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REGIERUNGSRECHTE
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Diese
Erfindung erfolgte mit Regierungsunterstützung unter dem Vertrag DE-FC26-04NT
42278 der US-Regierung, der vom Energieministerium der Vereinigten
Staaten vergeben wurde. Die Regierung besitzt einige Rechte an dieser
Erfindung.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Verfahren und Systeme
zur Steuerung eines Abgasumgehungsventils, und insbesondere auf
Verfahren und Systeme zur Steuerung eines Abgasumgehungsventils
zur Erzeugung thermoelektrischer Leistung.
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HINTERGRUND
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Der
Elektrizitätsbedarf
in Fahrzeugen nimmt aufgrund der Anforderungen nach verbesserter
Leistung, nach fahrzeugeigenen Steuerungseinrichtungen und Annehmlichkeiten
(z. B. Stabilitätsregelungen,
Telematik, Navigationssysteme, elektronisches Bremsen usw.) zu.
Herkömmliche
Verbrennungsmotoren sind bei der Energienutzung nicht effizient.
In einigen Fällen
kann die vom Motor nicht genutzte Energie verwendet werden, um die
elektrischen Lasten im Fahrzeug mit Leistung zu versorgen.
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Bei
einem Beispiel werden gegenwärtig
thermoelektrische Einrichtungen in das Abgassystem des Fahrzeugs
eingebaut, um überschüssige Wärme in nutzbare
Energie umzusetzen. Ein einfaches Anordnen der thermoelektrischen
Einrichtung in der Abgasströmung
des Fahrzeugs kann jedoch den Wirkungsgrad und die Leistung des
Motors wegen der Zunahme einer Abgasgegendrucklast negativ beeinflussen
und setzt die thermoelektrische Einrichtung aufgrund der hohen Abgastemperaturen
potentiell einem Risiko aus.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird ein Verfahren zum Steuern einer Motorabgasströmung über ein
Umgehungsventil durch eine Abgasumleitung und/oder eine thermoelektrische
Einrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst, dass: eine Massenströmung von
Abgas bestimmt wird, das einen Motor verlässt; ein gewünschter
Abgasdruck auf der Grundlage der Massenströmung des Abgases bestimmt wird;
der gewünschte Abgasdruck
mit einem ermittelten Abgasdruck verglichen wird; und ein Umgehungsventilsteuerungswert auf
der Grundlage des Vergleichs bestimmt wird, wobei der Umgehungsventilsteuerungswert
verwendet wird, um das Umgehungsventil zu steuern.
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Die
vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden
genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere
Ziele, Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur als Beispiel in
der folgenden genauen Beschreibung von Ausführungsformen, wobei sich die
genaue Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:
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1 ein
Funktionsblockdiagramm ist, welches ein Fahrzeug veranschaulicht,
das ein Umgehungsventilsteuerungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
umfasst;
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2 ein
Datenflussdiagramm ist, das ein Steuermodul des Fahrzeugs von 1 gemäß einer beispielhaften
Ausführungsform
veranschaulicht; und
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3 ein
Flussdiagramm ist, das ein Umgehungsventilsteuerungsverfahren veranschaulicht, das
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform von
dem Steuermodul von 2 ausgeführt werden kann.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist nicht
dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten
einzuschränken.
Es versteht sich, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen
gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Bei der
Verwendung hierin bezeichnet der Ausdruck ”Modul” eine anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen
Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) samt Speicher,
der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine
kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten,
welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Mit
Bezug nun auf 1 umfasst ein beispielhaftes
Motorsystem 10 eines Fahrzeugs 11 einen Motor 12,
der ein Luft und Kraftstoff-Gemisch verbrennt, um Antriebsdrehmoment
zu erzeugen. Es ist festzustellen, dass das Abgasumgehungsventil-Steuerungssystem
auf verschiedene Motorsysteme angewendet werden kann und nicht auf
das vorliegende Beispiel beschränkt
ist.
