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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und ein System zum Steuern von Verbrennung in einem Dieselmotor. Die Offenbarung betrifft insbesondere Dieselmotoren mit Direkteinspritzung.
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Hintergrund
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Die Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
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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.
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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.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 014 996 A1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine und insbesondere eines Ottomotors mit Direkteinspritzung sowie ein entsprechendes Steuergerät. Vor dem Hintergrund einer möglichst geringen Schadstoffemission unter Vermeidung insbesondere von Stickoxidemissionen wird vorgeschlagen, Verbrennungsabgase durch externe und interne Abgasrückführung in den Brennraum zu führen bzw. dort zu belassen. Dies wird erreicht durch eine variable Einstellung der Öffnungszeiten eines Einlassventils und eines Auslassventils in Bezug aufeinander und in Bezug auf die zeitliche Variation des Volumens des Brennraums. Durch eine Mischung interner und externer Verbrennungsgase lässt sich die Temperatur des Gasgemischs im Brennraum steuern, wobei eine träge Regelung über externe Abgasrückführung und eine schnelle Regelung über internen Restgasverbleib eingesetzt werden, um z. B. bei unterschiedlichen Lastpunkten der Brennkraftmaschine unterschiedliche Zusammensetzungen mit unterschiedlichen Temperaturen zu erreichen.
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Die Druckschrift
US 2006/0016438 A1 offenbart die Verbrennungssteuerung bei einer Brennkraftmaschine im HCCI-Modus. Es werden bestimmte Einstellungen für die interne und externe Abgasrückführung in den Brennraum gewählt und in Abhängigkeit von der Motorlast und der Motordrehzahl angepasst. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Sauerstoffanteil am Einlass werden berücksichtigt, um auf deren Grundlage Anteile von Verbrennungsgasen im Einlass und im Auslass im Vergleich zu gewünschten Einstellpunkten zu regeln.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein System zum Steuern von Verbrennung in einem Dieselmotor anzugeben, bei welchen durch Abgasrückführung Abgasemissionen besonders zuverlässig reduziert werden können.
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Zusammenfassung
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei Verfahren zum Steuern von Verbrennung in einem Dieselmotor erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und alternativ mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 gelöst. Ebenso wird die Aufgabe bei einem System zum Steuern von Verbrennung in einem Dieselmotor erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 graphisch die Emissionsproblematik in Verbindung mit Dieselverbrennung und die Wirkung von Temperatur und Niederlastbestrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2 eine teilweise Darstellung im Schnitt eines beispielhaften Dieselmotors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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3 graphisch ein Ventilhubprofil für einen Zylinder, der unter einer beispielhaften Rücksaugstrategie arbeitet, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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4 eine graphische Darstellung von beispielhaften Verbrennungsergebnissen durch Auslassrücksaugung durch eine Reihe von experimentellen Werten gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
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5 eine graphische Darstellung von HC- und CO-Rohemissionen des Motors und Abgastemperatur als Folge des beispielhaften Experiments von 4 gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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Eingehende Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Kurbeiwinkel 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei der Einlassrücksaugstrategie wird heißes Abgas durch Öffnen des Einlassventils während des Auspufftakts in den Ansaugkrümmer ausgestoßen. 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.
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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.
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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.
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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
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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 Verwenden 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wenngleich in dieser Offenbarung beispielhafte Dieselmotorkonfigurationen für verschaulichende Zwecke beschrieben werden, können die hierin beschriebenen Verfahren in jedem Dieselverbrennungsmotor verwendet werden.
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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) Ausführungsform(en) 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.
