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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Schadstoffbegrenzungssysteme für Fahrzeuge
und insbesondere Schadstoffbegrenzungssysteme, die Stickstoffoxide
in Emissionen reduzieren.
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Hintergrund der Erfindung
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Der
Brennkraftmaschinenbetrieb schließt eine Verbrennung, die Abgas
erzeugt, ein. Während der
Verbrennung wird zum Antreiben eines Kolbens ein Gemisch aus Luft
und Kraftstoff (Luft/Kraftstoff-Gemisch) in einem Zylinder verbrannt.
Der Kolben treibt eine Kurbelwelle drehend an, die letztendlich
eine oder mehrere Nockenwellen dreht. Aus der Verbrennung wird Abgas
erzeugt und von den Zylindern in eine Abgasanlage freigesetzt. Die
freigesetzte Abgasmenge wird durch die Öffnungs- und/oder Schließstellungen
eines Auslassventils geregelt, das von einem mit der Nockenwelle
gekoppelten Nocken mechanisch betätigt wird. Das Abgas kann Rückstände, beispielsweise
Stickstoffoxide (NOx) und Kohlenmonoxid (CO), enthalten.
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Das
Zurückhalten
von Abgas im Zylinder während
des Auspufftakts, das auch als Abgasstau bekannt ist, verbrennt
während
des folgenden Verbrennungstakts erhöhte Niveaus an NOx und kann die
Niveaus der aus der Brennkraftmaschine austretenden Emissionen senken.
Im Einzelnen verdünnt das
Zurückhalten
von Abgasen in dem Brennraum des Zylinders das Luft/Kraftstoff-Gemisch
und verlangsamt die Brennrate. Die verringerte Brennrate führt über einen
längeren
Zeitraum zu erhöhten Brennraumtemperaturen
und verbrennt größere Mengen
an NOx, um Emissionen zu verringern.
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Abgaszurückhalten
kann durch Verstellen der Drehstellung der Auslassnockenwelle zum
Verändern
der Steuerzeiten des Auslassventils verwirklicht werden. Die Ventilzeitsteuerung
bestimmt die Abgasmenge, die während
des Auspufftakts im Zylinder verbleibt. Die NOx-Werte, die bei verschiedenen Drehzahlen
und Lasten zurückgehalten
werden, sind vorbestimmt und in einer statischen Referenztabelle programmiert.
Auch wenn Konstruktionsunterschiede und Bauteilverschleiß den Brennkraftmaschinenbetrieb
beeinflussen können,
ist das Zurückhalten von
Abgas typischerweise auf die statische Referenztabelle beschränkt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Demgemäß sieht
die vorliegende Erfindung ein Steuersystem zum Anpassen der Emissionsniveaus
vor, die aus einer Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle, die
einem Auslassventil zugeordnet ist, und einem Nockenwellenversteller,
der mit der Nockenwelle zusammenwirkt, austreten. Das Steuersystem
umfasst einen NOx-Sensor, der in Ansprechen auf Stickstoffoxide
(NOx) in einem Abgas ein NOx-Signal erzeugt, sowie ein Steuermodul,
das mit dem Nockenwellenversteller in Verbindung steht. Das Steuermodul
empfangt das NOx-Signal und berechnet ein NOx-Niveau des Abgases
beruhend auf dem NOx-Signal. Das Steuermodul vergleicht das NOx-Niveau
mit einem vorgegebenen Schwellenbereich und passt den Nockenwellenversteller
an, um eine Drehstellung zu erreichen, die ein Sollniveau an NOx
aus der Brennkraftmaschine freisetzt, wenn das NOx- Niveau den vorgegebenen
Schwellenbereich übersteigt.
