlossen, so dass die Brennkraftmaschine weniger Verbrennungsluft ansaugt. Wenn jedoch die Einspritzmengen relativ klein sind, führt diese starke Androsselung häufig zu instabilen Verbrennungen im Brennraum und damit zu Zündaussetzern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine bereitzustellen, welches die Regeneration des Rußpartikelfilters auch in niedrigen Lastbereichen und bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine ermöglicht, bei gleichzeitig stabiler Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Rußpartikelfilter, mit einem Ladeluftkühler und mit einem Steuergerät, wobei der Ladeluftkühler eine Wärmetauscherfläche und steuerbare Mittel zum Deaktivieren mindestens eines Teils der Wärmetauscherfläche aufweist, dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der Wärmetauscherfläche des Ladeluftkühlers deaktiviert wird, wenn der Rußpartikelfilter regeneriert wird und die Brennkraftmaschine im niedrigen Teilbereich betrieben wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren nützt den Effekt aus, dass durch das zeitweilige Deaktivieren des zwischen Turbolader beziehungsweise Kompressor und Brennkraftmaschine angeordneten Ladeluftkühlers die Temperatur der angesaugten Verbrennungsluft angehoben werden kann, so dass auch bei stark angedrosseltem Betrieb der Brennkraftmaschine und kleinen Einspritzmengen eine stabile Verbrennung dieser kleinen in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffmengen möglich ist. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass mit zunehmender Verdichtungsendtemperatur der angesaugten Luft die Zündwilligkeit und Zündfähigkeit der kurz vor OT eingespritzten Kraftstoffmenge erhöht wird, so dass die Stabilität der Verbrennung zunimmt. Da der Ladeluftkühler nur dann gezielt deaktiviert wird, wenn niedrige Lasten und kleine beziehungsweise kleinste Einspritzmengen eingespritzt werden, treten durch das Deaktivieren des Ladeluftkühlers keine thermischen Probleme in der Brennkraftmaschine auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem sehr einfach anwendbar, da lediglich in das ohnehin vorhandene Programm der Steuer- und/oder Regeleinrichtung, welches die Regenerierung des Rußpartikelfilters überwacht und steuert, eine Abfrage eingegeben werden muss, ob ein kritischer Lastbereich der Brennkraftmaschine während der Regeneration erreicht wird. In diesem Fall werden die Mittel zum Deaktivieren der Wärmetauscherfläche des Ladeluftkühlers angesteuert.
  • Nach Abschluss der Regeneration oder wenn die Brennkraftmaschine außerhalb des kritischen Teillastbereichs betrieben wird, kann durch einen weiteren Steuerbefehl die gesamte Wärmetauscherfläche des Ladeluftkühlers wieder aktiviert werden und der Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt nach einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass lediglich ein Steller im Bereich des Ladeluftkühlers erforderlich ist. Sensoren oder sonstige Peripherie ist darüber hinaus nicht erforderlich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann aus diesem Grund auch einfach an bereits in Serie gefertigte Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
  • Um einen kritischen Teillastbereich während der Regeneration des Filterelements einfach erkennen zu können, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein Grenzwert mi,Grenz für die eingespritzte Kraftstoffmenge vorgegeben wird und die Wärmetauscherfläche des Ladeluftkühlers deaktiviert wird, wenn die Einspritzmenge, die vom Steuergerät der Brennkraftmaschine ermittelt wird, kleiner ist als der vorgegebene Grenzwert mi,Grenz. Es versteht sich von selbst, dass dieser Grenzwert abhängig vom Hubraum und weiteren Größen der Brennkraftmaschine für jede Brennkraftmaschine gesondert ermittelt werden muss. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine.
  • Des Weiteren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Ladeluftkühler mit einem Einlass und mit einem Auslass für die Verbrennungsluft gelöst, wobei die Verbrennungsluft zwischen Einlass und Auslass eine Wärmetauscherfläche überstreicht und über die Wärmetauscherfläche Wärme an ein den Ladeluftkühler durchströmendes Kühlmedium abgibt, dadurch gelöst, dass steuerbare Mittel zum Deaktivieren mindestens eines Teils der Wärmetauscherfläche vorgesehen sind.
