-
Querverweis auf verwandte
Anmeldungen
-
Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität aus der am 22.07.2008 eingereichten
vorläufigen
US-Anmeldung Nr. 61/082,638, die hiermit durch Erwähnung hierin
aufgenommen wird.
-
Lizenzrechte der Regierung
-
Die
U.S.-Regierung hat eine voll bezahlte Lizenz an dieser Offenbarung
und das Recht, unter bestimmten Umständen vom Patentinhaber zu fordern,
zu angemessenen Bedingungen, die durch die Bedingungen der vom U.S.-Energieministerium
vergebenen Kooperationsvereinbarung Nr. DE-FC26-05NT42415 vorgesehen sind, anderen
eine Lizenz zu gewähren.
-
Technisches Gebiet
-
Diese
Offenbarung betrifft Dieselmotoren mit Direkteinspritzung.
-
Hintergrund
-
Die
Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen
bezüglich
der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den
Stand der Technik dar.
-
Regulierende
Auflagen bei Dieselmotoren umfassen Auflagen bei Emissionen. Es
werden zukunftsweisende Verbrennungsstrategien entwickelt, um diese
Emissionen zu regeln. Es können
verschiedene Nachbehandlungssysteme, beispielsweise Dieselpartikelfilter,
harnstoff-selektive katalytische Reduktionsvorrichtungen, NOx-Nachbehandlungssysteme,
Dieseloxidationskatalysatoren und Mager-NOx-Fallen, verwendet werden,
um zum Erfüllen
der Schadstoffbestimmungen Emissionen zu reduzieren.
-
Die
Niedertemperaturverbrennung (LTC, kurz vom engl. Low Temperature
Combustion) ist eine Technologie zum Verringern der NOx-Ausgangsemissionen
bzw. -Rohemissionen des Motors. 1 zeigt
graphisch Emissionen bezogen auf Dieselverbrennung und die Wirkungen
von Temperatur und Niederlastbetrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Wie gezeigt nehmen NOx-Emissionen bei einem Anstieg der Verbrennungstemperaturen
zu. Unter Verwendung von Abgasrückführung (AGR),
einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei dem Abgas
durch den Brennraum rückgeführt wird,
um ein Inertgas in den Verbrennungsprozess einzuleiten und dadurch
Verbrennungstemperaturen zu senken, werden NOx-Emissionen signifikant
reduziert. Die HC- und
CO-Emissionen können
aber aufgrund der niedrigeren Verbrennungstemperatur ansteigen.
Insbesondere können
HC- und CO-Emissionen
bei Leerlauf oder Niederlastbetrieb während Kaltstartbedingungen
unerwünschterweise übermäßig hoch
werden. Wie aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, erfordern
Nachbehandlungsvorrichtungen einen bestimmten Temperaturbereich,
in dem sie arbeiten, um wirksam zu sein. Da die Abgastemperatur
bei diesen Bedingungen sehr niedrig ist, können die Nachbehandlungssysteme
keine Temperaturen erreichen, die zum Oxidieren von HC und CO wirksam
sind.
-
Zusammenfassung
-
Ein
Dieselmotor mit Direkteinspritzung umfasst ein Einlassventil, ein
Auslassventil und mehrere Ventilbetätigungsvorrichtungen. Ein Brennraum
variablen Volumens ist festgelegt durch einen Kolben, der sich in einem
Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt
hin- und herbewegt, Einlass- und Auslasskanäle sowie Einlass- und Auslassventile,
die während
sich wiederholender, aufeinander folgender Auspuff-, Ansaug-, Verdichtungs-
und Arbeitstakte des Kolbens gesteuert werden. Ein Verfahren zum
Steuern des Motors umfasst das Überwachen
der Kurbelwellen-Drehstellung, das Überwachen von Motorlast, das
Ermitteln eines Ansaugtakts in einem Zylinder beruhend auf der Kurbelwellen-Drehstellung
und, wenn die Motorlast geringer als eine Schwellenmotorlast ist,
das Öffnen
eines Auslassventils während
eines Teils des Ansaugtakts.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Nun
werden eine oder mehrere Ausführungsformen
beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
Hierbei zeigen:
-
1 graphisch
die Emissionsproblematik in Verbindung mit Dieselverbrennung und
die Wirkung von Temperatur und Niederlastbestrieb gemäß der vorliegenden
Offenbarung;
-
2 eine
teilweise Darstellung im Schnitt eines beispielhaften Dieselmotors
gemäß der vorliegenden Offenbarung;
-
3 graphisch
ein Ventilhubprofil für
einen Zylinder, der unter einer beispielhaften Rücksaugstrategie arbeitet, gemäß der vorliegenden
Offenbarung;
-
4 eine
graphische Darstellung von beispielhaften Verbrennungsergebnissen
durch Auslassrücksaugung
durch eine Reihe von experimentellen Werten gemäß der vorliegenden Offenbarung;
und
-
5 eine
graphische Darstellung von HC- und CO-Rohemissionen des Motors und
Abgastemperatur als Folge des beispielhaften Experiments von 4 gemäß der vorliegenden
Offenbarung.
