DE102008030044A1

DE102008030044A1 - An Bord ausführbares Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführungsflussrate

Info

Publication number: DE102008030044A1
Application number: DE102008030044A
Authority: DE
Inventors: David C. Dunlap Atkinson; Christopher F. Peoria Gallmeyer; Ashutosh Peoria Katari; Brian V. Peoria Tranel
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2009-01-29
Also published as: US7946117B2; US20080141757A1; CN101333981A

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung einer Massenflussrate von Abgasen, die in einen Motor zurückgeführt werden, wird offenbart. Das Verfahren kann aufweisen, die Abgase durch eine Venturi-Vorrichtung zu leiten und einen Differenzabgasdruck an der Venturi-Vorrichtung abzufühlen. Das Verfahren kann ferner aufweisen, einen absoluten Abgasdruck an der Venturi-Vorrichtung abzufühlen und eine Temperatur der Abgase abzufühlen. Das Verfahren kann weiter aufweisen, die Massenflussrate des Abgases basierend auf dem abgefühlten Differenzströmungsmitteldruck, dem absoluten Strömungsmitteldruck und der Temperatur zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Massenflussrate und insbesondere auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführungsmassenflussrate an Bord eines Verbrennungsmotors.
Hintergrund
Motoren, die Dieselmotoren, Benzinmotoren, Erdgasmotoren und andere in der Technik bekannte Motoren aufweisen, stoßen eine komplexe Mischung aus Luftverunreinigungen aus. Die Luftverunreinigungen können aus gasförmigem und festem Material aufgebaut sein, was Stickoxyde (NOx) und Partikelstoffe mit einschließt. Augrund gesteigerter Rücksichtnahme auf die Umwelt sind Abgasemissionsstandards immer strenger geworden und die Menge an NOx und Partikelstoffen, die aus einem Motor ausgestoßen wird, kann abhängig von der Bauart des Motors, von der Größe des Motors und/oder von der Klasse des Motors geregelt sein.
Ein Verfahren, welches durch Motorhersteller eingerichtet worden ist, um in Übereinstimmung mit den Regelungen bezüglich NOx und Partikelstoffen zu kommen, die in die Umgebung ausgestoßen werden, ist gewesen, Abgas von einem Motor zurück in den Motor zur darauf folgenden Verbrennung zurückzuzirkulieren bzw. rückzuführen. Das rückzirkulierte Abgas verringert die Konzentration des Sauerstoffs in der Einlassluft, die zum Motor geliefert wird, was wiederum die maximale Verbrennungstemperatur in den Zylindern des Motors verringert. Die verringerte Temperatur verringert die Bildung von NOx. Zusätzlich enthalten Abgase eine gewisse Menge an Partikelstoffen, die auf eine Rückzirkulation hin durch die Motorzylinder verbrannt wird, wodurch die Menge der Partikelstoffe verringert wird, die in die Umgebung ausgestoßen wird.
Wenn eine Abgasrückzirkulation bzw. Abgasrückführung (AGR) eingerichtet wird, kann es nötig sein, genau den Anteil des Abgases, der durch den Motor rückzirkuliert wird, zur Frischluft zu steuern, die in den Motor hineingezogen wird. Wenn beispielsweise die Abgasmenge, die durch den Motor zurückgeführt bzw. rückzirkuliert wird, zu groß ist, kann der Motor nicht genügend Sauerstoff für einen ordnungsgemäßen Betrieb aufnehmen und könnten möglicherweise absterben, unzureichende Leistungsniveaus erzeugen und/oder übermäßige Mengen an Ruß und Partikelstoffen erzeugen, und zwar wegen schlechter Verbrennung in den Motorzylindern. Wenn im Gegensatz dazu die Menge des Abgases, die in den Motor zurückzirkuliert wird, zu klein ist, kann der Motor nicht mit den NOx-Regelungen in Übereinstimmung kommen.
Typischerweise wird der Abgasfluss zurück in den Motor durch eine Drosselanordnung ansprechend auf eine oder mehrere Eingangsgrößen geregelt. Die Drosselanordnung weist im Allgemeinen ein Butterfly- bzw. Drosselklappenventilelement auf, welches in einem Abgasdurchlassweg angeordnet ist und zwischen offenen und geschlossenen Positionen bewegbar ist, um selektiv den Fluss des Abgases zum Einlass des Motors durchzulassen oder zu begrenzen. Das Ventilelement wird zwischen den offenen und geschlossenen Positionen basierend auf einer abgefühlten Massenflussrate des Abgases bewegt. Das heißt, ein Massenflussratensensor ist in dem Abgasdurchlassweg stromaufwärts oder stromabwärts der Drosselanordnung gelegen, um ein Signal zu erzeugen, welches die Flussrate des Abgases anzeigt, die in den Motor geleitet wird. Eine Steuervorrichtung, die irgendwo sonst am Motor gelegen ist, nimmt das Abgasflussratensignal auf und erzeugt einen Positionsbefehl, der an einen Antriebsmotor der Drosselanordnung geleitet wird.
Ein Versuch zur Bestimmung der Flussrate und zur Regelung der Flussrate der Luft mit einer kompakten Anordnung wird im US-Patent NR. 6 997 162 (dem '162-Patent) beschrieben, das an Hirayame u. a. am 14. Februar 2006 erteilt wurde. Insbesondere beschreibt das '162-Patent einen elektronisch gesteuerten Drosselkörper mit einem Hauptluftdurchlass und einem darin angeordneten Ventilelement.
Das Ventilelement wird durch einen Motor angetrieben, der außerhalb an dem Drosselkörper in einer im Allgemeinen senkrechten Richtung relativ zum Hauptluftdurchlass befestigt ist. Das '162-Patent beschreibt auch die Bestimmung eines Massenflusses über eine Heißdrahtluftflussmessvorrichtung und einen Mikrocomputer, der zusammen mit dem Hauptluftdurchlass, dem Ventilelement und dem Motor integriert ist, um einen einzigen Körper zu bilden. Der Mikrocomputer nimmt Signale von der Flussmessvorrichtung auf, die die Flussrate der Frischluft anzeigen, die in den Motor eintritt, berechnet einen Druck der Luft basierend auf den Signalen von der Flussmessvorrichtung, und steuert den Antriebsmotor, um das Ventilelement basierend auf den Flussratensignalen und dem berechneten Druck zu bewegen.