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Bei
dem in 1 gezeigten beispielhaften Motorsystem 10 wird
Luft durch eine Drossel 16 in einen Ansaugkrümmer 14 eingesaugt.
Die Drossel 16 regelt eine Luftmassenströmung in
den Ansaugkrümmer 14.
Luft im Ansaugkrümmer 14 wird
im Zylinder 18 verteilt. Obwohl ein einziger Zylinder 18 veranschaulicht
ist, ist festzustellen, dass das Abgasumgehungsventil-Steuerungssystem
der vorliegenden Offenbarung bei Motoren 12 implementiert
werden kann, die eine Vielzahl von Zylindern 18 aufweisen, welche
2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12 Zylinder umfasst, aber nicht darauf
beschränkt
ist.
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Eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 spritzt Kraftstoff ein,
der mit der Luft kombiniert wird, wenn sie durch eine Einlassöffnung in
den Zylinder 18 eingesaugt wird. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 kann
eine Einspritzvorrichtung sein, die mit einem elektronischen oder
mechanischen Kraftstoffeinspritzsystem 20, einer Düse oder
einer Öffnung
eines Vergasers oder einem anderen System zum Vermischen von Kraftstoff
mit Ansaugluft verbunden ist. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 wird
gesteuert, um ein gewünschtes
Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F-Verhältnis) innerhalb
jedes Zylinders 18 bereitzustellen.
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Ein
Einlassventil 22 wird selektiv geöffnet und geschlossen, um zu
ermöglichen,
dass das Luft/Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder 18 eintritt.
Die Einlassventilposition wird von einer Einlassnockenwelle 24 geregelt.
Ein (nicht gezeigter) Kolben komprimiert das Luft/Kraftstoff-Gemisch
im Zylinder 18. Eine Zündkerze 26 leitet
eine Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches ein, welche den Kolben
im Zylinder 18 antreibt. Der Kolben wiederum treibt eine (nicht
gezeigte) Kurbelwelle an, um Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Verbrennungsabgas
im Zylinder 18 wird durch eine Auslassöffnung hinausgedrückt, wenn
ein Auslassventil 28 in einer offenen Position steht. Die
Auslassventilposition wird von einer Auslassnockenwelle 30 geregelt.
Das Abgas verlässt den
Motor 12 durch einen Abgaskrümmer 31, wird in einem
Abgassystem 32 behandelt und in die Atmosphäre freigesetzt.
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Das
Abgassystem 32 umfasst eine thermoelektrische Einrichtung,
wie etwa einen thermoelektrischen Generator 34, eine Umleitung 36 und
ein Umgehungsventil 38. Der thermoelektrische Generator 34 ist
zwischen dem Motor 12 und beispielsweise einem (nicht gezeigten)
Schalldämpfer
oder Auspufftopf angeordnet. Der thermoelektrische Generator 34 empfängt heißes Abgas
vom Motor 12 und wandelt das heiße Gas in elektrische Energie
um. Die elektrische Energie kann zum Betreiben einer oder mehrerer
(nicht gezeigter) elektrischer Komponenten des Fahrzeugs 11 verwendet
werden. Die Umleitung 36 ist bereitgestellt, um überschüssiges Abgas
von dem thermoelektrischen Generator 34 wegzuleiten. Das Umgehungsventil 38 wird
selektiv gesteuert, um zu ermöglichen,
dass das Abgas durch die Umleitung 36, den thermoelektrischen
Generator 34 oder durch beide strömt. Das Abgasumgehungsventil 38 ist,
wie es in 1 gezeigt ist, in einer Position
im Abgassystem 32 zwischen dem Abgaskrümmer 31 und dem thermoelektrischen
Generator 34 angeordnet. Eine alternative Ausführungsform
ordnet das Abgasumgehungsventil 38 an einer Position an,
an der sich das Auspuffrohr, das den thermoelektrischen Generator 34 verlässt, mit
der Abgasumleitung vereinigt, wie bei 37 von 1 gestrichelt
gezeigt ist.