-
Eingehende Beschreibung
-
Unter
Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte lediglich
dem Zweck des Veranschaulichens bestimmter beispielhafter Ausführungsformen
und nicht dem Zweck des Beschränkens
derselben dient, ist 2 eine teilweise Darstellung
im Schnitt eines beispielhaften Dieselmotors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Ein Motor 10 umfasst mehrere Zylinder 12, die
darin hin- und herbewegbare Kolben 14 aufweisen, die mit
einer Kurbelwelle 16 verbunden sind. Diese Offenbarung
ist allgemein bei Viertakt-Kompressionszündungsmotoren mit Direkteinspritzung
anwendbar. Die Enden des Zylinders sind durch einen Zylinderkopf 18 verschlossen,
so dass die Zylinder und Kolben Brennräume 20 variablen Volumens
festlegen.
-
Der
Zylinderkopf ist mit Einlassventilen 22 versehen, die die
Zeiteinstellung und das Strömen
von Ansaugluft in die Zylinder während
Ansaugtakten der Kolben steuern. Auslassventile 24 in dem
Zylinderkopf steuern die Zeiteinstellung und das Strömen von
Abgasprodukten während
Auspufftakten der Kolben aus den Brennräumen. In dem gezeigten Motor
sind zwei Einlassventile und zwei Auslassventile pro Zylinder vorhanden,
es kann aber jede geeignete Anzahl an für den Betrieb des Motors vorgesehenen
Ventilen gemäß der vorliegenden
Offenbarung genutzt werden.
-
Die
Einlass- und die Auslassventile werden durch separate Ventilbetätigungsvorrichtungen 26, 28 betätigt. Die
Ventilbetätigungsvorrichtungen
betreiben ausschließlich
ihre jeweiligen Einlass- und Auslassventile, beide werden aber von
der Kurbelwelle 16 durch eine Steuerkette 30 angetrieben.
-
Der
beispielhafte Motor 10 umfasst einen Metallguss-Motorblock
mit mehreren darin ausgebildeten Zylindern und einen Motorkopf.
Der Motorblock umfasst vorzugsweise Kühlmittelkanäle 32, durch die Motorkühlfluid
strömt.
Ein Kühlmitteltemperatursensor,
der zum Überwachen
von Temperatur des Kühlfluids
dient, ist an einer geeigneten Stelle angeordnet und liefert einem
Steuersystem eine parametrische Signaleingabe, die eine bei der
Motorsteuerung verwendbare Motorbetriebstemperatur anzeigt. Der
Motor umfasst vorzugsweise bekannte Systeme, einschließlich eines
Ventils für äußere Abgasrückführung (AGR)
und eines Ansaugluft-Drosselventils.
-
Jeder
Kolben 14 ist mittels eines Zapfens und einer Pleuelstange
mit der Kurbelwelle 16 verbunden. Die Kurbelwelle 16 ist
an einer Hauptlagerfläche
nahe einem unteren Abschnitt des Motorblocks drehbar an dem Motorblock
angebracht, so dass sich die Kurbelwelle um eine Achse drehen kann,
die zu einer durch jeden Zylinder festgelegten Langsachse senkrecht
ist. An einer geeigneten Stelle ist ein Kurbelwellensensor positioniert,
der zum Erzeugen eines Signals dient, das von dem Steuergerät zum Messen von
Kurbelwinkel verwendbar ist, und das übersetzbar ist, um Maße für Kurbelwellendrehung,
Drehzahl und Beschleunigung vorzusehen, die in verschiedenen Steuerschemata
verwendbar sind. Während
des Betriebs des Motors bewegt sich jeder Kolben 14 aufgrund
von Verbindung mit und Drehung der Kurbelwelle 16 und aufgrund
des Verbrennungsprozesses in einer hin- und herbewegenden Weise
in dem Zylinder auf und ab. Die Kurbelwelle bewirkt eine Übersetzung
der linearen Bewegung jedes Kolben in Drehbewegung, die zu einer
anderen Vorrichtung übertragen
werden kann, z. B. einem Fahrzeugantriebsstrang.