Obwohl das '162-Patent die Regelung einer Luftflussrate in einen Verbrennungsmotor beschreiben kann, kann es immer noch begrenzte Anwendung haben. Insbesondere weil das Verfahren das Massenflussratensignal von einem Massenflusssensor empfängt, anstatt die Massenflussrate basierend auf der Temperatur und dem Druck zu bestimmen, kann es teurer sein oder mehr Berechnungsleistung erfordern.
Das offenbarte Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführungsmassenflussrate ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung einer Massenflussrate von Abgasen gerichtet, die in einen Motor zurückgeführt werden. Das Verfahren kann aufweisen, die Abgase durch eine Venturi-Vorrichtung zu leiten und einen Differenzabgasdruck an der Venturi-Vorrichtung abzufühlen. Das Verfahren kann weiter aufweisen, einen absoluten Abgasdruck an der Venturi-Vorrichtung abzufühlen und eine Temperatur der Abgase abzufühlen. Das Verfahren kann weiter aufweisen, die Massenflussra te des Abgases basierend auf dem abgefühlten Differenzströmungsmitteldruck, dem absoluten Strömungsmitteldruck und der Temperatur zu bestimmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung einer Massenflussrate von Abgasen gerichtet, die in einen Motor zurückgeführt werden. Das Verfahren kann aufweisen, einen Fluss von Abgasen einzuschränken und die Massenflussrate der Abgase basierend auf einem abgefühlten Differenzströmungsmitteldruck an der Einschränkung bzw. Drosselstelle und einem absoluten Druck zu bestimmen, der stromaufwärts der Drosselstelle gemessen wurde.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung einer beispielhaften offenbarten Leistungsquelle;
2 ist eine bildliche Darstellung einer beispielhaften offenbarten Abgasrückführungsventilanordnung zur Anwendung bei der Leistungsquelle der 1;
3 ist eine Veranschaulichung einer Schnittansicht der Abgasrückführungsventilanordnung der 2; und
4 ist ein Steuerdiagramm, der einen beispielhaften offenbarten Betrieb der Leistungsquelle der 1 abbildet.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht eine Leistungsquelle 10 mit einem beispielhaften Abgasbehandlungssystem 12. Die Leistungsquelle 10 kann einen Motor aufweisen, wie beispielsweise einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen mit gasförmigem Brennstoff angetriebenen Motor, wie beispielsweise einen Erdgasmotor, oder irgendeinen anderen Motor, der dem Fachmann offensichtlich ist. Die Leistungsquelle 10 kann alternativ eine andere Leistungsquelle aufweisen, wie beispielsweise einen Ofen. Das Abgasbehandlungssystem 12 kann ein Lufteinleitungssystem 14, ein Auslasssystem 16 und ein Rückzirkulationssystem bzw. Rückfüh rungssystem 18 aufweisen, welches mit der Leistungsquelle 10 gekoppelt ist, um Strömungsmittel in die Leistungsquelle 10 hinein und aus dieser heraus zu übertragen.
Das Lufteinleitungssystem 14 kann Mittel zur Einleitung von aufgeladener Luft in eine (nicht gezeigte) Brennkammer der Leistungsquelle 10 aufweisen. Beispielsweise kann das Lufteinleitungssystem 14 ein Einleitungsventil 22, einen oder mehrere Kompressoren 24 und einen Luftkühler 26 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche und/oder andere Komponenten in dem Lufteinleitungssystem vorgesehen sein könnten, wie beispielsweise eine oder mehrere Luftreinigungsvorrichtungen 27, eine Auslassklappe oder Bypass- bzw. Überleitungsschaltung, die mit den Kompressoren 24 assoziiert ist, ein Steuersystem und andere in der Technik bekannte Mittel zur Einleitung von aufgeladener Luft in die Brennkammern der Leistungsquelle 10.
Das Einleitungsventil 22 kann den Fluss von Atmosphärenluft von der Reinigungsvorrichtung 27 zu den Kompressoren 24 regeln. Das Einleitungsventil 22 kann beispielsweise ein Drosselklappenelement, ein Schieberelement, ein Klappenelement, ein Kugelelement, ein Rundschieberelement oder irgendeine andere Art eines in der Technik bekannten Ventilelementes aufweisen. Das Element des Einleitungsventils 22 kann in einem Durchlassweg 28 angeordnet sein und aus einer Flussdurchlassposition gegen eine Federvorspannung zu einer Flussbegrenzungsposition bewegbar sein. In einem Beispiel kann das Element des Einleitungsventils 22 mit einer nicht gezeigten Torsions- bzw. Schraubenfeder verbunden sein, die das Element zur Flussdurchlassposition hin vorspannen kann. Wenn es in der Flussdurchlassposition ist, kann Atmosphärenluft durch die Kompressoren 24 in die Leistungsquelle 10 im Wesentlichen uneingeschränkt geleitet werden.
Die Kompressoren 24 können in einer Reihenbeziehung angeordnet sein und können strömungsmittelmäßig mit der Leistungsquelle 10 verbunden sein, um die Luft, die in die Leistungsquelle 10 fließt, auf ein vorbestimmtes Niveau unter Druck zu setzen. Jeder der Kompressoren 24 kann einen Kompressor mit fester Geo metrie, einen Kompressor mit variabler Geometrie oder irgendeine andere Bauart eines Kompressors sein, die in der Technik bekannt ist. Es wird in Betracht gezogen, dass die Kompressoren 24 alternativ in paralleler Beziehung angeordnet sein können, oder dass das Lufteinleitungssystem 14 nur einen einzigen Kompressor 24 aufweisen kann. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass die Kompressoren 24 weggelassen werden können, wenn ein System zur Einleitung von nicht unter Druck gesetzter Luft erwünscht ist.