Das Steuermodul speichert einen Drehstellungswert beruhend auf der
Drehstellung des Nockenwellenverstellers in einer Speichervorrichtung, wenn
das NOx-Niveau innerhalb
des vorgegebenen Schwellenbereichs liegt. Die Drehstellung des Nockenwellenverstellers
steuert eine Betätigungszeit, zu
der die Nockenwelle das Auslassventil während einer Drehung der Nockenwelle öffnet.
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Bei
einem Merkmal bestimmt die Auslassventilstellung eine Abgasmenge,
die aus der Brennkraftmaschine austritt.
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Bei
einem anderen Merkmal ist der vorgegebene Schwellenbereich mit einem
oberen Wert des NOx-Niveaus und einem unteren Wert des NOx-Niveaus definiert.
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Bei
einem noch anderen Merkmal umfasst die Speichervorrichtung eine
zweidimensionale Referenztabelle, die durch einen Bereich vorgegebener Drehzahlwerte
(RPM-Werte) und einen Bereich vorgegebener Luftmassenstromwerte
(MAF-Werte) indiziert ist.
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Bei
einem noch anderen Merkmal speichert das Steuermodul einen Drehstellungswert
beruhend auf der Drehstellung gemäß einem entsprechenden Drehzahlwert
und einem entsprechenden Lastwert, die in der Referenztabelle enthalten
sind.
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Bei
einem noch anderen Merkmal verstellt das Steuermodul eine Drehstellung
des Nockenwellenverstellers beruhend auf einem in der Referenztabelle
enthaltenen Drehstellungswert, wenn die Brennkraftmaschine bei einer
entsprechenden Drehzahl und einer entsprechenden Last, die in der
Referenztabelle enthalten sind, arbeitet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung geht aus der näheren Beschreibung und den
beigefügten
Zeichnungen besser hervor. Hierbei zeigen:
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1 ein
funktionales Blockdiagramm eines Brennkraftmaschinen-Steuersystems, das
ein Schadstoffbegrenzungssystem unter Verwendung eines NOx-Sensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorsieht; und
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2 ein
Flussdiagramm, das von einem erfindungsgemäßen Schadstoffbegrenzungssystem ausgeführte Schritte
zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter
Natur und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder
ihre Verwendungszwecke beschränken. Der
Klarheit halber werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen
zum Kennzeichnen ähnlicher
Elemente verwendet. Der Begriff Modul, so wie er hierin verwendet
wird, bezeichnet eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung
(ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam,
dediziert oder Gruppe) samt Speicher, die ein oder mehrere Software-
oder Firmware-Programme ausführen,
eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten,
die die beschriebene Funktionalität vorsehen.
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Unter
Bezug nun auf 1 wird ein Brennkraftmaschinensystem 10 schematisch
gezeigt. Das Brennkraftmaschinensystem 10 umfasst eine
Brennkraftmaschine 12, die ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff (Luft/Kraftstoff-Gemisch
verbrennt, um ein Antriebsmoment zu erzeugen. Durch eine Drosselklappe 16 wird
Luft in einen Ansaugkrümmer 14 gesaugt.
Die Drosselklappe 16 regelt den Luftmassenstrom in den
Ansaugkrümmer 14.
Luft in dem Ansaugkrümmer 14 wird
durch ein (nicht dargestelltes) Einlassventil in die Zylinder 18 befördert. Auch
wenn drei Zylinder 18 dargestellt sind, versteht sich,
dass das erfindungsgemäße Schadstoffbegrenzungssystem
in Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylinder, einschließlich aber
nicht ausschließlich
2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12 Zylinder, umgesetzt werden kann.
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Ein
(nicht dargestelltes) Kraftstoffeinspritzventil spritzt Kraftstoff
ein, der mit der Luft kombiniert wird, wenn sie durch einen (nicht
dargestellten) Ansaugkanal in den Zylinder 18 gesaugt wird.