  • Mit diesem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist es möglich, bei Bedarf, das heißt während einer Regeneration im niedrigen Teillastbereich der Brennkraftmaschine, den Wärmetauscher zu deaktivieren, so dass die durch die Aufladung erwärmte Verbrennungsluft im Ladeluftkühler nicht oder nicht nennenswert abgekühlt wird und somit die Temperatur der in den Brennraum gelangenden Verbrennungsluft angehoben wird. Dadurch steigt auch die Temperatur der Verbrennungsluft am Ende des Verdichtungstakts, so dass die Zündfähigkeit verbessert und die Verbrennung auch bei niedrigen Teillastpunkten mit kleinen Einspritzmengen und geringem Sauerstoffüberschuss stabil und kontrolliert erfolgt.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine mit Rußpartikelfilter,
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers und
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers und
  • 4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist schematisiert eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Von der Brennkraftmaschine 1 sind vier in Reihe angeordnete Zylinder durch Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Ein Ansaugtrakt 5 umfasst einen Luftmassensensor 7, einen Ladeluftkühler 11 und eine Drosselklappe 13.
  • Bin Abgastrakt 17 umfasst einen Oxidationskatalysator 19 und einen Rußpartikelfilter 21.
  • Zwischen Ansaugtrakt 5 und Abgastrakt 17 sind eineinen Abgasturbolader 9 und eine Abgasrückführung 15 angeordnet.
  • Der Ladeluftkühler 11 ist ein rekuperativer Wärmetauscher, der von Verbrennungsluft 23 durchströmt wird. Des Weiteren wird der Ladeluftkühler 11 wird von einem Kühlmedium, wie Luft oder Wasser, durchströmt.
  • Zwischen der Verbrennungsluft und dem Kühlmedium ist eine Wärmetauscherfläche vorhanden, welche einerseits für die Wärmeübertragung von der Verbrennungsluft auf das Kühlmedium sorgt und andererseits die Vermischung der Verbrennungsluft und des Kühlmediums verhindert. Die Wärmetauscherfläche ist in aller Regel aus einem gut wärmeleitenden Metall, wie Messing oder Aluminium.
  • Bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird die Verbrennungsluft 23 beispielsweise durch den Abgasturbolader 9 verdichtet. Diese Verdichtung führt gleichzeitig zu einer Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft. Um die thermische Belastung der Brennkraftmaschine 1 durch die Aufladung zu verringern, ist bei nahezu allen aufgeladenen – Diesel-Brennkraftmaschinen ein Ladeluftkühler 11 vorgesehen. Dieser Ladeluftkühler 11 dient dazu, die Temperatur der Verbrennungsluft nach dem Turbolader abzusenken und damit die thermische Belastung der Brennkraftmaschine 1 zu reduzieren. Diese Funktion des Ladeluftkühlers 11 wird mit zunehmender Last der Brennkraftmaschine immer wichtiger, da die Brennkraftmaschine im Bereich der Volllast thermisch sehr hoch belastet ist.
  • Wenn der Rußpartikelfilter 21 im niedrigen Teillastbetrieb regeneriert werden soll, wird der Ansaugtrakt 5 durch eine entsprechende Ansteuerung der Drosselklappe 13 stark gedrosselt, um den Sauerstoffanteil im Abgas möglichst gering zu halten, so dass das Verbrennen und Abbrennen des angelagerten Rußes im Rußpartikelfilter 21 nur langsam vonstatten geht. Dadurch wird auch die Energiefreisetzung verzögert und infolgedessen sinken die thermischen Belastungen des Rußpartikelfilters. Nachteilig an dieser Drosselung der Brennkraftmaschine bei der Regeneration im niedrigen Teillastbereich ist, dass die Verbrennung nicht immer stabil ist. So kann die Drift eines Bauteils während der Lebensdauer der Brennkraftmaschine dazu führen, dass die Verbrennung im o. g. Betriebszustand nicht mehr stabil ist.