Der Luftkühler 26 kann ein Luft-Luft-Wärmetauscher oder ein Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher sein und kann angeordnet sein, um die Übertragung von Wärme auf die Luft, die in die Leistungsquelle 10 geleitet wird oder weg von dieser Luft zu erleichtern. Beispielsweise kann der Luftkühler 26 einen Rohr-Hüllen-Wärmetauscher, einen Plattenwärmetauscher, einen Rohr-Finnen-Wärmetauscher oder irgendeine andere Art eines Wärmetauschers verkörpern, die in der Technik bekannt ist. Der Luftkühler 26 kann in einem Durchlassweg 30 angeordnet sein, der strömungsmittelmäßig die Kompressoren 24 mit der Leistungsquelle 10 verbindet.
Das Abgassystem 16 kann Mittel zum Leiten eines Abgasflusses aus der Leistungsquelle 10 aufweisen. Beispielsweise kann das Abgassystem 16 eine oder mehrere Turbinen 32 aufweisen, die in einer Reihenbeziehung verbunden sind. Es wird in Betracht gezogen, dass das Auslasssystem 16 zusätzliche und/oder andere Komponenten aufweisen kann, wie beispielsweise Emissionssteuervorrichtungen, wie beispielsweise Partikelfilter 42, NOx-Absorptionsvorrichtungen 43 oder andere katalytische Vorrichtungen; Dämpfungsvorrichtungen und andere Mittel, die in der Technik bekannt sind, um einen Abgasfluss aus der Leistungsquelle 10 zu leiten.
Jede Turbine 32 kann mit einem Kompressor 24 verbunden sein, um den angeschlossenen Kompressor 24 anzutreiben. Insbesondere kann sich die Turbine 32 drehen und den damit verbundenen Kompressor 24 antreiben, wenn die heißen Abgase, die aus der Leistungsquelle 10 austreten, sich an den (nicht gezeigten) Schaufeln der Turbine 32 entspannen. Es wird in Betracht gezogen, dass die Tur binen 32 alternativ in paralleler Beziehung angeordnet sein können, oder dass nur eine einzige Turbine 32 in dem Auslasssystem 16 vorgesehen sein kann. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Turbinen 32 weggelassen werden können und dass die Kompressoren 24 durch die Leistungsquelle 10 mechanisch, hydraulisch, elektrisch oder in irgendeiner anderen in der Technik bekannten Art und Weise angetrieben werden können, falls erwünscht.
Der Partikelfilter 42 kann stromabwärts der Turbinen 32 angeordnet sein, um Partikel aus dem Abgasfluss zu entfernen, der von der Leistungsquelle 10 weggeleitet wird. Es wird in Betracht gezogen, dass der Partikelfilter 42 elektrisch leitende oder nicht leitende grobe Gitterelemente aufweisen kann. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Partikelfilter 42 einen Katalysator aufweisen kann, um eine Zündungstemperatur der Partikelstoffe zu verringern, die durch den Partikelfilter 42 eingefangen wurden, weiter Mittel zum Regenerieren der von dem Partikelfilter 42 eingefangenen Partikelstoffe, oder sowohl einen Katalysator als auch Mittel zur Regeneration. Der Katalysator kann die Verringerung von Kohlenwasserstoffen bzw. HC, von Kohlenmonoxyd bzw. CO und/oder Partikelstoffen unterstützen und kann beispielsweise ein Metallbasisoxyd, ein geschmolzenes Salz und/oder ein Edelmetall aufweisen. Die Mittel zur Regeneration können u. a. einen mit Brennstoff angetriebenen Brenner, eine Heizung mit elektrischem Widerstand, eine Motorsteuerstrategie oder irgendwelche anderen Mittel zur Regeneration aufweisen, die in der Technik bekannt sind. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Partikelfilter 42 weggelassen werden kann oder stromabwärts des Einlassanschlusses 40 gelegen sein kann falls erwünscht. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass ein zusätzlicher (nicht gezeigter) Partikelfilter in dem Rückzirkulations- bzw. Rückführungssystem 18 gelegen sein kann, falls erwünscht.
Die NOx-Absorptionsvorrichtung 43 kann ein oder mehrere Substrate aufweisen, die mit einem Katalysator beschichtet sind oder in anderer Weise einen flüssigen oder gasförmigen Katalysator enthalten, wie beispielsweise eine Waschbeschichtung, die Edelmetalle enthält. Der Katalysator kann verwendet werden, um die Nebenprodukte der Verbrennung im Abgasfluss mittels selektiver katalytischer Reduktion (SCR) oder mittels NOx-Trapping bzw. NOx-Aufnahme zu verringern. In einem Beispiel kann ein Reaktionsmittel, wie beispielsweise Harnstoff in den Abgasfluss stromaufwärts der NOx-Absorptionsvorrichtung 43 eingespritzt werden. Der Harnstoff kann sich zu Ammoniak zersetzen, der mit NOx im Abgas reagiert, um H₂O und N₂ zu bilden. In einem weiteren Beispiel kann NOx im Abgas durch eine Bariumsalz enthaltende Vorrichtung eingefangen werden und periodisch freigegeben werden und an einem Katalysator reduziert werden, um CO₂ und N₂ zu bilden. Die NOx-Absorptionsvorrichtung 43 kann auch verwendet werden, um Partikelstoffe zu oxydieren, die in dem Abgasfluss zurückbleiben, nachdem dieser durch den Partikelfilter 42 gelaufen ist, falls erwünscht.