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Ein
Steuermodul 40 steuert die Arbeitsweise des Motorsystems 10 und/oder
des Abgassystems 32 auf der Grundlage eines oder mehrerer
sensorischer Eingabesignale, die von einem oder mehreren Systemsensoren
erzeugt werden. Zum Beispiel erzeugt ein Motordrehzahlsensor 42 auf
der Grundlage einer Drehzahl des Motors 12 ein Motordrehzahlsignal.
Ein Motorkühlmitteltemperatursensor 44 erzeugt auf
der Grundlage einer Temperatur von Kühlmittelfluiden, die im Motor 12 vorhanden
sind, ein Motorkühlmitteltemperatursignal.
Ein Abgasdrucksensor 46a oder Sensoren 46a und 46b erzeugen
auf der Grundlage eines oder mehrerer gemessener Drücke von
Abgas im Abgassystem 32 ein oder mehrere Drucksignale.
Ein Abgastemperatursensor 48 erzeugt auf der Grundlage
einer gemessenen Temperatur des Abgases an einer geeigneten Stelle
zwischen dem Motor 12 und dem thermoelektrischen Generator 34 ein
Abgastemperatursignal. Ein Luftmassenströmungssensor 50 erzeugt
auf der Grundlage einer gemessenen Luftmenge, die in den Motor 12 eintritt,
ein Luftmassenströmungssignal.
Ein Kraftstoffmassenströmungssensor 52 erzeugt
auf der Grundlage einer Kraftstoffmenge, die in den Motor 12 eintritt,
ein Kraftstoffmassenströmungssignal.
Es ist festzustellen, dass eines oder mehrere der vorstehend aufgeführten Sensorsignale
auf der Grundlage anderer Sensorsignale modelliert oder gemessen werden
können.
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Es
ist festzustellen, dass relevante Abgasdrücke mit Bezug auf einen atmosphärischen
Druck oder auf einen Druck im Abgassystem 32 gemessen oder
modelliert werden können.
Zum Beispiel kann der Druck des Abgases unmittelbar beim Verlassen des
Auslassventils 28 relativ zum atmosphärischen Druck gemessen werden.
Bei einem anderen Beispiel wird der Abgasdruck unmittelbar vor dem
Umgehungsventil 38 relativ zu dem Abgasdruck gemessen oder
modelliert, der am Ausgang des thermoelektrischen Generators 34 gemessen
wird, z. B. dort, wo sich das Auspuffrohr, das den thermoelektrischen Generator 34 verlässt, mit
der Umleitung 36 vereinigt.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
empfängt
das Steuermodul 40 die vorstehenden Signale und steuert
das Umgehungsventil 38 selektiv derart, dass eine Beschädigung des
thermoelektrischen Generators 34 und/oder des Motors 12 verhindert
wird und/oder eine Ineffizienz des Motors aufgrund hoher Gegendruckniveaus
minimiert wird.
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Mit
Bezug nun auf 2 wird das Steuermodul 40 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform genauer
gezeigt. Bei verschiedenen Ausführungsformen
kann das Steuermodul 40 ein oder mehrere Untermodule und
Datenspeicher enthalten. Es ist festzustellen, dass die in 2 gezeigten
Untermodule kombiniert und/oder weiter unterteilt werden können, um
das Umgehungsventil 38 (1) auf ähnliche Weise
zu steuern. Bei diesem Beispiel enthält das Steuermodul 40 ein
Abgasströmungsbestimmungsmodul 60,
ein Abgasdruckbefehlsmodul 62, ein Abgasdrucksteuermodul 64 und
ein Temperaturbegrenzungsmodul 66.
