DE102009004858B4

DE102009004858B4 - Turboladerschutzsysteme und -verfahren

Info

Publication number: DE102009004858B4
Application number: DE102009004858.8A
Authority: DE
Inventors: Ravishankar Ramamurthy
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2029-01-17
Also published as: US20090183508A1; CN101493051A; US7987672B2; CN101493051B; DE102009004858A1

Abstract

Turboladerschutzsystem für ein Motorsystem, das einen Partikelfilter und einen Turbolader enthält, wobei das Turboladerschutzsystem umfasst: eine Differenzdruck-Bestimmungseinrichtung, die eine Druckdifferenz in einem Partikelfilter bestimmt; ein Druckfaktor-Schätzmodul, das auf Grundlage der Differenz und des Umgebungsdrucks einen Druckfaktor schätzt; und ein Kraftstoffgrenzwert-Schätzmodul, das den Turbolader durch selektives Begrenzen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor auf Grundlage des Druckfaktors schützt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren und Systeme zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung.
HINTERGRUND
Dieselmotoren weisen wegen eines erhöhten Verdichtungsverhältnisses und einer höheren Energiedichte des Dieselkraftstoffs üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad als Benzinmotoren auf. Ein Dieselverbrennungszyklus erzeugt Partikel, die üblicherweise durch einen in dem Abgasstrom angeordneten Partikelfilter (PF) aus dem Dieselabgas gefiltert werden. Im Zeitablauf wird der PF voll und muss der eingeschlossene Dieselfeinstaub (PM) entfernt werden. Um den PM zu entfernen, wird der PM innerhalb des PF verbrannt.
Das Verbrennen des PM innerhalb des PF, auch als Regenerierung bekannt, erzeugt als ein Nebenprodukt Asche. Wegen der Anwesenheit von Asche und eingeschlossenem Ruß in dem PF nimmt der Motorstaudruck zu. Durch Ausführen der Regenerierung kann die Staudruckzunahme teilweise gemildert werden. Allerdings kann die verbleibende Asche zu einer statischen irreversiblen Zunahme des Staudrucks führen. Die Zunahme des Motorstaudrucks setzt den Motor höheren Pumpverlusten aus und senkt den Gesamtmotorwirkungsgrad. Da der Turbolader bestrebt ist, unter diesen Bedingungen dieselbe Luftmenge zu drücken, fällt der Turbinenwirkungsgrad bei einer Zunahme der Pumpverluste. Der Verlust des Turbinenwirkungsgrads überträgt sich in höhere Abgastemperaturen, was wiederum Komponenten des Turboladers negativ beeinflusst.
Die Druckschrift DE 600 02 652 T2 beschreibt ein Regelungsverfahren für einen Partikelfilter im Abgassystem eines Verbrennungsmotors. Die Druckschrift DE 10 2006 003 842 A1 offenbart ein Turboladerschutzsystem für ein Motorsystem, wobei Maßnahmen in der Ansteuerung des Turboladers mit veränderlicher Geometrie getroffen werden, um einen übermäßigen Staudruckaufbau zu vermeiden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Turboladerschutzsystem für ein Motorsystem, das einen Partikelfilter und einen Turbolader enthält, umfasst eine Differenzdruck-Bestimmungseinrichtung, die eine Druckdifferenz in einem Partikelfilter bestimmt. Ein Druckfaktor-Schätzmodul schätzt auf Grundlage der Differenz und des Umgebungsdrucks einen Druckfaktor. Ein Kraftstoffgrenzwert-Schätzmodul schützt den Turbolader durch wahlweises Begrenzen der Kraftstoffeinspritzung zu dem Motor auf Grundlage des Druckfaktors.
Ein Turbolader-Schutzverfahren, das ein Motorsteuersystem steuert, das einen Partikelfilter und einen Turbolader enthält, umfasst das Bestimmen einer Druckdifferenz in dem Partikelfilter; das Schätzen eines Druckfaktors auf Grundlage der Differenz und des Umgebungsdrucks; und das Schützen des Turboladers durch Begrenzen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor auf Grundlage des Druckfaktors.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung gehen aus der im Folgenden gegebenen ausführlichen Beschreibung hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung wird umfassender aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen verständlich, wobei:
1 ein Funktionsblockschaltplan eines Fahrzeugs ist, das ein Turboladerschutzsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
2 eine Veranschaulichung eines Partikelfilters des Fahrzeugs aus 1 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
3 ein Datenflussdiagramm ist, das ein Turboladerschutzsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
4 ein Ablaufplan ist, der ein Turboladerschutzverfahren gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen zur Angabe ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Wie der Ausdruck wenigstens eines von A, B und C hier verwendet ist, soll er ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht ausschließenden logischen Oder bedeuten. Es ist festzustellen, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern.