Das Rückzirkulations- bzw. Rückführungssystem 18 kann Mittel aufweisen, um einen Teil des Abgasflusses der Leistungsquelle 10 vom Abgas- bzw. Auslasssystem 16 in das Lufteinleitungssystem 14 zurückzuleiten. Beispielsweise kann das Rückführungssystem 18 einen Einlassanschluss 40, einen Abgaskühler 44, eine Rückführungsventilanordnung 46 und einen Auslassanschluss 48 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass das Rückführungssystem 18 zusätzliche und/oder andere Komponenten aufweisen kann, wie beispielsweise einen Katalysator, eine elektrostatische Abscheidungsvorrichtung, ein Schutzgassystem und andere in der Technik bekannte Mittel zum Zurückleiten bzw. Rückführen von Abgas aus dem Auslasssystem 16 in das Einleitungssystem 14. Wenn ein Teil des Abgases von der Leistungsquelle 10 in das Rückführungssystem 18 über den Einlassanschluss 40 eintritt, kann dessen Temperatur auf ein akzeptables Niveau durch den Kühler 44 verringert werden, kann auf eine erwünschte Flussrate durch die Rückführungsventilanordnung 46 begrenzt bzw. gedrosselt werden und kann in das Einleitungssystem 14 über den Auslassanschluss 48 geleitet werden.
Der Einlassanschluss 40 kann mit dem Auslasssystem 16 verbunden sein, um zumindest einen Teil des Abgasflusses von der Leistungsquelle 10 aufzunehmen. Insbesondere kann der Einlassanschluss 40 stromabwärts der Turbinen 32 angeordnet sein, um die Niederdruckabgase von den Turbinen 32 aufzunehmen. Es wird in Betracht gezogen, dass der Einlassanschluss 40 alternativ stromaufwärts der Turbinen 32 gelegen sein kann, um Hochdruckabgase aufzunehmen, falls erwünscht.
Der Abgaskühler 44 kann in einem Strömungsmitteldurchlassweg 52 stromabwärts des Partikelfilters 42 angeordnet sein, um den Teil des Abgases zu kühlen, der durch den Einlassanschluss 40 fließt. Der Abgaskühler 44 kann einen Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher, einen Luft-Luft-Wärmetauscher oder irgendeine andere Bauart eines Wärmetauschers aufweisen, die in der Technik zur Kühlung eines Abgasflusses bekannt ist. Es wird in Betracht gezogen, dass der Abgaskühler 44 weggelassen werden kann, falls erwünscht.
Die Rückzirkulations- bzw. Rückführungsventilanordnung 46 kann strömungsmittelmäßig mit dem Abgaskühler 44 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 54 verbunden sein, um den Fluss des Abgases durch das Rückführungssystem 18 zu regeln. Die Rückführungsventilanordnung 46 kann betreibbar sein, um selektiv den Fluss des Abgases dort hindurch zu leiten oder einzuschränken bzw. zu drosseln. Obwohl sie in 1 derart veranschaulicht ist, dass sie stromabwärts des Abgaskühlers 44 gelegen ist, wird in Betracht gezogen, dass die Rückführungsventilanordnung 46 alternativ stromaufwärts des Abgaskühlers 44 gelegen sein kann, falls erwünscht.
Der Auslassanschluss 48 kann strömungsmittelmäßig mit der Rückführungsventilanordnung 46 verbunden sein, um den Abgasfluss, der durch die Rückführungsventilanordnung 46 geregelt wird, in das Lufteinleitungssystem 14 zu leiten. Insbesondere kann der Auslassanschluss 48 mit dem Lufteinleitungssystem 14 stromaufwärts der Kompressoren 24 verbunden sein, sodass die Kompressoren 24 den Abgasfluss aus dem Auslassanschluss 48 ziehen können.
Wie in 2 veranschaulicht, kann die Rückführungsventilanordnung 46 eine Anordnung von mehreren Komponenten sein, die zusammenwirken, um den Fluss des Abgases zu regeln. Beispielsweise kann die Rückführungsventilanordnung 46 ein gemeinsames Gehäuse 56, ein Ventilelement 58, einen Antriebsmotor 60 und ein Steuersystem 62 aufweisen. Ansprechend auf eine oder mehrere Eingangsgrößen kann das Steuersystem 62 selektiv den Antriebsmotor 60 betätigen, um das Ventilelement 58 zwischen einer Flussdurchlassposition und einer Flussblo ckierungsposition zu bewegen, wodurch variabel der Fluss des Abgases durch das gemeinsame Gehäuse 56 eingeschränkt wird.
Das gemeinsame Gehäuse 56 kann einen Einlass 64, einen Auslass 66, eine Venturi-Vorrichtung 68 und eine Vielzahl von äußeren Strömungsmitteldurchlasswegen aufweisen. Das Abgas kann in das gemeinsame Gehäuse 56 über den Einlass 64 eintreten, kann durch die Venturi-Vorrichtung 68 fließen und aus dem gemeinsamen Gehäuse 56 über den Auslass 66 austreten. Wenn das Abgas durch einen Halsbereich 69 der Venturi-Vorrichtung 68 fließt, kann der Abgasfluss eingeschränkt bzw. gedrosselt werden, was eine Steigerung der Abgasgeschwindigkeit und eine Verringerung des Abgasdruckes bewirkt, Während er durch die Venturi-Vorrichtung 68 fließt, kann ein Teil des Abgases von einer Stelle stromaufwärts des Halsbereichs 69 zum Steuersystem 62 über einen ersten Flusspfad 70 zurückgeleitet werden und ein Teil des Abgases vom Halsbereich 69 kann zum Steuersystem 62 über einen zweiten Flusspfad 72 zurückgeleitet werden. Die Druckdifferenz zwischen dem Abgas, welches durch den ersten Flusspfad 70 fließt, und dem Abgas, welches durch den zweiten Flusspfad 72 fließt, die durch die Einschränkung bzw. Drosselung beim Halsbereich 69 bewirkt wird, kann verwendet werden, um eine Rate bzw. Geschwindigkeit des Abgases zu bestimmen, welches durch die Rückführungsventilanordnung 46 fließt, wie genauer unten beschrieben wird. Es sei bemerkt, dass, während die ersten und zweiten Flusspfade 70 und 72 in 2 derart veranschaulicht sind, dass sie auf der gleichen Seite des gemeinsamen Gehäuses 56 gelegen sind, wie der Antriebsmotor 60, es in Betracht gezogen wird, dass die Flusspfade 70 und 72 alternativ auf gegenüberliegenden oder benachbarten Seiten des gemeinsamen Gehäuses 56 gelegen sein können, falls erwünscht.