Das Kraftstoffeinspritzventil kann ein Einspritzventil sein, das einer
(nicht dargestellten) elektronischen oder mechanischen Kraftstoffeinspritzanlage
oder einer anderen Anlage zum Mischen von Kraftstoff mit Ansaugluft
zugeordnet ist. Das Kraftstoffeinspritzventil wird so gesteuert,
dass es ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis in
jedem Zylinder 18 liefert. Typischerweise wird pro 14,7
Lufteinheiten, die in den Zylinder geliefert werden, eine Kraftstoffeinheit
geliefert.
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Ein
Einlassventil 20 öffnet
und schließt
selektiv, um das Luft/Kraftstoff-Gemisch
in den Zylinder 18 eindringen zu lassen. Die Einlassventilstellung
wird durch eine Einlassnockenwelle 22 geregelt. Ein (nicht
dargestellter) Kolben verdichtet das Luft/Kraftstoff-Gemisch in
dem Zylinder 18. Eine (nicht dargestellte) Zündkerze
löst die
Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches aus und treibt den Kolben im
Zylinder 18 an. Der Kolben treibt eine Kurbelwelle 24 zum
Erzeugen eines Antriebsmoments an. Die Kurbelwelle 24 treibt
unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Steuerkette Nockenwellen
drehend an, um die Steuerzeiten der Einlass- und Auslassventile 20, 26 zu
regeln. Auch wenn eine einzelne Einlassnockenwelle und eine einzelne
Auslassnockenwelle 20, 28 gezeigt werden, ist
zu erwarten, dass eine einzelne Nockenwelle oder duale Einlassnockenwellen
und duale Auslassnockenwellen verwendet werden können.
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In
dem Zylinder 18 wird infolge des Verbrennungsprozesses
Abgas erzeugt. Das Abgas wird aus einem (nicht dargestellten) Auslasskanal
heraus in einen Abgaskrümmer 29 gestoßen, wenn
sich ein Auslassventil 26 in einer offenen Stellung befindet. Das
Abgas kann von einer (nicht dargestellten) Abgasbehandlungsanlage
vor dem Austreten in die Atmosphäre
behandelt werden. Auch wenn einzelne Einlass- und Auslassventile 20, 26 gezeigt
werden, versteht sich, dass die Brennkraftmaschine 12 mehrere
Einlass- und Auslassventile 20, 26 pro Zylinder 18 umfassen
kann.
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Einlass-
bzw. Auslass-Nockenwellenversteller 30, 32 verstellen
die Drehstellung der Einlass- bzw. Auslassnockenwellen 22, 28.
Im Einzelnen kann die Drehstellung der Einlass- und Auslassnockenwellen 22, 28 zueinander
oder bezüglich
einer Position des Kolbens im Zylinder 18 oder der Drehstellung
der Kurbelwelle 24 auf spät und/oder früh verstellt
werden. Auf diese Weise können
die Steuerzeiten und/oder der Hub der Einlass- und Auslassventile 20, 26 zueinander
oder bezüglich
einer Position des Kolbens im Zylinder 18 verstellt werden. Durch
Verstellen der Hubstellung des Auslassventils 26 kann die
im Zylinder 18 zurückgehaltene
Abgasmenge angepasst werden.
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Das
Brennkraftmaschinensystem 10 umfasst weiterhin einen NOx-Sensor 34 und
ein Steuermodul 36. Der NOx-Sensor 34 spricht
auf Abgas an und gibt ein NOx-Signal (NOxSIGNAL)
aus, das aus der Brennkraftmaschine 12 austretende NOx-Niveaus
anzeigt. Der NOx-Sensor 34 kann Abgas chemisch, optisch oder
mit Hilfe eines anderen Verfahrens erfassen.