  • Erfindungsgemäß 1st nun vorgesehen, den Wärmetauscher 11 so auszubilden, dass mindestens Teile der Wärmetauscherfläche deaktivierbar sind. Dies kann dazu genutzt werden, um bei niedrigem Teillastbereich, das heißt bei geringen eingespritzten Kraftstoffmengen, und während der Regeneration des Rußpartikelfilters 21, gezielt die Temperatur der Verbrennungsluft am Ende des Verdichtungstakts anzuheben. Dadurch wird auch bei kleinsten Einspritzmengen und stark gedrosseltem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 eine sichere Zündung und eine stabile Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs erreicht.
  • In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers 11 geschnitten dargestellt.
  • An einer Eintrittsseite 25 tritt die Verbrennungsluft 23 in den Ladeluftkühler 11 ein und verlässt ihn an einer Austrittsseite 27 wieder.
  • Der Ladeluftkühler 11 weist ein Gehäuse 29 auf, in welches zwei Bodenbleche 31 eingesetzt sind. Die Bodenbleche 31 trennen einen Mittelteil 33 des Ladeluftkühlers 11 von der Eintrittsseite 25 und der Austrittsseite 27 gasdicht ab. Zwischen den Bodenblechen 31 sind mehrere Rohre 35 eingesetzt und gasdicht mit den Bodenblechen 31 verbunden. Die Enden der Rohre 35 münden in die Eintrittsseite des Gehäuses 25 beziehungsweise die Austrittsseite 27 des Ladeluftkühlers 11. Dies bedeutet, dass die Verbrennungsluft 23, welche auf der Eintrittsseite 25 in den Ladeluftkühler gelangt, durch die Rohre 33 strömt und den Ladeluftkühler 11 an der Austrittsseite 27 wieder verlässt. Durch den Mittelteil 33 und quer zur Zeichenebene strömt das Kühlmedium (nicht dargestellt) durch den Wärmetauscher 11. Dies bedeutet, dass bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Rohre 35 die Wärmetauscherfläche bilden.
  • An der Austrittsseite 27 des Ladeluftkühlers 11 ist eine Klappe 37 drehbar gelagert. Die Drehbewegung der Klappe 37 ist durch einen gekrümmten Pfeil (ohne Bezugszeichen) angedeutet.
  • In der in 2 dargestellten Position der Klappe 37 kann die Luft ungehindert durch die Rohre 35 strömen. Dies ist im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine der Fall. Wenn nun der Rußpartikelfilter 21 regeneriert wird und gleichzeitig die Brennkraftmaschine im niedrigen Teillastbereich arbeitet, wird die Klappe 37 um eine Drehachse 39 um 90° gedreht, so dass die meisten der Rohre 35 durch die Klappe versperrt werden. Dies bedeutet nichts anderes als dass ein wesentlicher Teil der Wärmetauscherfläche deaktiviert wird, so dass die Wärmeübertragung von der Verbrennungsluft 23 auf das Kühlmedium (nicht dargestellt) nahezu vollständig unterbunden wird. Damit wird die Verbrennungsluft 23 im Ladeluftkühler 11 nicht mehr nennenswert abgekühlt und erreicht somit mit vergleichsweise hoher Temperatur die Brennkraftmaschine. Dies führt im Ergebnis dazu, dass die Verdichtungsendtemperatur in der Brennkraftmaschine zunimmt und dadurch eine stabilere Verbrennung auch bei geringem Luftüberschuss und kleinen Einspritzmengen erfolgt.
  • In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind mehrere Klappen 37 vorgesehen, die in geschlossenem Zustand den Mittelteil 33 des Ladeluftkühlers 11 verdecken. In der in 3 dargestellten Position der Klappen 37, kann das Kühlmedium, insbesondere die Kühlluft, ungehindert von den Klappen 37 senkrecht zur Zeichnungsebene durch den Mittelteil 33 des Ladeluftkühlers 11 strömen.
  • Wenn die Klappen 37 um 90° gedreht werden (nicht dargestellt) versperren diese der Kühlluft den Weg durch den Mittelteil 33 des Ladeluftkühlers 11, so dass die Wärmetauscherfläche deaktiviert ist.