Das Ventilelement 58 kann in dem gemeinsamen Gehäuse 56 stromabwärts der Venturi-Vorrichtung 68 angeordnet sein, um selektiv den Fluss des Abgases zur Leistungsquelle 10 zu begrenzen. Wegen seiner Lage stromabwärts der Venturi-Vorrichtung 68, kann das Ventilelement 58, und insbesondere der unterbrochene Fluss des Abgases über das Ventilelement 58, wenig Effekt, falls überhaupt, auf die Komponenten in den ersten und zweiten Flusspfaden, 70, 72 haben. Das Ven tilelement 58 kann beispielsweise ein Drosselklappenelement verkörpern, welches fest mit einer drehbaren Antriebswelle 74 verbunden ist. Wenn die Antriebswelle 74 gedreht wird, kann sich das Ventilelement 58 von einer Flussblockierungsposition zu einer Flussbegrenzungsposition bewegen. Der Ausdruck eingeschränkt bzw. gedrosselt ist für die Zwecke dieser Offenbarung so zu interpretieren, dass zumindest teilweise der Strömungsmittelfluss abgeblockt wird. Es wird auch in Betracht gezogen, dass das Ventil 58, wenn es in einer Flussbegrenzungsposition ist, vollständig von einem Strömungsmittelfluss abgeblockt sein kann.
Der Antriebsmotor 60 kann so gelegen sein, dass er die Antriebswelle 74 dreht, und kann mit dem Ventilelement 58 verbunden sein. Beispielsweise kann der Antriebsmotor 60 eine bürstenlose Gleichstrom-Drehbetätigungsvorrichtung verkörpern, die an dem gemeinsamen Gehäuse 56 befestigt ist und mit der Antriebswelle 74 verbunden ist, um das Ventilelement 58 zwischen der Flussdurchlassposition und der Flussbegrenzungsposition in sanfter kontinuierlicher oder stufenartiger Weise zu bewegen. Der Antriebsmotor 60 kann direkt mit der Antriebswelle 74 verbunden sein oder kann alternativ über einen Antriebsstrang 76, eine Zahnstangenvorrichtung, ein Riemen- bzw. Scheibensystem oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise verbunden sein. Es wird in Betracht gezogen, dass der Antriebsmotor 60 selektiv die Antriebswelle 74 ansprechend auf einen oder mehrere Eingangsbefehle vom Steuersystem 62 drehen kann.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Antriebsmotor 60 montiert sein, um Raum zu sparen. Insbesondere kann der Antriebsmotor 60 eine Axialrichtung im Allgemeinen senkrecht zu einer Drehung des Antriebsmotors 60 haben. Der Antriebsmotor 60 kann an dem gemeinsamen Gehäuse 56 so montiert sein, dass die Axialrichtung des Antriebsmotors 60 im Wesentlichen parallel zu einer Flussrichtung des Abgases durch das gemeinsame Gehäuse 56 ist. In dieser Anordnung kann der Antriebsstrang 76 eine Schnecken/Schneckenrad-Konfiguration verkörpern, um die parallele Anordnung zu erreichen. Durch Anordnen des Antriebsmotors 60 parallel zum gemeinsamen Gehäuse 56 kann der vom Antriebsmotor 60 in Querrichtung eingenommene Raum (d. h. in einer Richtung quer zum Fluss des Abgases durch das Gehäuse 56) minimiert werden.
Wie in 3 veranschaulicht, kann das Steuersystem 62 Komponenten aufweisen, die zusammenwirken, um Betriebscharakteristiken des Abgases zu bestimmen, welches durch die Rückführungsventilanordnung 46 fließt, und um den Fluss ansprechend darauf zu regeln. Insbesondere kann das Steuersystem 62 einen Absolutdrucksensor 78, einen Differenzdrucksensor 80, einen Temperatursensor 82 und eine Steuervorrichtung 84 aufweisen. Die Steuervorrichtung 84 kann eine Eingangsgröße von dem Absolutdrucksensor 78, vom Differenzdrucksensor 80 und vom Temperatursensor 82 aufnehmen und ansprechend darauf eine Bewegung des Antriebsmotors 60 anweisen. Eine Kühlabdeckung 86 mit Finnen 88 kann mit den Komponenten des Steuersystems 62 assoziiert sein, um eine Luftkühlung davon zu erleichtern. Es wird auch in Betracht gezogen, dass das Strömungsmittel alternativ oder zusätzlich für eine verbesserte Kühlung durch die Kühlabdeckung 86 zirkuliert werden kann, falls erwünscht.
Der Absolutdrucksensor 78 kann in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgas sein, welches in die Rückführungsventilanordnung 46 eintritt, um einen Druck des Abgases zu bestimmen. Beispielsweise kann der Absolutdrucksensor 79 in Strömungsmittelverbindung mit dem ersten Flusspfad 70 über eine Ausnehmung 90 zwischen einer Außenfläche des gemeinsamen Gehäuses 56 und einer Innenfläche der Kühlabdeckung 86 angeordnet sein. Der Absolutdrucksensor 78 kann einen Vakuumdrucksensor verkörpern und ein Signal erzeugen, welches den absoluten Druck in der Ausnehmung 90 anzeigt (d. h. die Druckgröße über dem Referenzvakuumdruck). Dieses Absolutdrucksignal kann dann an die Steuervorrichtung 84 übermittelt werden.
