DE102009028225A1

DE102009028225A1 - Arbeitsfahrzeug mit zwei Motoren und Steuerung der Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102009028225A1
Application number: DE102009028225A
Authority: DE
Inventors: Alan D. Moline Sheidler; Ryan P. Milan Mackin
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2029-08-05
Also published as: US8001771B2; US20100031638A1; DE102009028225B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Arbeitsmaschine (10) mit zwei Verbrennungsmotoren (20, 54), die über Einrichtungen (48, 82) jeweils eine Last (12, 14) antreiben und mit Abgasnachbehandlungseinrichtungen (38, 72) verbunden sind. Die Einrichtungen (48, 82) sind mit einer Steuerung (86) verbunden, die es ermöglicht, bidirektional Leistung zwischen den Einrichtungen (38, 72) zu übertragen und somit die Abgastemperatur des mit höherer Leistung betriebenen Verbrennungsmotors (20, 54) anzuheben und dessen Abgasnachbehandlungseinrichtung (38, 72) zu regenerieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Arbeitsmaschinen und insbesondere Arbeitsmaschinen mit einem Verbrennungsmotor, der zum Antrieb primärer und sekundärer Lasten verwendet werden kann.
Stand der Technik
Eine Arbeitsmaschine, wie eine Baumaschine, landwirtschaftliche Maschine oder Waldmaschine umfasst typischerweise eine Antriebseinheit in Form eines Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor kann entweder in Form eines Verdichtungsmotors ausgeführt sein, bei dem die Verdichtungshitze zeitlich und mengenmäßig abgemessenen Brennstoff zur Verbrennung entzündet, oder in Form eines Zündfunkenmotors, bei dem eine homogene Mischung durch eine Zündquelle entzündet wird, oder in Form eines homogenen Ladungsverdichtungszündungsmotors, der eine Hybridform der zuvor erwähnten Motoren ist. Bei den meisten schweren Arbeitsmaschinen ist die Antriebseinheit in der Form eines Dieselmotors realisiert, der bessere Drehmoment-, Leistungs- und Haltbarkeitseigenschaften für den Arbeitsbetrieb bietet.
Die in den ursprünglichen Gesetzen der Umweltschutzagentur festgelegten Regelungen wurden anfänglich für Straßenfahrzeuge angewendet. Diese Regelungen wurden in den letzten Jahren auf Geländefahrzeuge, wie Arbeitsmaschinen, angewendet. Die für Straßenfahrzeuge geltenden Herausforderungen gelten nun auch für Geländeanwendungen.
Bei den gewöhnlichen Anwendungen erfordert dies eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, welche die Verbrennungsprodukte des Verbrennungsmotors erhält und sie in geeigneter Weise behandelt, um eine Kombination aus Stickoxiden, Teilchen und anderer Kohlenwasserstoffe daraus zu entfernen. Diese Einrichtungen benötigen inhärent periodische Regenerationen, um Teilchen aus Kohlenstoffmaterial zu entfernen und die Abgasnachbehandlungseinrichtung wieder im Wesentlichen in einen Neuzustand zu verbringen. Das ist erforderlich, um die Effektivität der Verbrennungsprodukte aufrechtzuerhalten und auf diese Weise sowohl die Buchstaben als auch den Sinn der Regelungen der Umweltschutzagentur zu erfüllen.
Die Regeneration wird jedoch schwierig, wenn sie auf Arbeitsmaschinen angewendet wird, die fortdauernd genutzt werden, um eine industrielle oder landwirtschaftliche Operation durchzuführen. Die Regenerationstätigkeit darf den fortgesetzten Betrieb der Maschine nicht verhindern, damit sie ihren beabsichtigten Zweck erfüllen kann, nämlich die industrielle oder landwirtschaftliche Aufgabe.
Eine Anzahl an Aufwendungen wurden zur Erzielung der Regeneration durchgeführt und diese umfassen ein hinreichendes Anheben der Temperatur der der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführten Verbrennungsprodukte, so dass jeglicher überschüssiger Kohlenstoff verbrannt wird. Die dafür verwendeten Geräte können Heizeinrichtungen, Ultraschallgeräte und die Zufügung von Kohlenwasserstoffen zum Abgasstrom sein, um die zur Regeneration erforderlichen Temperaturen zu erreichen.