-
Der
Motorkopf umfasst eine Metallgussvorrichtung mit einem oder mehreren
Einlasskanälen
und einem oder mehreren Auslasskanälen, die zu dem Brennraum 20 verlaufen.
Der Einlasskanal liefert dem Brennraum 20 Luft. Verbrennungsgase
(verbrannte Gase) strömen
mittels des Auslasskanals von dem Brennraum 20. Das Strömen von
Luft durch jeden Einlasskanal wird durch Betätigung eines oder mehrerer
Einlassventile 22 gesteuert. Das Strömen von Verbrennungsgasen durch
jeden Auslasskanal wird durch Betätigung eines oder mehrerer
Auslassventile 24 gesteuert.
-
Die
Einlass- und Auslassventile 22, 24 weisen jeweils
einen Kopfabschnitt auf, der einen oberen Abschnitt umfasst, der
gegenüber
dem Brennraum freiliegt. Jedes der Ventile 22, 24 weist
einen Schaft auf, der mit einer Ventilbetätigungsvorrichtung verbunden
ist. Eine Ventilbetätigungsvorrichtung 26 dient
zum Steuern des Öffnens
und Schließens
jedes der Einlassventile 22, und eine zweite Ventilbetätigungsvorrichtung 28 dient zum
Steuern des Öffnens
und Schließens
jedes der Auslassventile 24. Jede der Ventilbetätigungsvorrichtungen 26, 28 umfasst
eine mit dem Steuersystem signalverbundene Vorrichtung, die zum
Steuern von Zeiteinstellung, Dauer und Größenordnung des Öffnens und
Schließens
jedes Ventils, entweder gemeinsam oder einzeln, dient. Eine Ausführungsform
des beispielhaften Motors umfasst ein System mit zwei obenliegenden
Nockenwellen, das Vorrichtungen für eine variable Hubsteuerung
(VLC, kurz vom engl. Variable Lift Control) und eine variable Nockenwellenphasensteuerung
(VCP, kurz vom engl. Variable Cam Phasing) als Teil der Ventilbetätigungsvorrichtungen 26, 28 aufweist.
VCP-Vorrichtungen dienen zum Steuern von Zeiteinstellung für das Öffnen oder
das Schließen
jedes Einlassventils und jedes Auslassventils im Verhältnis zur
Drehstellung der Nockenwelle und öffnen jedes Ventil eine feste
Kurbelwinkeldauer lang. VLC-Vorrichtungen dienen zum Steuern der
Größenordnung
des Ventilhubs auf eine von zwei Stellungen: zum Beispiel eine Stellung
auf 3–5
mm Hub über
eine Öffnungsdauer
von 120–150
Kurbelwinkelgrad und eine andere Stellung auf 9–12 mm Hub über eine Öffnungsdauer von 220–260 Kurbelwinkelgrad.
Einzelne Ventilbetätigungsvorrichtungen
können
der gleichen Funktion mit der gleichen Wirkung dienen. Die Ventilbetätigungsvorrichtungen
werden vorzugsweise durch das Steuersystem gemäß vorbestimmten Steuerschemata
gesteuert. Alternative Betätigungsvorrichtungen
für variable
Ventile, die zum Beispiel vollflexible elektrische oder elektrohydraulische
Vorrichtungen umfassen, können
ebenfalls verwendet werden und haben den weiteren Vorteil einer
unabhängigen Öffnungs- und
Schließphasensteuerung
sowie einer im Wesentlichen stufenlosen Ventilhubvariabilität innerhalb
der Beschränkungen
des Systems.
-
Durch
einen Ansaugkrümmer-Durchgang 34,
der durch eine bekannte Luftdosiervorrichtung und ein Drosselventil
strömende
gefilterte Luft aufnimmt, wird Luft zu dem Einlasskanal eingelassen.