Der Differenzdrucksensor 80 kann in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgas sein, das in die Rückführungsventilanordnung 46 eintritt, und mit dem Abgas am Halsbereich 69, um eine Druckdifferenz zwischen den zwei Bereichen zu bestimmen. Beispielsweise kann der Differenzdrucksensor 80 in Strömungsmittelverbindung mit dem ersten Flusspfad 70 und in Strömungsmittelverbindung mit dem zweiten Flusspfad 72 über die Ausnehmung 90 sein. Der Differenzdrucksensor 80 kann den Druck des Abgases im ersten Flusspfad 70 mit dem Druck des Abgases im zweiten Flusspfad 72 vergleichen und ein Signal erzeugen, welches die Druckdifferenz anzeigt. Dieses Differenzdrucksignal kann dann an die Steuervorrichtung 84 übermittelt werden.
Der Temperatursensor 82 kann in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgas gelegen sein, welches aus der Rückführungsventilanordnung 46 austritt, um eine Temperatur des Abgases zu bestimmen. Beispielsweise kann der Temperatursensor 82 ein Oberflächentemperatursensor sein, der die Temperatur des gemeinsamen Gehäuses 56 am Auslass 66 misst, wo das Abgas aus der Rückführungsventilanordnung 46 austritt. Alternativ kann der Temperatursensor 82 ein Lufttemperatursensor sein, der direkt die Temperatur des austretenden Abgases misst. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Temperatursensor 82 alternativ am Einlass 64 des gemeinsamen Gehäuses 56 gelegen sein kann, falls erwünscht. Der Temperatursensor 82 kann ein Signal erzeugen, welches die Abgastemperatur anzeigt, und kann dieses Temperatursignal an die Steuervorrichtung 84 übermitteln.
Die Steuervorrichtung 84 kann einen einzigen Mikroprozessor oder mehrere Mikroprozessoren verkörpern, die Mittel zum Steuern eines Betriebs der Rückführungsventilanordnung 46 aufweisen. Zahlreiche kommerziell verfügbare Mikroprozessoren können konfiguriert sein, um die Funktionen der Steuervorrichtung 84 auszuführen. Es sei bemerkt, dass die Steuervorrichtung 84 leicht einen allgemeinen Motormikroprozessor verkörpern könnte, der zahlreiche Motorfunktionen steuern kann. Die Steuervorrichtung 84 kann einen Speicher, eine sekundäre Speichervorrichtung, einen Prozessor und andere Komponenten aufweisen, um eine Anwendung laufen zu lassen. Verschiedene andere Schaltungen können mit der Steuervorrichtung 84 assoziiert sein, wie beispielsweise eine Leistungsversorgungsschaltung, eine Signalkonditionierungsschaltung, eine Elektromagnettreiberschaltung und andere Arten von Schaltungen.
Ein oder mehrere Karten bzw. Kennfelder, die sich auf den absoluten Druck, den Differenzdruck, die Temperatur, die tatsächliche Flussrate bzw. Ist-Flussrate und/oder die erwünschte Flussrate bzw. Soll-Flussrate beziehen, können im Spei cher der Steuervorrichtung 84 gespeichert sein. Jedes dieser Kennfelder kann in Form von Tabellen, Kurvendarstellungen und/oder Gleichungen sein. Die Steuervorrichtung 84 kann die Signale aufnehmen, die von dem Absolutdrucksensor 78, vom Differenzdrucksensor 80 und vom Temperatursensor 82 erzeugt werden, und kann auf das Kennfeld (die Kennfelder) Bezug nehmen, die in ihrem Speicher gespeichert sind. Aus diesen Kennfeldern kann die Steuervorrichtung 84 einen Positionsbefehl, einen Drehmomentbefehl, einen Geschwindigkeitsbefehl oder einen anderen ähnlichen Befehl bestimmen, der an den Antriebsmotor 60 gerichtet ist, der eine gewünschte Bewegung des Ventilelementes 58 und darauf folgend der Flussrate des Abgases durch die Rückführungsventilanordnung 46 beeinflusst.
In einem Beispiel kann eine Gleichung 1 im Speicher der Steuerung 84 gespeichert sein und kann, wie unten beschrieben, verwendet werden, um die Massenflussrate des Abgases zu berechnen: Gleichung 1
wobei gilt

Q .: = Massenflussrate des Abgases
ρ: = Dichte des Abgases
D_throar: = Durchmesser am Halsbereich
D_inlet: = Durchmesser am Einlass; und
Δp: = Druckdifferenz zwischen Einlass und Halsbereich.

Wie aus Gleichung 1 oben zu sehen ist, kann basierend auf dem Druckdifferenzsignal der bekannten Geometrie des Einlasses 64 und des Halsbereiches 69 und der Dichte des Abgases, welches durch die Rückführungsventilanordnung 46 läuft, die Massenflussrate des Abgases berechnet werden, die durch die Rückführungs ventilanordnung 46 läuft. Die Dichte des Abgases, die als Eingangsgröße in Gleichung 1 verwendet wird, kann gemäß der Gleichung 2 unten berechnet werden: Gleichung 2
wobei gilt:

ρ: = Dichte des Abgases;
p: = absoluter Druck des Abgases am Einlass;
R: = Gaskonstante des Abgases; und
T: = Temperatur des Abgases.

Basierend auf einem Vergleich der Abgasmassenflussrate Q . mit einer erwünschten Abgasmassenflussrate kann die Steuervorrichtung 84 die Einschränkung bzw. Drosselung, die durch das Ventilelement 58 vorgesehen wird, entweder vergrößern oder verringern. Wenn beispielsweise Q . geringer als eine erwünschte Massenflussrate ist, kann die Steuervorrichtung 84 den Antriebsmotor 60 anweisen, das Ventilelement 58 zur Flussdurchlassposition hin zu bewegen. Wenn im Gegensatz dazu Q . größer als eine erwünschte Massenflussrate ist, kann die Steuervorrichtung 84 den Antriebsmotor 60 anweisen, das Ventilelement 58 zur Flussbegrenzungsposition hin zu bewegen.