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Das
Abgasströmungsbestimmungsmodul 60 empfängt als
Eingabe eine Luftmassenströmung 68, eine
Kraftstoffmassenströmung 70 und
eine Motordrehzahl 72. Das Abgasströmungsbestimmungsmodul 60 bestimmt
eine Abgasströmung 74 beispielsweise
durch Berechnung einer Summe der Luftmassenströmung 68 und der Kraftstoffmassenströmung 70.
Das Abgasströmungsbestimmungsmodul 60 gleicht
die Abgasströmung 74 dann
auf Zeitverzögerungen
auf der Grundlage der Motordrehzahl 72 ab.
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Das
Abgasdruckbefehlsmodul 62 empfängt die Abgasströmung 74 als
Eingang. Das Abgasdruckbefehlsmodul 62 steht mit einem
Nachschlagekennfeld 76 in Verbindung, das in einem Datenspeicher 78 gespeichert
ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen
ist das Nachschlagekennfeld 76 ein eindimensionales Nachschlagekennfeld,
das durch die Abgasströmung 74 indiziert
ist. Auf der Grundlage des Nachschlagekennfelds 76 und
der aktuellen Abgasströmung 74 bestimmt
das Abgasdruckbefehlsmodul 62 einen zu befehlenden Sollabgasdruck
(hier als der befohlene Abgasdruck 80 bezeichnet).
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Das
Abgasdrucksteuermodul 64 empfängt den befohlenen Abgasdruck 80 und
einen Abgasdruck 82 als Eingang. Der Abgasdruck 82 kann
wie vorstehend erörtert
gemessen oder modelliert werden. Das Abgasdrucksteuermodul 64 bestimmt
einen Steuerungswert 84, der zum Steuern des Umgehungsventils 38 (1)
verwendet wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der Steuerungswert 84 ein
Tastverhältnis
mit einem Bereich von null Prozent (der z. B. einer Ventilposition
entspricht, welche die maximale Abgasströmung 74 durch den
thermoelektrischen Generator 34 drückt) bis einhundert Prozent
(der z. B. einer Ventilposition entspricht, die eine maximale Abgasströmung 34 durch
die Umleitung 36 drückt).
Das Abgasdrucksteuermodul 64 bestimmt den Steuerungswert 84,
indem es den befohlenen Abgasdruck 80 mit dem Abgasdruck 82 vergleicht,
um eine Differenz zwischen dem befohlenen Abgasdruck 80 und
dem Abgasdruck 82 zu bestimmen. Bei verschiedenen Ausführungsformen
wendet das Abgasdrucksteuermodul 64 proportionale und integrierende
Verstärkungen
auf die Differenz an, um den Steuerungswert 84 zu bestimmen.
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Das
Temperaturbegrenzungsmodul 66 empfängt den Steuerungswert 84,
eine gemessene oder modellierte Motorkühlmitteltemperatur 86 und
eine gemessene oder modellierte Abgastemperatur 88 als Eingang.
Das Temperaturbegrenzungsmodul 66 begrenzt den Steuerungswert
auf einen Standardwert (z. B. null Prozent), wenn Temperaturen im
Abgassystem einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, was die Komponenten
des thermoelektrischen Generators 34 (1)
einem Risiko aussetzt. Das Temperaturbegrenzungsmodul 66 erzeugt
beispielsweise ein Steuerungssignal 90, das den Steuerungswert 84 auf
einen Standardwert beschränkt, wenn
die Motorkühlmitteltemperatur 86 größer als ein
erster vorbestimmter Wert ist oder wenn die Abgastemperatur 88 größer als
ein zweiter vorbestimmter Wert ist. Andernfalls erzeugt das Temperaturbegrenzungsmodul 66 das
Steuerungssignal 90 auf der Grundlage des Steuerungswerts 84,
der durch das Abgasdrucksteuermodul 64 bestimmt wird.