Wie der Begriff Modul hier verwendet ist, bezieht er sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), auf eine elektronische Schaltung, auf einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und auf Speicher, die eines oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, auf eine Kombinationslogikschaltung und/oder auf andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Nunmehr anhand von 1 ist schematisch ein beispielhaftes Fahrzeug 10 gezeigt, das ein Dieselmotorsystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung enthält. Es sollte gewürdigt werden, dass das Dieselmotorsystem dem Wesen nach lediglich beispielhaft ist und dass das hier beschriebene Turboladerschutzsystem in verschiedenen Motorsystemen implementiert werden kann, die einen Turbolader und einen Partikelfilter implementieren. Zur Erleichterung der Diskussion wird der Rest der Offenbarung im Kontext eines Dieselmotorsystems diskutiert.
Wie gezeigt ist, enthält ein Dieselmotorsystem 11 mit Turbolader einen Motor 12, der ein Luft- und Kraftstoffgemisch verbrennt, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. In das System tritt Luft ein, indem sie durch einen Luftfilter 14 geht. Die Luft geht durch den Luftfilter 14 und wird in einen Turbolader 18 gesaugt. Der Turbolader 18 verdichtet die in das System 11 eintretende Frischluft. Im Allgemeinen ist die Ausgabe des Motors 12 umso größer, je höher die Verdichtung der Luft ist. Daraufhin geht die Druckluft durch einen Luftkühler 20, bevor sie in einen Einlasskrümmer 22 eintritt.
Die Luft innerhalb des Einlasskrümmers 22 wird in Zylinder 26 verteilt. Obgleich vier Zylinder 26 veranschaulicht sind, sollte gewürdigt werden, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung in Motoren mit einer Mehrzahl von Zylindern einschließlich, aber nicht beschränkt auf, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12 Zylindern, implementiert werden können. Außerdem sollte gewürdigt werden, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung in einer V-Zylinderkonfiguration implementiert werden können.
Durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 wird Kraftstoff in die Zylinder 26 eingespritzt. Wärme von der Druckluft zündet das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemischs erzeugt Abgas. Das Abgas verlässt die Zylinder 26 in ein Auspuffsystem.
Das Auspuffsystem enthält einen Auspuffkrümmer 30, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 32 und einen Partikelfilter (PF) 34. Optional führt ein AGR-Ventil (nicht gezeigt) einen Teil des Abgases in den Einlasskrümmer 22 zurück. Der Rest des Abgases wird in den Turbolader 18 geleitet, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine ermöglicht die Verdichtung der von dem Luftfilter 14 empfangenen Frischluft. Das Abgas strömt von dem Turbolader 18 über den DOC 32 und den PF 34. Der DOC 32 oxidiert das Abgas auf Grundlage des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nach der Verbrennung. Die Menge der Oxidation erhöht die Temperatur des Abgases. Der PF 34 empfängt das Abgas von dem DOC 32 und filtert irgendwelche in dem Abgas vorhandenen Rußpartikel.
Insbesondere anhand von 2 ist ein beispielhafter PF 34 gezeigt. Der beispielhafte PF 34 ist eine Monolith-Partikelfalle und enthält abwechselnd geschlossene Zellen/Kanäle 50 und geöffnete Zellen/Kanäle 52. Die Zellen/Kanäle 50, 52 weisen üblicherweise quadratische Querschnitte auf und verlaufen axial durch das Teil. Die Wände 58 des PF 34 bestehen vorzugsweise aus einer porösen Keramikwabenwand aus Cordierit-Material. Es sollte gewürdigt werden, dass im Umfang der vorliegenden Erfindung irgendwelches Keramikwabenmaterial betrachtet wird. Wie bei 56 gezeigt ist, sind angrenzende Kanäle an jedem Ende abwechselnd verstopft. Dies drängt das Dieselaerosol durch die porösen Substratwände, die als ein mechanischer Filter wirken. Feinstaub wird innerhalb der geschlossenen Kanäle 50 abgelagert und das Abgas tritt durch die geöffneten Kanäle 52 aus. Rußpartikel 59 strömen in den PF 34 und werden darin eingeschlossen. Eine Ansammlung der Rußpartikel erhöht den Druckabfall in dem PF 34.