4 veranschaulicht ein Ablauf- bzw. Steuerdiagramm, welches mit dem Betrieb der Rückführungsventilanordnung 46 assoziiert ist. Aus diesem Diagramm ist zu sehen, dass der größte Teil der Steuerung, der mit der Rückführungsventilanordnung 46 assoziiert ist, intern erreicht werden kann. Das heißt, weil die Rückführungsventilanordnung 46 die Steuervorrichtung 84, den Absolutdrucksensor 78, den Differenzdrucksensor 80, den Temperatursensor 82, den Antriebsmotor 60 und das Ventilelement 58 in einer einzigen Anordnung integriert, kann die einzige Verbindung zwischen der Rückführungsventilanordnung 46 und einer Steuervor richtung der Leistungsquelle 10 den Empfang einer erwünschten Flussrate aufweisen. Als solches kann das übermäßige Testen und Kalibrieren der Rückführungsventilanordnung 46 vollendet werden, noch bevor die Anordnung 46 in der Leistungsquelle 10 eingebaut wird.
Industrielle Anwendbarkeit
Das offenbarte Flussratenbestimmungsverfahren kann bei irgendeiner Verbrennungsvorrichtung anwendbar sein, wie beispielsweise einem Motor, einem Ofen oder irgendeiner anderen in der Technik bekannten Verbrennungsvorrichtung, wo präzise und zuverlässige Strömungsmittelregelung nötig ist. Das offenbarte Verfahren kann insbesondere bei Abgasbehandelungssystemen anwendbar sein, die von einer einfachen, kostengünstigen und kompakten Lösung zur Steuerung der Menge des Abgases, die in die Verbrennungsvorrichtung geleitet wird, Vorteile haben. Der Betrieb des Abgasbehandlungssystems 12 wird nun erklärt.
Atmosphärische Luft kann durch das Einleitungsventil 22 durch die Kompressoren 24 gezogen werden, wo sie auf ein vorbestimmtes Niveau unter Druck gesetzt werden kann, bevor sie in die Brennkammern der Leistungsquelle 10 eintritt. Brennstoff kann mit der unter Druck gesetzten Luft vermischt werden, bevor er in die Brennkammern der Leistungsquelle 10 eintritt oder danach, und die daraus resultierende Mischung kann verbrannt werden, um mechanische Arbeit und einen Abgasfluss zu erzeugen, der gasförmige Verbindungen und feste Partikelstoffe enthält. Der Abgasfluss kann von der Leistungsquelle 10 zu den Turbinen 32 geleitet werden, wo die Expansion von heißen Abgasen bewirken kann, dass die Turbinen 32 sich drehen, wodurch die damit verbundenen Kompressoren 24 gedreht werden, um die Einlassluft zu komprimieren. Nach dem Austritt aus den Turbinen 32 und dem Fließen durch den Partikelfilter 42 kann der Abgasfluss in zwei im Wesentlichen partikelfreie Flüsse aufgeteilt werden, die einen ersten Fluss aufweisen, der zum Lufteinleitungssystem 14 zurückgeleitet wird, und einen zweiten Fluss, die in die Atmosphäre geleitet wird. Der Fluss des Abgases mit verringertem Partikelgehalt, der durch den Einlassanschluss 40 geleitet wird, kann durch den Abgaskühler 44 auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt werden und dann durch die Rückzirkulations- bzw. Rückführungsventilanordnung 46 zurück in das Lufteinleitungssystem 14 durch die Kompressoren 24 gezogen werden. Um den Fluss des Abgases zurück in das Lufteinleitungssystem 14 zu regeln, kann der Antriebsmotor 60 die Antriebswelle 74 drehen, um das Ventilelement 59 zwischen der Flussdurchlassposition und der Flussblockierungsposition zu bewegen. Die gesteuerte Einschränkung bzw. Drosselung des Abgases durch das Ventilelement 58 kann die Menge des Abgases beeinflussen, die durch die Kompressoren 24 durch das Lufteinleitungssystem 14 zur Leistungsquelle 10 gezogen wird.
Der rückzirkulierte bzw. zurückgeführte Abgasfluss kann dann mit der Luft vermischt werden, die in die Brennkammern eintritt. Das Abgas, welches zu den Brennkammern der Leistungsquelle 10 geleitet wird, kann die Konzentration des Sauerstoffes darin verringern, was wiederum die maximale Verbrennungstemperatur in der Leistungsquelle 10 absenkt. Die abgesenkte maximale Verbrennungstemperatur kann die chemische Reaktion des Verbrennungsprozesses verlangsamen, wodurch die Bildung von Stickoxyden verringert wird. In dieser Weise kann die gasförmige Verunreinigung, die von der Leistungsquelle 10 erzeugt wird, verringert werden, ohne die schädlichen Effekte und die schlechte Leistung zu erfahren, die durch übermäßig viele Partikelstoffe verursacht wird, die in die Leistungsquelle 10 geleitet werden. Wenn der zweite Fluss des Abgases am Einlassanschluss 40 vorbeiläuft, kann er durch einen Katalysator geleitet werden, um NOx und andere Verunreinigungen aus dem Abgas zu entfernen.
Die Steuervorrichtung 84 kann den Betrieb der Rückführungsventilanordnung 46 steuern. Wenn das Abgas durch die Rückführungsventilanordnung 46 geleitet wird, kann die Steuervorrichtung 84 eine Massenflussrate des in die Leistungsquelle 10 zurückzirkulierten Abgases bestimmen und regeln. Um die Massenflussrate des Abgases zu bestimmen, die durch die Rückführungsventilanordnung 46 läuft, kann der Differenzdrucksensor 80 einen Differenzdruck zwischen den ersten und zweiten Flusspfaden 70 und 72 bestimmen und kann ein Signal, welches den Differenzdruck anzeigt, an die Steuervorrichtung 84 senden. Der Absolutdrucksensor 78 kann einen Absolutdruck des Abgases durch den ersten Flusspfad 70 bestimmen und ein Signal, welches den Absolutdruck anzeigt, an die Steuervorrichtung 84 senden. Weiterhin kann der Temperatursensor 82 eine Temperatur des Abgases bestimmen, welches durch die Rückführungsventilanordnung 46 fließt, und kann ein Signal, welches die Temperatur anzeigt, an die Steuervorrichtung 84 senden. Obwohl der Temperatursensor 82 derart veranschaulicht ist, dass er stromabwärts der Venturi-Vorrichtung 68 und stromaufwärts des Ventilelementes 58 gelegen ist, wird auch in Betracht gezogen, dass der Temperatursensor 82 stromaufwärts der Venturi-Vorrichtung 68 oder an irgendeiner anderen geeigneten Stelle gelegen sein kann. Die Steuervorrichtung 84 kann die Signale vom Absolutdrucksensor 78, vom Differenzdrucksensor 80 und vom Temperatursensor 82 empfangen und die Massenflussrate des Abgases basierend auf den Signalen bestimmen.