  • Alternativ wäre es natürlich auch möglich, eine Bypass-Leitung (nicht dargestellt) parallel zum Ladeluftkühler 11 vorzusehen und mittels eines Wegeventils die Verbrennungsluft im Normalbetrieb durch den Ladeluftkühler 11 zu leiten oder während der Regenerierung des Rußpartikelfilters 21 und niedrigem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine durch den Bypass an dem Ladeluftkühler 11 vorbeizuleiten.
  • In 4 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt in einem Startblock. In einem ersten Funktionsblock 39 entscheidet die Steuer- und Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine 1, ob der Rußpartikelfilter 21 regeneriert werden muss. Verfahren zur Bestimmung der Notwendigkeit einer Regeneration sind aus dem Stand der Technik bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung. Aus diesem Grund wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht näher auf den ersten Funktionsblock 39 eingegangen.
  • Wenn keine Regeneration erforderlich ist, wird der Funktionsblock 39 erneut durchlaufen. Wenn eine Regeneration des Partikelfilters 21 stattfindet, wird in einem zweiten Funktionsblocks 41 geprüft, ob die eingespritzte Kraftstoffmenge mi kleiner als ein Grenzwert mi,Grenz ist. Wenn dieser Grenzwert nicht unterschritten wird, wird der erster Funktionsblock 39 erneut durchlaufen.
  • Wenn der Grenzwert mi,Grenz unterschritten wird, wird der Ladeluftkühler 11 deaktiviert, indem beispielsweise die Klappe 37 so gedreht wird, dass die Wärmetauscherfläche des Ladeluftkühlers mindestens teilweise deaktiviert wird. Danach verzweigt das Programm wieder in den ersten Funktionsblock.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine (1) mit einem Rußpartikelfilter (21), mit einem Ladeluftkühler (11) und mit einem Steuergerät, wobei der Ladeluftkühler (11) eine Wärmetauscherfläche und steuerbare Mittel zum Deaktivieren mindestens eines Teils der Wärmetauscherfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Wärmetauscherfläche des Ladeluftkühlers (11) deaktiviert wird, wenn der Rußpartikelfilter (21) regeneriert wird und die Brennkraftmaschine (1) im niedrigen Teillastbereich betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Wärmetauscherfläche des Ladeluftkühlers (11) deaktiviert wird, wenn die Einspritzmenge (ml) kleiner als ein vorgegebener Grenzwert (mi,Grenz) ist.
  3. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es alle Schritte eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2 ausführt, wenn es abgearbeitet wird.
  4. Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie alle Schritte eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2 ausführt, wenn sie in Betrieb ist.
  5. Ladeluftkühler, mit einem Einlass (25) und mit einem Auslass (27) für die Verbrennungsluft (23), wobei die Verbrennungsluft (23) zwischen Einlass (25) und Auslass (27) eine Wärmetauscherfläche überstreicht und über die Wärmetauscherfläche Wärme an ein den Ladeluftkühler (11) durchströmendes Kühlmedium abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass steuerbare Mittel zum Deaktivieren mindestens eines Teils der Wärmetauscherfläche vorgesehen sind.
  6. Ladeluftkühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft (23) zwischen Einlass (25) und Auslass (27) durch mehrere parallel geschaltete Rohre (35) geführt wird, und dass mindestens eines der Rohre (35) verschließbar ist.
  7. Ladeluftkühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschließen mindestens eines Rohrs (35) eine oder mehrere drehbare oder schwenkbare Klappen (37) vorgesehen sind.
  8. Ladeluftkühler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustrom des Kühlmediums in den Ladeluftkühler (11) steuerbar ist.
  9. Ladeluftkühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Luft eingesetzt wird, und dass mehrere steuerbare Klappen (37) vorgesehen sind, um bei Bedarf den Zustrom der Kühlluft in den Ladeluftkühler (11) zu verringern.
  10. Ladeluftkühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Ladeluftkühler (11) eine Bypass-Leitung vorgesehen ist, und dass die Verbrennungsluft mittels eines schaltbaren Ventils durch den Ladeluftkühler (11) oder die Bypass-Leitung geleitet werden kann.
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