Abgas strömt
von dem Auslasskanal zu einem Abgaskrümmer, der Abgassensoren umfasst,
die zum Überwachen
von Bestandteilen des Abgaszufuhrstroms und zum Ermitteln von damit
verbundenen Parametern dienen. Die Abgassensoren können eine
beliebige von mehreren bekannten Erfassungsvorrichtungen umfassen,
die zum Vorsehen von Parameterwerten für den Abgaszufuhrstrom, einschließlich Luft/Kraftstoff-Verhältnis, oder
Messung von Abgasbestandteilen, z. B. NOx, CO, HC u. a., dienen.
Das System kann einen Sensor im Zylinder zum Überwachen von Verbrennungsdrücken oder
nicht-intrusive Drucksensoren oder eine folgernd ermittelte Druckermittlung
(z. B. durch Kurbelwellenbeschleunigungen) umfassen. Die vorstehend
erwähnten
Sensoren und Dosiervorrichtungen liefern jeweils ein Signal als
Parametereingabe zu dem Steuersystem. Diese Parametereingaben können durch
das Steuersystem zum Ermitteln von Verbrennungsleistungsmessungen
verwendet werden.
-
Das
Steuersystem umfasst vorzugsweise eine Teilgruppe einer Gesamtsteuerungsarchitektur,
die zum Vorsehen einer koordinierten Systemsteuerung des Motors 10 und
anderer Systeme dient. Im Gesamtbetrieb ist das Steuersystem dafür ausgelegt,
Fahrereingaben, Umgebungsbedingungen, Motorbetriebsparameter und
Verbrennungsleistungsmessungen zusammenzufassen und Algorithmen
zum Steuern verschiedener Aktuatoren auszuführen, um Steuerziele für Kraftstoffwirtschaftlichkeit,
Emissionen, Leistung und Fahrverhalten zu erreichen. Das Steuersystem
ist mit mehreren Vorrichtungen wirkverbunden, durch die ein Fahrer den
Betrieb des Motors steuert oder lenkt. Beispielhafte Fahrereingaben
umfassen ein Gaspedal, ein Bremspedal, einen Gangwahlhebel und automatische
Fahrzeuggeschwindigkeitsregelung, wenn der Motor in einem Fahrzeug
verwendet wird. Das Steuersystem kann mittels eines Busses eines
lokalen Netzwerks (LAN) mit anderen Steuergeräten, Sensoren und Aktuatoren
kommunizieren, was vorzugsweise eine strukturierte Übermittlung
von Steuerparametern und Befehlen zwischen verschiedenen Steuergeräten ermöglicht.
-
Das
Steuersystem ist mit dem Motor 10 wirkverbunden und dient
zum Erfassen von parametrischen Daten von Sensoren sowie zum Steuern
einer Vielzahl von Aktuatoren des Motors 10 über geeignete
Schnittstellen. Das Steuersystem erhält einen Motordrehmomentbefehl
und erzeugt beruhend auf den Fahrereingaben eine Solldrehmomentausgabe.
Beispielhafte Motorbetriebsparameter, die von dem Steuersystem unter Verwendung
der vorstehend erwähnten
Sensoren erfasst werden, umfassen Motorkühlmitteltemperatur, Kurbelwellendrehzahl
(RPM) und -stellung, Ansaugunterdruck, Umgebungsluftstrom und -temperatur
sowie Umgebungsluftdruck. Ein zum Überwachen von Kurbelwellen-Drehstellung
ausgelegter Sensor kann zum Überwachen
oder Ermitteln eines Durchlaufens verschiedener Stufen eines Verbrennungszyklus
seitens des Motors und verschiedener Zylinder genutzt werden. Die
Messungen der Verbrennungsleistung können gemessene und gefolgerte
Verbrennungsparameter, einschließlich Luft/Kraftstoff-Verhältnis, Ort
des Spitzenverbrennungsdrucks u. a., umfassen.
-
Durch
das Steuersystem gesteuerte Aktuatoren umfassen: Kraftstoffeinspritzvorrichtungen;
die VCP/VLC-Ventilbetätigungsvorrichtungen 26, 28;
AGR-Ventil; und elektronisches Drosselsteuermodul. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
dienen vorzugsweise zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in jeden
Brennraum 20.