Die Steuervorrichtung 84 kann die Massenflussrate durch Aufrufen der Massenflussrate aus gespeicherten Tabellen bestimmen, und zwar basierend auf dem abgefühlten Differenzdruck und einer Dichte des Abgases. Nach der Bestimmung der Massenflussrate kann die Steuervorrichtung 84 die bestimmte Massenflussrate mit einer erwünschten Massenflussrate bzw. Soll-Massenflussrate vergleichen. Die Steuervorrichtung 84 kann dann eine Differenz zwischen der bestimmten Massenflussrate und der erwünschten Massenflussrate bestimmen und kann das Ventilelement 58 ansprechend auf die bestimmte Differenz bewegen.
Wegen der einzigartigen Anordnungskonfiguration des Antriebsmotors 60 zum gemeinsamen Gehäuse 56 kann Raum am Leistungssystem 10 eingespart werden. Das heißt, weil die axiale Richtung des Antriebsmotors 60 im Wesentlichen parallel zu einer Flussrichtung des Abgases durch das gemeinsame Gehäuse 56 sein kann, kann sehr wenig Raum in Querrichtung verbraucht werden. Dieser eingesparte Raum kann die Flexibilität bei der Konstruktion verbessern, die mit anderen Komponenten und Systemen der Leistungsquelle 10 assoziiert ist.
Weil die Rückführungsventilanordnung 46 eine Venturi-Flussmessvorrichtung verwendet, kann die Rückführungsventilanordnung 46 im Vergleich zum Stand der Technik eine erweiterte Anwendung haben. Weil die Differenzdrucksensoren, die von der Anordnung 46 verwendet werden, um die Flussrate zu bestimmen, minimal durch die Anwesenheit von Ruß beeinflusst werden können, kann die Anordnung 46 insbesondere eine verlängerte Lebensdauer und Steuergenauigkeit haben, auch wenn sie in einer Abgasbehandlungsanwendung verwendet wird.
Weil das offenbarte Verfahren Drucksensoren und einen Temperatursensor verwendet, um die Abgasflussrate zu bestimmen und zu regeln, kann sie im Vergleich zum Stand der Technik erweiterte Anwendung finden. Weil das Verfahren der Massenflussratenbestimmung minimal durch die Anwesenheit von Verunreinigungen und Ruß im Abgas beeinflusst werden kann, kann insbesondere das Verfahren bei Abgasrückführungssystemen vorteilhaft sein und eine verlängerte Komponentenlebensdauer zur Folge haben.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, das verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Verfahren vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung des offenbarten Verfahrens offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6997162 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- '162-Patent) beschrieben, das an Hirayame u. a. am 14. Februar 2006 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung und Regelung einer Massenflussrate von Abgasen, die in einen Motor (10) zurückgeführt werden, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Leiten der Abgase durch eine Venturi-Vorrichtung (68); Abfühlen eines Differenzabgasdruckes an der Venturi-Vorrichtung (68); Abfühlen eines absoluten Abgasdruckes an der Venturi-Vorrichtung (68); Abfühlen einer Temperatur der Abgase; Bestimmen der Massenflussrate des Abgases basierend auf dem abgefühlten Differenzströmungsmitteldruck, dem absoluten Strömungsmitteldruck und der Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abfühlen eines absoluten Abgasdruckes an der Venturi-Vorrichtung das Abfühlen des absoluten Abgasdruckes an einer Stelle direkt stromaufwärts der Venturi-Vorrichtung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Massenflussrate aufweist, eine Dichte der Abgase basierend auf dem abgefühlten Differenzströmungsmitteldruck, dem absoluten Strömungsmitteldruck und der Temperatur zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Massenflussrate aufweist, die Massenflussrate aus gespeicherten Tabellen basierend auf dem abgefühlten Differenzdruck und einer Dichte der Abgase aufzurufen.
Verfahren nach Anspruch 4, welches weiter aufweist, die bestimmte Massenflussrate mit einer erwünschten Massenflussrate zu vergleichen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erwünschte Massenflussrate einer erwünschten Verbrennungscharakteristik des Motors entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter aufweist, eine Differenz zwischen der bestimmten Massenflussrate und der erwünschten Massenflussrate zu bestimmen; und eine Flussrate der Abgase ansprechend auf die bestimmte Differenz zwischen der bestimmten Massenflussrate und der erwünschten Massenflussrate durch Variieren einer Einschränkung bzw. Drosselung (58) der Abgase an einer Stelle stromabwärts der Venturi-Vorrichtung zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abfühlen einer Temperatur der Abgase aufweist, eine Temperatur einer Durchlasswegwand (56) abzufühlen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abfühlen eines absoluten Abgasdruckes an der Venturi-Vorrichtung aufweist, den Druck der Abgase mit einem Vakuumreferenzdruck zu vergleichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abfühlen eines Differenzabgasdruckes an der Venturi-Vorrichtung aufweist, den Differenzabgasdruck zwischen einer Stelle stromaufwärts einer Drosselstelle und einer Stelle an einem Halsbereich der Venturi-Vorrichtung zu bestimmen.