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Das
Steuermodul 36 empfängt
das NOxSIGNAL und passt die Niveaus der
aus der Brennkraftmaschine 12 austretenden Emissionen beruhend
auf einem vorgegebenen Schwellenbereich an. Der Schwellenbereich
kann mit einem oberen Wert des NOx-Niveaus und einem unteren Wert
des NOx-Niveaus festgelegt
werden. Vor dem Verstellen des Auslassnockenwellenverstellers 32 ermittelt
das Steuermodul 36 das aus der Brennkraftmaschine 12 austretende
NOx-Niveau beruhend auf NOxSIGNAL und vergleicht
den Wert des aus der Brennkraftmaschine austretenden NOx mit dem
vorgegebenen Schwellenbereich (NOxTHR).
NOxTHR ist mit einem oberen Wert des NOx-Niveaus
und einem unteren Wert des NOx-Niveaus definiert. Wenn der Wert
des aus der Brennkraftmaschine 12 austretenden NOx nicht
innerhalb von NOxTHR liegt, gibt das Steuermodul 36 ein
Nockenwellenversteller-Steuersignal aus, das den Auslassnockenwellenversteller 32 drehend
anpasst. Der Auslassnockenwellenversteller 32 empfängt das
Nockenwellenversteller-Steuersignal und passt die Position des Auslassnockenwellenverstellers
(θEXHAUST_CAM) drehend an. Die Position des
Nockenwellenverstellers 32 verstellt die Betätigungszeit,
bei der die Auslassnockenwelle 28 das Auslassventil 26 öffnet und/oder
schließt,
auf früh
und/oder spät.
Das Steuermodul 36 wiederholt den vorstehend beschriebenen
Vorgang, bis das Niveau des aus der Brennkraftmaschine 12 austretenden
NOx innerhalb von NOxTHR liegt.
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Das
Steuermodul 36 kann θEXHAUST_CAM in einer zweidimensionalen Referenztabelle
speichern. Die Referenztabelle kann durch einen vorgegebenen Bereich
von Drehzahlwerten (RPM-Werten) und einen vorgegebenen Bereich von
Luftmassenstrom-Einlasswerten (MAF-Einlasswerten) indiziert werden.
Wenn das aus der Brennkraftmaschine 12 austretende NOx
innerhalb von NOxTHR liegt, speichert das
Steuermodul 36 θEXHAUST_CAM entsprechend einem jeweiligen
RPM-Wert und einem jeweiligen MAF-Wert.
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Das
Steuermodul 36 kann bei künftigen Fahrszenarien auf die
Referenztabelle zurückgreifen und
kann die Auslassnockenwelle 28 beruhend auf dem gespeicherten θEXHAUST_CAM anpassen, wenn eine ähnliche
Betriebsbedingung (d. h. eine ähnliche Drehzahl
und eine ähnliche
Last) auftreten.
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Das
Steuermodul 36 gibt zum Beispiel CamADV aus,
um die Auslassnockenwelle 28 auf früh zu verstellen, wenn das Niveau
des aus der Brennkraftmaschine 12 austretenden NOx NOxTHR übersteigt. Das
Verstellen des Auslassnockenwellenverstellers 32 auf früh während des
Auspufftakts verstellt die Betätigungszeit,
zu der die Auslassnockenwelle das Auslassventil 26 schließt, auf
früh. Das
Verstellen der Schließposition
des Auslassventils 26 auf früh verhindert, dass eine Abgasmenge
aus dem Zylinder 18 entweicht. Das zurückgehaltene Abgas verdünnt das Luft/Kraftstoff-Gemisch
und senkt die Verbrennungstemperatur unter einen Punkt, bei dem
sich Stickstoff mit Sauerstoff verbindet, um NOx zu bilden. Dadurch kann
das Niveau des aus der Brennkraftmaschine 12 austretenden
NOx gesenkt werden.
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Das
Steuermodul 36 kann weiterhin ermitteln, ob θEXHAUST_CAM ordnungsgemäß angepasst wurde. Im Einzelnen
misst das Steuermodul 36 ein Anfangsniveau des aus der
Brennkraftmaschine 12 austretenden NOx vor dem Anpassen
des Auslassnockenwellenverstellers 32 (NOxPRE).