-
Das
Steuersystem umfasst vorzugsweise einen oder mehrere digitale Universalrechner,
wobei jeder im Allgemeinen einen Mikroprozessor oder einen Hauptprozessor,
einen Festspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM), einen elektrisch
programmierbaren Festspeicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgenerator,
einen Analog-Digital(A/D)-Schaltkreis
und einen Digital-Analog(D/A)-Schaltkreis sowie einen Eingangs-/Ausgangsschaltkreis
und Eingangs-/Ausgangsvorrichtungen (E/A) und einen geeigneten Signalaufbereitungs-
und Pufferschaltkreis umfasst. Jedes Steuergerät weist einen Satz von Steueralgorithmen auf,
die residente Programmbefehle und Kalibrierungen umfassen, die im
ROM gespeichert sind und zum Vorsehen der jeweiligen Funktionen
ausgeführt
werden.
-
Algorithmen
für die
Motorsteuerung können
während
vorab festgelegter Schleifendurchläufe ausgeführt werden. In den nicht flüchtigen
Speichervorrichtungen gespeicherte Algorithmen werden von dem Hauptprozessor
ausgeführt
und dienen zum Überwachen
von Eingaben von den Erfassungsvorrichtungen und zum Ausführen von
Steuer- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs des Motors
unter Verwendung vorab festgelegter Kalibrierungen. Schleifendurchläufe können bei
regelmäßigen Abständen, zum
Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden, während des
laufenden Motorbetriebs ausgeführt
werden. Alternativ können
Algorithmen als Reaktion auf das Eintreten eines Ereignisses oder
einer Unterbrechungsforderung ausgeführt werden.
-
In
dieser Offenbarung wird eine Strategie variabler Ventilbetätigung eingesetzt,
um entweder Abgas im Zylinder zurückzuhalten oder Abgas wieder
in den Zylinder einzuleiten. Die heißen Abgase mindern die HC/CO-Rohemissionen des
Motors und heben die Abgastemperatur an. Es wird ein Verfahren offenbart,
das eine Strategie variablen Ventilhubs zum Verringern von HC- und
CO-Rohemissionen des Motors nutzt. Durch Ändern des Ventilhubprofils
können
mehr heiße
Abgase in dem Zylinder festgehalten werden. Heißes Abgas verbessert die Kraftstoffverdampfung,
fördert
die Kraftstoffoxidation und verbessert die Verbrennungsstabilität. Es können drei
unterschiedliche Strategien zum Vergrößern der inneren AGR-Menge genutzt werden:
Auslassrücksaugen,
Abgasrückverdichtung
und Einlassrücksaugen.
-
Bei
der Abgasrückverdichtungsstrategie
wird das Abgas durch Schließen
des Auslassventils frühzeitig während des
Auspufftakts in dem Zylinder zurückgehalten
(während
das Einlassventil mit später
Zeitvorgabe symmetrisch zur Auslassventilschließzeitvorgabe geöffnet wird).
Bei dieser Ventilstrategie hängt
die Menge des inneren Rückstands
(oder der inneren AGR) davon ab, wie frühzeitig das Auslassventil während des
Auspufftakts schließt.
Wenn zum Beispiel das Auslassventil während des Auspufftakts früher schließt, würde mehr heißes Abgas
aus dem vorherigen Motorzyklus in dem Zylinder zurückgehalten
werden.
-
Bei
der Auslassrücksaugstrategie
wird das heiße
Abgas durch erneutes Öffnen
des Auslassventils während
des Ansaugtakts wieder in den Zylinder eingeleitet. Bei dieser Ventilstrategie
hängt die
Menge des inneren Rückstands
(oder der inneren AGR) von der Zeitvorgabe, dem Hub und der Dauer
des Vorgangs des erneuten Ventilöffnens
ab. Der Ansaugkrümmerdruck
und der Abgaskrümmerdruck
beeinflussen ebenfalls die Menge des inneren Rückstands. 3 veranschaulicht
graphisch ein Ventilhubprofil für
einen unter einer beispielhaften Rücksaugstrategie arbeitenden
Zylinder gemäß der Offenbarung.
In einem Auspufftakt öffnet
und schließt
bekanntermaßen
ein Auslassventil, wobei die Kolbenbewegung Abgas des vorherigen
Verbrennungszyklus herausdrängt.