Leider erfordern alle diese Ansätze Energie, die über die für den jeweiligen Arbeitsvorgang der Arbeitsmaschine erforderliche Energie hinausgeht. Insbesondere verringert das Hinzufügen von Kohlenwasserstoffen in der Form von Kraftstoff die Kraftstoffeffizienz und somit die Effektivität der Arbeitsmaschine. Geräte mit Heizeinrichtungen oder Ultraschallgeräten erfordern zusätzliche Leistungsquellen, um die Temperaturanhebungsfunktion anzutreiben. Der Bedarf an Effizienz ist nirgendwo größer als bei einer landwirtschaftlichen Maschine mit einem Lastzyklus, der zwischen einer Minimal- und einer Maximalbelastung variiert, bei welcher der Mähdrescher über ein Feld fährt und gleichzeitig das geerntete landwirtschaftliche Material erntet, sammelt und verarbeitet. Das Gegenteil dieser Maximalbelastung ist die Zeit zwischen den Erntevorgängen, in welcher der Motor mit einem geringen Anteil der maximal verfügbaren Leistung betrieben wird.
Aufgabe der Erfindung
Es besteht daher Bedarf an einer Verbrennungsmotoren verwendenden Arbeitsmaschine, welche Abgasnachbehandlungseinrichtungen des Verbrennungsmotors effizient und effektiv regeneriert.
Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei in den weiteren Patentansprüchen Merkmale aufgeführt sind, die die Lösung in vorteilhafter Weise weiterentwickeln.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Arbeitsmaschine mit einem ersten Verbrennungsmotor, der mit Verbrennungsluft und Kraftstoff versorgt wird, einen Leistungsausgang aufweist und Verbrennungsprodukte herstellt. Der erste Verbrennungsmotor hat eine erste Abgasnachbehandlungseinrichtung, die Verbrennungsprodukte vom ersten Verbrennungsmotor erhält und abhängig von einem ersten Nachbehandlungseinrichtungsparameter einer periodischer Regenerierung bedarf. Ein zweiter Verbrennungsmotor wird mit Verbrennungsluft und Kraftstoff versorgt, weist einen Leistungsausgang auf und stellt Verbrennungsprodukte her. Der zweite Verbrennungsmotor hat eine zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung, die Verbrennungsprodukte vom zweiten Verbrennungsmotor erhält und abhängig von einem zweiten Nachbehandlungseinrichtungsparameter einer periodischer Regenerierung bedarf. Erste und zweite Einrichtungen sind jeweils mechanisch mit dem ersten und zweiten Verbrennungsmotor verbunden und jeweils eingerichtet, wenigstens eine Last anzutreiben. Eine Steuerung ist zur auswahlbaren, bidirektionalen Übertragung von Leistung zwischen der ersten und zweiten Einrichtung abhängig von den beiden Nachbehandlungseinrichtungsparametern konfiguriert, um wahlweise die Belastung des ersten oder zweiten Verbrennungsmotors anzuheben, um die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu regenerieren, die Verbrennungsprodukte vom Verbrennungsmotor erhält. Die Leistung kann demnach, wenn die Steuerung es veranlasst, vom ersten Verbrennungsmotor über die erste Einrichtung auf beide Lasten übertragen werden, und wenn die Steuerung es veranlasst, vom zweiten Verbrennungsmotor über die zweite Einrichtung auf beide Lasten übertragen werden.
Ausführungsbeispiele
In den Zeichnungen ist ein nachfolgend näher beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:
1 ein schematisches Diagramm einer Arbeitsmaschine, in welcher eine erfindungsgemäße Anordnung realisiert ist.
Die 1 zeigt in schematischer Weise eine Arbeitsmaschine 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Arbeitsmaschine 10 umfasst erste und zweite Lasten 12 und 14, die durch erste und zweite Antriebseinheiten 16 und 18 angetrieben werden. Die Lasten 12 und 14 können eine Vielzahl an Anforderungen vom Hauptvortrieb der Arbeitsmaschine 10 bis zu zusätzlichen Funktionen und im Fall von landwirtschaftlichen Arbeitsmaschinen, Ernte- und Bearbeitungsfunktionen sein. Abhängig von der unten beschriebenen Konfiguration der Komponenten können die Lasten 12 und 14 in Form von Getrieben oder elektrischen Motoren oder hydromechanischen Einrichtungen sein.
