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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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Die nachveröffentlichte Druckschrift
DE 10 2008 023 806 A1 offenbart ein Abgassystem mit thermoelektrischem Generator, bei dem ein Umgehungsventil eine Abgasströmung durch eine Abgasumleitung und/oder durch einen thermoelektrischen Generator hindurch steuert. Das Umgehungsventil wird dabei unter Berücksichtigung einer Motortemperatur, einer Temperatur des thermoelektrischen Generators und/oder eines Abgasgegendrucks gesteuert.
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In der Druckschrift Liebl, J. et al.: Der thermoelektrische Generator von BMW macht Abwärme nutzbar. In: MTZ - Motortechnische Zeitschrift. Band 70, Ausgabe 4, S. 272-281, April 2009. ISSN (Onlineausgabe) 2192-8843 ist der Einsatz eines thermoelektrischen Generators in einem Prototypenfahrzeug offenbart. Der thermoelektrische Generator ist parallel zu einer Abgasumleitung angeordnet, um eine Überhitzung des thermoelektrischen Generators und einen zu hohen Abgasgegendruck zu vermeiden.
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Die nachveröffentlichte Druckschrift Friedrich, H. et al: STROM AUS ABGASEN - FAHRZEUGGERECHTE ENTWICKLUNG THERMOELEKTRISCHER GENERATOREN. In: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift. Band 112, Ausgabe 4, S. 292-299, April 2010. ISSN (Onlineausgabe) 2192-8800 offenbart theoretische Grundlagen und Simulationsmodelle für thermoelektrische Generatoren und erörtert deren Einsatzmöglichkeiten in Fahrzeugen.
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In der Druckschrift
US 2005 / 0 268 598 A1 ist eine Katalysatortemperaturregelung mithilfe eines thermoelektrischen Generators offenbart, bei der beim Überschreiten einer Referenztemperatur des Katalysators der thermoelektrische Generator aktiviert wird.
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Die Druckschrift
US 7 100 369 B2 offenbart einen thermoelektrischen Generator, durch den Kraftmaschinenabgas hindurch und zurück an einen Einlass der Kraftmaschine geleitet wird. Ein Einlassventil wird zur Steuerung der Menge des zurückgeführten Abgases verwendet.
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In der Druckschrift
WO 2007/ 002 891 A2 ist ein thermoelektrischer Generator mit einem Zwischenkreis offenbart, der eine erweiterte Steuerbarkeit des Generators bei schwankenden Temperaturen und Wärmeströmungen ermöglicht.
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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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Dabei wird der gewünschte Abgasdruck auf der Grundlage der Massenströmung des Abgases bestimmt.
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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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Figurenliste
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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:
- 1 ein Funktionsblockdiagramm ist, welches ein Fahrzeug veranschaulicht, das ein Umgehungsventilsteuerungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst;
- 2 ein Datenflussdiagramm ist, das ein Steuermodul des Fahrzeugs von 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht; und
- 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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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/KraftstoffGemisches 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 empfangt 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.