Wieder anhand von 1 steuert ein Steuermodul 44 den Motor 12 und die PF-Regenerierung auf Grundlage verschiedener erfasster Informationen. Zum Beispiel misst ein Umgebungsdrucksensor 60 den Umgebungsdruck, der das Fahrzeug 10 umgibt, und erzeugt dementsprechend ein Umgebungsdrucksignal. Ein Motordrehzahlsensor 62 misst eine Drehzahl des Motors 12 und erzeugt dementsprechend ein Motordrehzahlsignal. Ein PF-Differenzdrucksensor 64 misst eine Druckdifferenz der durch den PF 34 strömenden Abgase und erzeugt dementsprechend ein PF-Druckdifferenz-Signal. Ein Kraftstofftemperatursensor 66 misst eine Temperatur des Motorkraftstoffs und erzeugt dementsprechend ein Kraftstofftemperatursignal.
Ein Kühlmitteltemperatursensor 65 misst eine Temperatur des Motorkühlmittels und erzeugt dementsprechend eine Kühlmitteltemperatur. Ein Öltemperatursensor 70 misst eine Temperatur des Motoröls und erzeugt dementsprechend ein Öltemperatursignal. Ein Einlasslufttemperatursensor 72 misst eine Temperatur der in den Motor 12 eintretenden Luft und erzeugt dementsprechend eine Einlasslufttemperatur. Ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 74 misst eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 und erzeugt dementsprechend ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal. Wie gewürdigt werden sollte, können andere Sensoren und Verfahren genutzt werden, um die Werte für die oben erwähnten Signale zu erfassen und/oder zu bestimmen.
Allgemein gesagt, empfängt das Steuermodul 44 eines oder mehrere der oben erwähnten Signale und stellt die Kraftstoffeinspritzraten während Bedingungen hohen Staudrucks zum Verringern der Leistung ein, um die Turbineneinlasstemperaturen zu verringern. Zum Beispiel wird das von dem PF-Differenzdrucksensor 64 erfasste PF-Druckdifferenz-Signal mit einer angegebenen Rate gefiltert, um Rauschen in dem Signal zu verringern. Zu irgendeiner gegebenen Umgebungsdruckbedingung und Motordrehzahlbedingung werden auf Grundlage des erfassten Druckabfalls über den PF 34 die Kraftstoffeinspritzmengen begrenzt, um die Einlasstemperaturen der Turbine zu senken.
In einem Beispiel wird die Begrenzung allmählich so ausgeführt, dass sie von dem Fahrer des Fahrzeugs 10 nicht wahrgenommen wird. In einem weiteren Beispiel entscheidet eine Motorschutzstrategie zwischen verschiedenen Kraftstoffmengen-Begrenzungsfaktoren wie etwa z. B. Faktoren, die hohe Motortemperaturen angeben, um das Leben des Motors zu schützen, ohne die Motorleistung und die Fahreigenschaften zu gefährden.
Anhand von 3 veranschaulicht ein Datenflussdiagramm verschiedene Ausführungsformen eines Turboladerschutzsystems, das in das Steuermodul 44 eingebettet sein kann. Verschiedene Ausführungsformen der Turboladerschutzsysteme gemäß der vorliegenden Offenbarung können irgendeine Anzahl in das Steuermodul 44 eingebetteter Submodule enthalten. Die gezeigten Submodule können kombiniert und/oder weiter unterteilt sein, um ähnlich Motorkomponenten so zu steuern, dass der Turbolader vor einer Beschädigung geschützt wird. Eingaben in das System können von dem Fahrzeug 10 (1) erfasst werden, von anderen Steuermodulen (nicht gezeigt) innerhalb des Fahrzeugs 10 (1) empfangen werden und/oder durch andere Submodule (nicht gezeigt) innerhalb des Steuermoduls 44 bestimmt werden. In verschiedenen Ausführungsformen enthält das Steuermodul 44 aus 3 ein PF-Druckfaktor-Schätzmodul 80, ein Kraftstoffgrenzfaktor-Bestimmungsmodul 82 und ein Einspritzmengengrenzwert-Schätzmodul 84.