Bei einem Ansaugtakt öffnet
und schließt
bekanntermaßen
ein Einlassventil, wobei die Kolbenbewegung für den nächsten Verbrennungszyklus Luft
von dem Ansaugkrümmer
einsaugt. Das Auslassrücksaugen
umfasst die Betätigung
des Auslassventils während
des Ansaugtakts, wobei während
des Einsaugens von Luft durch das Einlassventil Abgas gleichzeitig
durch das Auslassventil wieder eingesaugt wird. Auf diese Weise
umfasst ein Teil der Gase in dem Brennraum nach dem Ansaugtakt Abgase,
wobei ein Großteil des
Sauerstoffs fehlt, der vorhanden wäre, wenn sie durch zusätzliche
Luft durch den Einlass ersetzt würden. Dieses
Absenken des Sauerstoffgehalts in dem Brennraum senkt die Temperatur
der Verbrennung den nächsten
Verbrennungszyklus hindurch, wodurch NOx-Reduktion erreicht wird.
-
3 veranschaulicht
das Arbeiten von sechs verschiedenen Fällen, die das Arbeiten eines
Verfahrens innerer AGR veranschaulichen, wobei das Auslassventil
geöffnet
wird, um ein Saugen von Restgasen von dem Abgaskrümmer zurück in den
Brennraum zu verwirklichen. Fall 1 ist ein Kontrollfall, bei dem
das Ventil nicht geöffnet
wird. Die Fälle
2 bis 6 veranschaulichen die Auswahl verschiedener Auslassventil-Öffnungseinstellungen,
wobei die Fälle
das Öffnen
des Ventils um einen Betrag veranschaulichen, der bei jedem Fall
größer wird.
-
Die
Nutzung von Restgasgehalt in dem Brennraum zum Verbessern von Motoremissionen
ist bekannt, zum Beispiel durch Verwendung eines äußeren AGR-Kreislaufs.
Es ist aber bekannt, dass bei äußeren AGR-Verfahren häufig eine
AGR-Kühlvorrichtung
genutzt wird, um die Temperatur von AGR-Gasen zu senken, bevor die
AGR-Gase wieder zu dem Ansaugkrümmer
eingeleitet werden. Unter Startbedingungen, bei denen die gesamte
bei der Verbrennung erzeugte Wärme
das Erwärmen
der Nachbehandlungsvorrichtungen unterstützen soll, vergeudet dieses
Strömen
der AGR-Gase durch den äußeren AGR-Kreislauf
benötigte
Verbrennungswärme.
Das innere AGR-Verfahren von 3 ist zusätzlich vorteilhaft,
da keine Wärme
an einem äußeren Kreislauf
vergeudet wird; vielmehr bleibt durch die Rücksauggase übertragene Wärme in der
Nähe des
Zylinders und des Abgaskrümmers
und wird schnell durch die Abgasanlage geleitet, um das Erwärmen der
Nachbehandlungsvorrichtungen zu unterstützen.
-
Bei
der Einlassrücksaugstrategie
wird heißes
Abgas durch Öffnen
des Einlassventils während
des Auspufftakts in den Ansaugkrümmer
ausge stoßen.
Analog zu der Auslassrücksaugstrategie
hängt die
Menge des inneren Rückstands
(oder der inneren AGR) von der Zeitvorgabe, dem Hub und der Dauer
dieses Einlassventil-Abgasrücksaugvorgangs
ab.
-
Das
Verringern der HC- und CO-Emissionen bei Leerlauf und niedrigen
Lasten kann auch durch Erwärmen
des Ansaugkrümmers
verwirklicht werden. Ein solches System erfordert aber einen hohen
Einsatz von Energie im Krümmer,
die nicht zur Verbrennung oder zum Wirkungsgrad des Antriebsstrangs
beiträgt.
-
Verglichen
mit Abgasrückverdichtung
weist das Auslassrücksaugen
geringere Wärmeübertragungs- und
Pumpverluste auf. Auch muss nur ein Auslassventilhub geändert werden,
um die Auslassrücksaugstrategie
zu verwirklichen. Die Abgasrückverdichtung
erfordert jedoch die Änderung
aller Einlass- und Auslassventilhubprofile, was die Fertigungskosten
stark anhebt. Verglichen mit dem Einlassrücksaugen führt das Auslassrücksaugen
zu niedrigeren Wärmeverlusten,
da der Abgaskrümmer
wärmer
als der Ansaugkrümmer
ist.