Die erste Antriebseinheit 16 umfasst einen Verbrennungsmotor 20 mit einer Vielzahl an Zylindern, in denen sich Kolben hin- und herbewegen, um im Zusammenwirken mit einer Kurbelwelle einen drehenden Ausgang bereitzustellen, die alle nicht gezeigt werden, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Der Verbrennungsmotor 20 ist ein luftatmender, kraftstoffverbrauchender Verbrennungsmotor, bei dem ein Kraftstoffsystem, insgesamt mit 22 gekennzeichnet, Kraftstoff für ein geeignetes Verbrennungsereignis in die Verbrennungskammern einspritzt. Die Verbrennungsprodukte gelangen durch ein Ausstoßsystem 24 und eine Ausstoßleitung 26 zu einer Turbine 28 eines Turboladers 30. Die Turbine 28 ist durch eine verbindende Welle 34 mit einem Kompressor 32 verbunden. Die Turbine 28 entnimmt Energie aus dem Verbrennungsgasfluss, der durch die Ausstoßleitung 26 fließt und die Gase von der Turbine 28 fließen durch eine Leitung 36 zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 und über eine Leitung 40 in die Umgebung A.
Der Kompressor 32 erhält Einlassluft von der Umgebung A über eine Leitung 42 und verdichtet sie zur Abgabe durch eine Leitung 44 an ein Einlasssystem 46, das den Verbrennungsmotor 20 mit Luft versorgt. Es ist anzumerken, dass ein Nachkühler oder Zwischenkühler (nicht gezeigt) typischerweise in der Leitung 44 bereitgestellt wird, um die Temperatur der verdichteten Gase zu vermindern und auf diese Weise die Ladungsdichte zur Bereitstellung zusätzlicher Leistung zu vergrößern. Der Verbrennungsmotor 20 ist durch eine Welle 50 mechanisch mit einer Einrichtung 48 verbunden, die weiter unten detailliert beschrieben wird. Die Einrichtung 48 ist durch eine geeignete Verbindung, die durch eine Linie 52 dargestellt wird, mit der Last 12 verbunden.
Die zweite Antriebseinheit 18 umfasst ebenfalls einen luftatmenden, kraftstoffverbrauchenden Verbrennungsmotor 54. Ein Kraftstoffsystem 56 stellt zeitlich und mengenmäßig abgestimmten Kraftstoff bereit, der in eine Vielzahl von Zylindern einzuspritzen ist, in denen sich Kolben hin- und herbewegen, um eine rotierende Leistungsabgabe bereitzustellen. Die inneren Elemente werden nicht gezeigt, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Die Verbrennungsprodukte gelangen durch ein Ausstoßsystem 58 und eine Ausstoßleitung 60 zu einer Turbine 62 eines Turboladers 64. Die Turbine 62 treibt über eine mechanische Verbindung 68 einen Kompressor 66 an. Die die Turbine 62 verlassenden Gase strömen durch eine Leitung 70 zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 72 und schließlich über eine Leitung 74 in die Umgebung A.
Der Kompressor 66 erhält Einlassluft von der Umgebung A über eine Leitung 76 und verdichtet sie zur Abgabe durch eine Leitung 78 über ein Einlasssystem 80 an den Verbrennungsmotor 54. Der Verbrennungsmotor 54 stellt der Einrichtung 82 seine Ausgangsleistung über eine mechanische Verbindung 84 bereit.
Eine Steuerung 86 ist durch eine Verbindung 88 mit der Einrichtung 48 und über eine Verbindung 90 mit der Einrichtung 82 verbunden. Die Steuerung 86 ist auch durch eine Leitung 92 mit der Last 12 und durch eine Leitung 94 mit der Last 14 verbunden. Die Steuerung 86 hat auch Signalleitungen 96 und 98, die jeweils Signale von den Abgasnachbehandlungseinrichtungen 38 bzw. 72 empfangen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Steuerung 86 konfiguriert, Lasten zwischen den Verbrennungsmotoren 20 und 54 in Reaktion auf über die Leitungen 96 und 98 erhaltenen Signale von den Abgasnachbehandlungseinrichtungen 38 und 72 zu übertragen, um einen effektiven und effizienten Betrieb der Arbeitsmaschine 10 und der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 38, 72 zu erzielen. Bei einer Form sind die Einrichtungen 48 und 82 Motoren und Generatoren, die von ihren zugehörigen Verbrennungsmotoren 20 und 54 mechanisch angetrieben werden, aber nicht mechanisch untereinander verbunden sind. Die Motoren und Generatoren treiben jeweils die Lasten 12 und 14 an, die unterschiedliche Funktionen in der Arbeitsmaschine 10 durchführen.