Das PF-Druckfaktor-Schätzmodul 80 empfängt als Eingabe eine PF-Druckdifferenz 86 und einen Umgebungsdruck 88. Das PF-Druckfaktor-Schätzmodul 80 filtert die PF-Druckdifferenz 86, falls die PF-Druckdifferenz 86 von einem erfassten Signal kommt, um Ungenauigkeiten in dem Signal wegen Rauschen zu verringern. Das PF-Druckfaktor-Schätzmodul 80 schätzt einen PF-Druckfaktor 90 auf Grundlage der gefilterten Differenz und des Umgebungsdrucks 88 z. B. über eine vorgegebene Nachschlagetabelle, die durch den Umgebungsdruck 88 und durch die gefilterte PF-Druckdifferenz 86 indiziert ist.
Das Faktorbestimmungsmodul 82 empfängt als Eingabe den PF-Druckfaktor 90, die Öltemperatur 92, die Kühlmitteltemperatur 94 und/oder die Kraftstofftemperatur 96. Das Faktorbestimmungsmodul 82 bestimmt einen Kraftstoffgrenzfaktor 98, indem es zwischen einem oder mehreren Faktoren entscheidet.
Das Einspritzmengengrenzwert-Schätzmodul 84 empfängt als Eingabe den Kraftstoffgrenzfaktor 98, die Motordrehzahl 100, die Fahrzeuggeschwindigkeit 102 und/oder die Einlasslufttemperatur 104. Das Einspritzmengengrenzwert-Schätzmodul 84 erzeugt auf Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit 102 oder der Motordrehzahl 100 und der Einlasslufttemperatur 104 z. B. durch: Bestimmen eines Motordrehzahlfaktors und eines Fahrzeuggeschwindigkeitsfaktors auf Grundlage der Motordrehzahl 100, der Fahrzeuggeschwindigkeit 102 und des Kraftstoffgrenzfaktors 98; und Bestimmen eines Minimums des Motordrehzahlfaktors und des Fahrzeuggeschwindigkeitsfaktors, einen Kraftstoffeinspritzgrenzwert 106. Das Minimum wird daraufhin mit einem Einlasslufttemperaturfaktor multipliziert, der z. B. über eine vorgegebene Nachschlagetabelle, die durch die Einlasslufttemperatur 104 und durch die Motordrehzahl 100 indiziert ist, aus der Einlasslufttemperatur 104 und aus der Motordrehzahl 100 bestimmt wird.
Falls der Kraftstoffeinspritzgrenzwert 106 auf dem PF-Druckfaktor 90 beruht, schützt er daraufhin den Turbolader 18 (1) davor, wegen der Zunahme des Motorstaudrucks bei bestimmten Betriebsbedingungen (d. h. hohen Drehzahlen und Lasten) eine Maximaltemperatur zu übersteigen.
Nunmehr anhand von 4 veranschaulicht ein Ablaufplan ein Turboladerschutzverfahren, das durch das Turboladerschutzsystem aus 3 in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden kann. Wie gewürdigt werden sollte, kann die Reihenfolge der Ausführung der Schritte des Turboladerschutzverfahrens Variieren, ohne den Erfindungsgedanken des Verfahrens zu ändern. Das Verfahren kann periodisch während des Steuermodulbetriebs oder so geplant, dass es auf Grundlage bestimmter Ereignisse abläuft, ausgeführt werden.
In einem Beispiel kann das Verfahren bei 200 beginnen. Bei 210 wird die PF-Druckdifferenz 86 empfangen und gefiltert. Bei 120 wird der PF-Druckfaktor 90 auf Grundlage der gefilterten PF-Druckdifferenz 86 und des Umgebungsdrucks 88 geschätzt. Bei 230 werden die wie oben diskutierten Grenzbedingungen ausgewertet, um bei 230 zu bestimmen, ob der PF-Druckfaktor 90 begrenzt werden sollte. Falls der PF-Druckfaktor 90 begrenzt werden sollte, wird der PF-Druckfaktor 90 bei 240 wie oben diskutiert auf Grundlage des vorgegebenen Schrittwerts begrenzt.