-
Beim
Verwenden einer Auslassrücksaugstrategie
mit einem einzelnen Ventil zum Verringern von HC- und CO-Rohemissionen
des Motors und Anheben der Abgastemperatur gibt es Vorteile. Es
wurden Experimente unter Verwendung eines Einzylindermotors durchgeführt, der
mit einem vollflexiblen Ventilbetätigungssystem ausgestattet
war. Die Bedingungen der Experimente sind nachstehend in Tabelle
1 zusammengefasst. Diese Bedingung stellt eine typische Leerlaufbedingung
dar, wenn sich der Motor noch erwärmt. Im Wesentlichen treten
85% der HC- und CO-Emissionen über einem
FTP-Zyklus während
des Erwärmens
des Motors auf. Das Verringern der Emissionen während des Erwärmens des
Motors senkt die Emissionen während
des FTP-Zyklus stark. Tabelle 1
Bedingungen
der Experimente |
Drehzahl | 655
U/min. |
IMEP* | 210
kPa |
Ansaugkrümmerdruck | 96,5
kPa |
Abgaskrümmerdruck | 103
kPa |
Ansaugkrümmertemperatur | 40°C |
Motorkühlmitteltemperatur | 40°C |
Kraftstoffeinspritzdruck | 500
bar |
Ort
mit 50% Kraftstoffverbrennung | 5
nach OT |
EINOx | 0,5
g/kg-Kraftstoff |
- *) = kurz vom engl. Indicated Mean Effective
Pressure, angezeigter mittlerer effektiver Druck
-
4 ist
eine graphische Darstellung von beispielhaften Verbrennungsergebnissen
der Auslassrücksaugung
durch eine Reihe von experimentellen Werten gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Die in Verbindung mit 3 beschriebenen sechs Fälle sind
in 4 dargestellt. 4 zeigt
den Zylinderdruck, die Wärmefreisetzungsrate
(HRR), den Einspritzvorrichtungsstrom und die Ventilhubprofile von
sechs Experimenten (Fälle
1–6) mit
unterschiedlichen Auslassrücksaug-Ventilhubprofilen.
HRR ist in der obersten Reihe von Darstellungen verbildlicht, wobei
der Zylinderdruck, der in den mittleren Darstellungen verbildlicht
ist, eine Reihe von stark ausgeprägten Spitzen zeigt, die zwischen
etwa 28–41
bar einen Höchstwert
erreichen. Zu beachten ist, dass in diesen Fällen die Auslassrücksaugung
durch Verwenden von nur einem der zwei Auslassventile verwirklicht
wird. Das andere Ventil wird während
des Ansaugtakts nicht nochmals geöffnet. Die NOx-Rohemissionen
des Motors wurden durch Verwen den einer geeigneten Menge äußerer AGR
konstant gehalten. Wie vorstehend beschrieben stellt Fall 1 das
herkömmliche
Ventilhubprofil ohne das Auslassrücksaugen dar. Die Fälle 2 bis
6 stellen einen Bereich eines zunehmenden Auslassrücksaug-Ventilhubs
dar. Wie erwartet nimmt die Zündverzögerungszeit
aufgrund der steigenden Menge heißer innerer AGR mit zunehmendem
Rücksaugventilhub
ab. Die scheinbare Spitzenrate der Wärmefreisetzung steigt aufgrund
der schnelleren chemischen Reaktionsrate auch mit zunehmender innerer
AGR.
-
5 ist
eine graphische Darstellung von HC- und CO-Rohemissionen des Motors
und Abgastemperatur, die sich aus dem beispielhaften Experiment
von 4 ergeben, gemäß der vorliegenden
Offenbarung. Es sind die Ergebnisse der Fälle 1–6 abgebildet. Die x-Achse
ist die äußere AGR-Rate.
Bei den gleichen NOx-Emissionen ist weniger äußere AGR bei zunehmendem Rücksaugventilhub
erforderlich. Das Steigern der inneren AGR-Menge verringert sowohl HC- als auch
CO-Emissionen. Fall 6 zeigt, dass es möglich ist, das NOx-Emissionsziel
durch Verwenden allein von innerer AGR zu erreichen. Insgesamt werden
die HC- und CO-Emissionen durch Verwenden innerer AGR durch erneutes Öffnen eines
einzelnen Auslassventils während
des Ansaugtakts um 30% und 55% verringert. Die Abgastemperatur steigt
um mehr als 30°C,
was dazu beiträgt,
das Anspringen des Nachbehandlungssystems zu verbessern. Das Testen
der Wirkungen von innerer und äußerer AGR
auf Emissionen, Motorleistung und andere Faktoren kann kalibriert
oder modelliert und zur Verwendung beim Steuerbetrieb der inneren
und äußeren AGR
für Sollergebnisse
im Speicher im Fahrzeug gespeichert werden. Zum Beispiel können in
dem Speicher gespeicherte Emissionsdaten genutzt werden, um eine
erwünschte
Restgasmenge zum Steuern einer wählbaren
Auslassventileinstellung festzulegen.