Die Steuerung 86 kann ein elektronisches Steuermodul sein, das auf Signale von den Abgasnachbehandlungseinrichtungen 38 und 72 reagiert, um einen ordnungsgemäßen Betrieb aufrecht zu erhalten. Wenn die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 38 und 72 Dieselpartikelfilter sind, ist es erforderlich, die Filter periodisch zu regenerieren, um angesammelte Kohlenstoffpartikel zu verbrennen. Die Steuerung 86 kann derart konfiguriert sein, dass geeignete Eingaben die Steuerung 86 veranlassen, Last entweder auf den Verbrennungsmotor 20 oder 54 zu übertragen, wie gerade angebracht, so dass die Temperatur in der Nähe der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 oder 72 näherungsweise 300°C beträgt. Bei dieser Temperatur werden die Kohlenstoffpartikel verbrennen und vom Filter abgebrannt.
Die Kriterien für den Beginn der Übertragung der Leistung können einer von mehreren Parameteranzeigen sein. Derartige Parameteranzeigen können sein: 1. nach einer vorbestimmten Betriebszeit, 2. nach einer vorbestimmten Betriebszeit bei gegebenen Belastungen, 3. ein vorbestimmter Druckunterschied am Ein- und Ausgang der Abgasnachbehandlungseinrichtung, 4. ein vorbestimmter Einlassdruck an der Abgasnachbehandlungseinrichtung, 5. eine vorbestimmte Einlasstemperatur an der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38,72. Verschiedene unterschiedliche Kombinationen der Signale können verwendet werden, um eine Last ordnungsgemäß von einem Verbrennungsmotor 20, 54 auf den anderen Verbrennungsmotor 54, 20 über die Einrichtungen 48, 82 zu übertragen.
Die Arbeitsmaschine 10 ist in ihrem Arbeitszyklus unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. In Fällen, in denen die Belastungen nicht so hoch sind, dass ist es notwendig wäre, beide Verbrennungsmotore 20 und 54 zu verwenden, kann die Belastung auf einen der beiden Verbrennungsmotoren 20 oder 54 übertragen werden und der andere Verbrennungsmotor 54 oder 20 wird ausgeschaltet, um die für die Regeneration erforderliche Temperatur bereitzustellen. Wenn der Punkt im Lastzyklus, bei dem die Last derart klein ist, dass nur einer der Verbrennungsmotoren 20 oder 54 benötigt wird, können die Lasten 12 oder 14 künstlich vergrößert werden, um zu erreichen, dass die Abgastemperatur die Regenerationsgrenze erreicht. Dabei kann es sich um ein künstliches Hinzufügen von Belastung handeln. Im Fall von Motoren und Generatoren als Einrichtung 48, 82 kann man das durch Laden einer Batterie, Betreiben einer Heizung oder eines anderen Zusatzgeräts, wie beispielsweise eines Entladesystems erreichen.
Alternativ sind die Einrichtungen 48 und 82 Kombinationen aus Pumpen und Motoren und die Steuerung 86 ist derart konfiguriert, dass Leistung bidirektional zwischen den Einrichtungen 48 und 82 geleitet werden kann, um die geeignete Temperatur in den Abgasleitungen zur Regeneration zu erreichen. In diesem Fall wird die Leistung ganz auf einen Verbrennungsmotor 20 oder 54 übertragen, wenn der Arbeitszyklus eine Gesamtbelastung erfordert, die ganz auf diesen Verbrennungsmotor 20 oder 54 übertragen werden kann, so dass der andere Verbrennungsmotor 54 oder 20 abgeschaltet werden kann, so dass der weiter betriebene Verbrennungsmotor 20 oder 54 hinreichend belastet wird, um die Regenerationstemperaturen zu erzielen. Falls die Leistung im Lastzyklus zu diesem Zeitpunkt noch niedriger ist, können den Lasten 12 oder 14 künstliche Lasten hinzugefügt werden, indem verschiedene hydraulische Pumpen und Motoren betätigt werden, um die Last zu vergrößern.
Die Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38, 72 kann durch die Steuerung 86 als Reaktion auf geeignete Signale an den Leitungen 96 und 98 gesteuert werden, um die Regeneration nach einer vorbestimmten Ausbrennzeit oder einer durch bestimmte Betriebsparameter bestimmten Variablen zu beenden.