Falls der PF-Druckfaktor 90 nicht begrenzt werden sollte, wird bei 250 der Kraftstoffgrenzfaktor 98 bestimmt. Daraufhin wird bei 260 auf Grundlage des Kraftstoffgrenzfaktors 98, der Motordrehzahl 100, der Fahrzeuggeschwindigkeit 102 und/oder der Einlasslufttemperatur 104 der Kraftstoffeinspritzgrenzwert 106 bestimmt und bei 270 auf Grundlage des Kraftstoffeinspritzgrenzwerts 106 Kraftstoff angewiesen. Bei 280 kann das Verfahren enden.

Claims

Turboladerschutzsystem für ein Motorsystem, das einen Partikelfilter und einen Turbolader enthält, wobei das Turboladerschutzsystem umfasst: eine Differenzdruck-Bestimmungseinrichtung, die eine Druckdifferenz in einem Partikelfilter bestimmt; ein Druckfaktor-Schätzmodul, das auf Grundlage der Differenz und des Umgebungsdrucks einen Druckfaktor schätzt; und ein Kraftstoffgrenzwert-Schätzmodul, das den Turbolader durch selektives Begrenzen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor auf Grundlage des Druckfaktors schützt.
System nach Anspruch 1, bei dem das Druckfaktor-Schätzmodul den Druckfaktor auf Grundlage einer Nachschlagetabelle schätzt, die durch die Differenz und durch den Umgebungsdruck indiziert ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Differenzdruck-Bestimmungseinrichtung ein Differenzdrucksensor ist, der die Differenz durch Erfassen der Druckdifferenz in dem Partikelfilter bestimmt.
System nach Anspruch 3, bei dem das Druckfaktor-Schätzmodul die Differenz filtert und den Druckfaktor auf Grundlage der gefilterten Differenz schätzt.
System nach Anspruch 1, bei dem das Druckfaktor-Schätzmodul den Druckfaktor auf Grundlage eines Steigungswerts anpasst.
System nach Anspruch 5, bei dem der Steigungswert addiert oder subtrahiert wird.
System nach Anspruch 1, das ferner ein Kraftstoffgrenzfaktor-Bestimmungsmodul umfasst, das auf Grundlage des Druckfaktors und eines oder mehrerer Motorschutzfaktoren einen Kraftstoffgrenzfaktor bestimmt und wobei das Kraftstoffgrenzwert-Schätzmodul die Kraftstoffeinspritzung in den Motor auf Grundlage des Kraftstoffgrenzfaktors selektiv begrenzt.
System nach Anspruch 7, bei dem der eine oder die mehreren Motorschutzfaktoren auf der Kraftstofftemperatur und/oder auf der Motoröltemperatur und/oder auf der Motorkühlmitteltemperatur beruhen.
Turboladerschutzverfahren, das ein Motorsystem steuert, das einen Partikelfilter und einen Turbolader enthält, wobei das Turboladerschutzverfahren Folgendes umfasst: Bestimmen einer Druckdifferenz in dem Partikelfilter; Schätzen eines Druckfaktors auf Grundlage der Differenz und des Umgebungsdrucks; und Schützen des Turboladers durch Begrenzen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor auf Grundlage des Druckfaktors.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Schätzen des Druckfaktors ferner auf einer Nachschlagetabelle beruht, die durch die Differenz und durch den Umgebungsdruck indiziert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Bestimmen der Differenz durch einen Differenzdrucksensor ausgeführt wird, der die Druckdifferenz in dem Partikelfilter erfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Filtern der Differenz umfasst und bei dem das Schätzen des Druckfaktors auf der gefilterten Differenz beruht.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Anpassen des Druckfaktors auf Grundlage eines Steigungswerts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Anpassen des Druckfaktors das Addieren oder Subtrahieren des Steigungswerts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Bestimmen eines Kraftstoffgrenzfaktors auf Grundlage des Druckfaktors und eines oder mehrerer Motorschutzfaktoren umfasst und wobei das Schätzen des Kraftstoffeinspritzgrenzwerts auf dem Kraftstoffgrenzfaktor beruht.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der eine oder die mehreren Motorschutzfaktoren auf der Kraftstofftemperatur und/oder auf der Motoröltemperatur und/oder auf der Motorkühlmitteltemperatur beruhen.