Nach dem Anpassen des Auslassnockenwellenverstellers 32 misst das
Steuermodul 36 das NOx-Niveau nach dem Anpassen des Auslassnockenwellenverstellers 32 (NOxPOST) erneut. Wenn NOxPOST NOxPRE übersteigt, nimmt
das Steuermodul 36 an, dass θEXHAUST_CAM in die
falsche Richtung gedreht wurde. Während des folgenden Auspufftakts
verstellt das Steuermodul 36 die Drehung des Auslassnockenwellenverstellers 32 in
die Gegenrichtung.
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Unter
Bezug nun auf 2 zeigt ein Flussdiagramm die
von dem erfindungsgemäßen Steuersystem
ausgeführten
Schritte. Bei Schritt 200 ermittelt die Steuerung das Niveau
aus der Brennkraftmaschine 12 austretenden NOx vor dem
Verstellen des Auslassnockenwellenverstellers 32 (NOxPRE) beruhend auf NOxSIGNAL.
Bei Schritt 202 vergleicht die Steuerung NOxPRE mit
NOxTHR. Wenn NOxPRE NOxTHR übersteigt,
verstellt die Steuerung θEXHAUST_CAM beruhend auf CamADV auf
früh und
misst ein zweites NOx-Niveau (NOxPOST) im
Anschluss an das Anpassen des Auslassnockenwellenverstellers 32 bei Schritt 204.
Andernfalls kehrt die Steuerung zu Schritt 200 zurück. Auch
wenn das Flussdiagramm zunächst
das Frühverstellen
des Auslassnockenwellenverstellers 32 beschreibt, versteht
sich, dass die Erfindung den Auslassnockenwellenversteller 32 anfänglich auf
spät verstellen
kann.
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Bei
Schritt 206 vergleicht die Steuerung NOxPOST mit
NOxPRE und ermittelt, ob das Frühverstellen des
Auslassnockenwellenverstellers 32 ein Sinken des Niveaus
des aus der Brennkraftmaschine 12 austretenden NOx bewirkt.
Wenn NOxPOST kleiner als NOxPRE ist,
dann vergleicht die Steuerung bei Schritt 208 NOxPOST mit NOxTHR.
Ansonsten rückt
die Steuerung zu Schritt 210 vor. Bei Schritt 208 ermittelt
die Steuerung, ob NOxPOST innerhalb von
NOxTHR liegt. Wenn NOxPOST innerhalb
von NOxTHR liegt, speichert die Steuerung θEXHAUST_CAM und die Steuerung kehrt zu Schritt 200 zurück. Ansonsten
kehrt die Steuerung zu Schritt 204 zurück und fährt mit dem Frühverstellen
des Auslassnockenwellenverstellers 32 fort.
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Bei
Schritt 210 verstellt die Steuerung den Auslassnockenwellenversteller 32 auf
spät und
misst NOxPOST erneut. Bei Schritt 212 vergleicht
die Steuerung NOxPOST mit NOxTHR.
Wenn NOxPOST innerhalb von NOxTHR liegt,
speichert die Steuerung θEXHAUST_CAM bei Schritt 209 und
die Steuerung kehrt zu Schritt 200 zurück. Ansonsten kehrt die Steuerung zu
Schritt 210 zurück
und fährt
mit dem Anpassen des Auslassnockenwellenverstellers 32 fort.
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Der
Fachmann kann nun der vorstehenden Beschreibung entnehmen, dass
die breite Lehre der vorliegenden Erfindung in verschiedenerlei
Form umgesetzt werden kann. Während
diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Bespielen derselben
beschrieben wurde, sollte daher der wahre Schutzumfang der Erfindung
nicht hierauf beschränkt
sein, da für
den Fachmann bei eingehender Betrachtung der Zeichnungen, der Beschreibung
und der folgenden Ansprüche
andere Abwandlungen ersichtlich sind.