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Mit
Bezug nun auf 3 und mit fortgesetztem Bezug
auf 2 veranschaulicht ein Flussdiagramm ein Umgehungsventilsteuerungsverfahren, das
von dem Steuermodul 40 von 2 gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden kann. Wie im Licht
der Offenbarung festgestellt werden kann, ist die Ausführungsreihenfolge
innerhalb des Verfahrens nicht auf die sequentielle Ausführung beschränkt, wie
sie in 2 veranschaulicht ist, sondern kann in einer oder
mehreren variierenden Reihenfolgenden ausgeführt werden, soweit diese ausführbar sind
und mit der vorliegenden Offenbarung übereinstimmen.
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Bei
einem Beispiel kann das Verfahren bei 100 beginnen. Die
Abgasströmung 74 wird
bei 110 bestimmt. Die auf der Motordrehzahl 72 beruhende Zeitverzögerung wird
bei 120 angewendet, um die Abgasströmung 74 in der Nachbarschaft
des thermoelektrischen Generators 34 zu bestimmen, der
vom Motor 12 eine Distanz entfernt angeordnet sein kann. Der
befohlene Abgasdruck 80 wird bei 130 auf der Grundlage
des Nachschlagekennfelds 76 bestimmt und der Abgasdruck 82 wird
beispielsweise auf der Grundlage eines Abgasdrucks an einer ersten
Stelle relativ zu einem Abgasdruck an einer zweiten Stelle bestimmt,
wie vorstehend erörtert
wurde. Danach wird bei 140 die Differenz zwischen dem befohlenen Abgasdruck 80 und
dem Abgasdruck 82 bestimmt. Bei 150 werden proportionale
und integrierende Verstärkungen
auf die Differenz angewendet, um den Steuerungswert 84 zu
bestimmen. Der Steuerungswert 84 wird bei 160 innerhalb
eines Steuerungsbereichs begrenzt (z. B. auf ein Tastverhältnis zwischen null
und einhundert Prozent). Danach wird der Steuerungswert 84 bei 170–210 auf
der Grundlage von hohen Motorkühlmitteltemperaturen 86 oder
hohen Abgastemperaturen 88 auf einen Standardwert eingestellt.
Bei dieser Ausführungsform
entspricht der Standardwert einem Umgehungsventilsteuerungssignal
von einhundert Prozent, wodurch die maximale Abgasströmung durch
die Umleitung 36 gedrückt wird.
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Wenn
die Abgastemperatur 88 bei 170 beispielsweise
größer als
ein vorbestimmter Schwellenwert ist, wird der Steuerungswert 84 bei 180 auf
den Standardwert gesetzt und das Steuerungssignal 90 wird
auf der Grundlage des Standardsteuerungswerts erzeugt. Danach kann
das Verfahren bei 190 enden.
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Wenn
die Abgastemperatur 88 bei 170 jedoch kleiner
als der vorbestimmte Schwellenwert ist, aber die Motorkühlmitteltemperatur 86 bei 200 größer als
ein vorbestimmter Schwellenwert ist, wird der Steuerungswert 84 bei 180 auf
einen Standardwert eingestellt und das Steuerungssignal 90 wird
auf der Grundlage des Standardsteuerungswerts erzeugt. Danach kann
das Verfahren bei 190 enden.
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Wenn
die Abgastemperatur 88 bei 170 andererseits kleiner
als der vorbestimmte Wert ist und die Motorkühlmitteltemperatur 86 bei 200 kleiner
als der vorbestimmte Wert ist, wird das Steuerungssignal 90 bei 210 auf der
Grundlage des aktuellen Steuerungswerts 84 erzeugt und
das Verfahren kann bei 190 enden.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde,
wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden
können
und Elemente derselben durch Äquivalente
ersetzt werden können, ohne
den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zudem können viele Modifikationen durchgeführt werden,
um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die
Lehren der Erfindung anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang derselben
abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht
auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist,
die als die beste Art zum Ausführen dieser
Erfindung angesehen werden, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen
enthält,
die in den Umfang der vorliegenden Anmeldung fallen.