-
Wenngleich
das Steigern der heißen
inneren AGR bei Leerlauf und niedrigen Lasten einen großen Vorteil
zeigt, ist es bei mittleren und hohen Lasten nicht erwünscht. Die
Untersuchung zeigt, dass die innere AGR nicht bei Lasten von über etwa
2 bar BMEP (kurz vom engl. Barometric Mean Effective Pressure, mittlerer effektiver
Arbeitsdruck) verwendet werden sollte. Bei Lasten von über 2 bar
BMEP kann die innere AGR hohe Rauchemissionen verursachen. Durch Überwachen
von Motorlast und Bestimmen der Motorlast, so dass sie unter einem
Schwellenwert liegt oder innerhalb eines festgelegten Bereichs niedriger
Last vorliegt, kann ein geeignetes Arbeiten der inneren AGR erreicht
werden.
-
Auslassrücksaugen
kann auch ein Verschmutzen des AGR-Kühlers durch Verringern der
HC-Emissionen mindern. Das Vorhandensein von HC ist einer der Hauptfaktoren,
der ein Verschmutzen des AGR-Kühlers
bewirkt. Zudem verringert wie vorstehend dargelegt das Auslassrücksaugen
ein Verschmutzen des AGR-Kühlers
durch vollständiges
Beseitigen des äußeren AGR-Stroms.
Ein weiterer möglicher
Vorteil ist ein verbessertes Ansprechen des Motors. Anstelle durch
die lange äußere AGR-Schleife
zu strömen,
wird heiße innere
AGR wieder direkt von dem Abgaskrümmer eingeleitet, was die Steuerungsverzögerung verringert
und somit die Emissionen während
Motortransienten verringert.
-
Bei
einem Dieselmotor wird zum Minimieren von Kosten ein einfaches zwei-stufiges
VVA-System bevorzugt. Bei Leerlauf und niedrigen Lasten wird eine
Auslassrücksaugstrategie
verwendet, um die HC- und CO-Emissionen
zu verringern. Bei Lasten von über
2 bar BMEP sollte zum Minimieren der Rauchemissionen das herkömmliche
Ventilprofil eingesetzt werden.
-
Wie
vorstehend erwähnt
verbessern die hierin offenbarten Verfahren zusätzlich die Verbrennungsstabilität durch
Verwenden innerer AGR bei Leerlauf/leichten Lasten. Ferner mindern
Verfahren der inneren AGR ein Verschmutzen des AGR-Kühlers oder
eine Verunreinigung der AGR-Kühlung in
Verbindung mit dem Einwirken von Abgasen, indem innere AGR nur bei
Leerlauf/leichten Lasten verwendet wird.
-
Zu
beachten ist, dass die innere AGR-Menge durch Steuern der Druckdifferenz
zwischen Ansaug- und Abgaskrümmer
durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren angepasst werden
kann.
-
Zum
Liefern des Solldrucks zur Einspritzvorrichtung sind ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem und
eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe erforderlich. Beispielhafte Einspritzvorrichtungen
umfassen eine Magnet-Einspritzvorrichtung
oder eine piezoelektrische Einspritzvorrichtung. Zum Ausführen von
Motorsteuerschemata wird ein Motorsteuermodul (ECM) beruhend auf
Fahrereingaben, Umgebungsbedingungen und Motorbetriebsbedingungen
verwendet. Die Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten und die Kraftstoffeinspritzmenge
werden kalibriert und in dem ECM integriert.
-
Wenngleich
in dieser Offenbarung beispielhafte Dieselmotorkonfigurationen für verschaulichende Zwecke
beschrieben werden, können
die hierin beschriebenen Verfahren in jedem Dieselverbrennungsmotor verwendet
werden.
-
Die
Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen
derselben beschrieben. Weitere Abwandlungen und Änderungen können einem beim Lesen und Verstehen
der Beschreibung einfallen. Daher soll die Offenbarung nicht auf
die bestimmte(n) Ausführungsformen)
beschränkt
sein, die als die zum Ausführen
dieser Erfindung als beste erwogene Methode offenbart wurde(n),
sondern die Offenbarung soll alle Ausführungsformen umfassen, die
in den Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche
fallen.