Während die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 38, 72 als Dieselpartikelfilter beschrieben wurden, können sie auch katalytische Umsetzer, selektive katalytische Verminderer oder Dieseloxidationskatalysatoren sein. In jedem Fall wird ein Parameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38, 72 durch die Steuerung 86 verwendet, um die geeignete Übertragung der Last von einem Verbrennungsmotor 20 oder 54 auf den anderen Verbrennungsmotor 54 oder 20 zu erzielen.
Die Wirkung des oben beschriebenen Systems liegt darin, dass die Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 38, 72 und ihr effizienter Betrieb erreicht werden kann, ohne Kohlenwasserstoffe oder andere Einrichtungen hinzufügen zu müssen, um die Temperatur in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38, 72 auf einen Wert zu vergrößern, bei dem die Regeneration erfolgt. Dieses ermöglicht einen beträchtlichen Vorteil in der Kraftstoffeffizienz, da die Regeneration der Partikelfilter bei Verdichtungszündungsmotoren mit einer beträchtlichen Häufigkeit erfolgt. Außerdem kann die Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 38, 72 erfolgen, während die Arbeitsmaschine 10 ihrer zugeordneten Aufgabe nachgeht, wodurch eine unnötige Unterbrechung der Arbeitseffektivität vermieden wird.

Claims

Arbeitsmaschine (10), umfassend: einen ersten Verbrennungsmotor (20), der mit Verbrennungsluft und Kraftstoff versorgt wird, einen Leistungsausgang aufweist und Verbrennungsprodukte herstellt, wobei der erste Verbrennungsmotor (20) eine erste Abgasnachbehandlungseinrichtung (38) umfasst, die Verbrennungsprodukte vom ersten Verbrennungsmotor erhält und abhängig von einem ersten Nachbehandlungseinrichtungsparameter einer periodischer Regenerierung bedarf, einen zweiten Verbrennungsmotor (54), der mit Verbrennungsluft und Kraftstoff versorgt wird, einen Leistungsausgang aufweist und Verbrennungsprodukte herstellt, wobei der zweite Verbrennungsmotor (54) eine zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung (72) umfasst, die Verbrennungsprodukte vom zweiten Verbrennungsmotor (54) erhält und abhängig von einem zweiten Nachbehandlungseinrichtungsparameter einer periodischer Regenerierung bedarf, erste und zweite Einrichtungen (48, 82), die jeweils mechanisch mit dem ersten oder zweiten Verbrennungsmotor (20, 54) gekoppelt und eingerichtet sind, zumindest eine Last (12, 14) anzutreiben, und eine Steuerung (86), die eingerichtet ist, in Reaktion auf den ersten und zweiten Nachbehandlungseinrichtungsparameter wahlweise bidirektional Leistung zwischen der ersten und zweiten Einrichtung (48, 82) zu übertragen, um wahlweise die Belastung des ersten oder zweiten Verbrennungsmotors (20, 54) zu vergrößern und die Verbrennungsprodukte des mit vergrößerter Leistung betriebenen Verbrennungsmotors (20, 54) erhaltende Abgasnachbehandlungseinrichtung (38, 72) zu regenerieren.
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtungen (38, 72) Dieselpartikelfilter und/oder katalytische Konverter und/oder selektive katalytische Reduktionseinrichtungen und/oder Dieseloxidationskatalysatoren sind.
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Last angehoben wird um etwa 300°C in der Abgasnachbehandlungseinrichtung (38, 72) aufrecht zu erhalten.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Last für eine bestimmte Zeit angehoben wird, beispielsweise 20 min.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (38, 72) ein Dieselpartikelfilter ist und dass der Nachbehandlungseinrichtungsparameter die Temperatur des Dieselpartikelfilters ist.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbehandlungseinrichtungsparameter ein vorbestimmtes Zeitintervall ist.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (38, 72) ein Dieselpartikelfilter ist und dass der Nachbehandlungseinrichtungsparameter ein Druckunterschied über den Dieselpartikelfilter ist.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbehandlungseinrichtungsparameter ein Verschmutzen der Abgasnachbehandlungseinrichtung (38, 72) ist.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (38, 72) ein Dieselpartikelfilter ist und dass der Nachbehandlungseinrichtungsparameter ein Druck am Einlass des Dieselpartikelfilter ist.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasten an den Einrichtungen (48, 82) wahlweise angehoben werden, um eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung (38, 72) zu erzielen.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (48, 82) elektrische Generatoren und Motoren und/oder hydraulische Pumpen und Motoren umfassen.