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Querverweis auf verwandte
Anmeldungen
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Diese
Anmeldung beansprucht Priorität
aus der vorläufigen
U.S. Patentanmeldung Nr. 61/229,521 mit dem Titel „Twin Turbo
Diesel Aftertreatment System”,
die am 29. Juli 2009 eingereicht wurde und deren Offenbarung hierin
durch Verweis vollumfänglich
und für
alle Zwecke aufgenommen ist.
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Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem eines
twinturbogeladenen Diesel.
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Hintergrund und Zusammenfassung
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Es
sind verschiedene Verfahren zum Beschränken von Dieselmotor-Abgasemissionen
von Stickoxid (NOx), Partikelmaterial und Kohlenwasserstoffen unter
Verwenden von Dieseloxidationskatalysatoren (DOC), Partikelfiltern
(DPF), Stickoxidabsorbern (LNT) und/oder Komponenten für selektive
katalytische Reduktion (SCR, kurz vom engl. Selective Catalytic
Reduction), die stromabwärts
eines Turboladers positioniert sind, bekannt. Die Abgastemperaturen
können
aber niedriger und schwer zu steuern sein, wenn solche Abgasnachbehandlungsvorrichtungen
stromabwärts
des Turboladers positioniert sind. Ein solches Positionieren kann
zum Beispiel das Oxidieren zusätzlichen
Kraftstoffs in dem DOC erfordern, um den LNT und/oder SCR zu aktivieren und
den DPF zu regenerieren. Weiterhin können die Umwandlungswirkungsgrade
von LNT- und SCR-Stickoxid (NOx) stark von Temperatur abhängig sein.
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Die
vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass durch Anordnen einer Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
zwischen zwei Abgasturbinen die Sollabgastemperaturen leichter erreicht
werden können. Ferner
kann die Abgastemperatur direkter gesteuert werden, beispielsweise
durch die Ansaugluftdrossel, Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten und
Abgasdruck. Der Abgasdruck kann gesteuert werden, wenn die Turbinen
Turbinen veränderlicher
Geometrie (VGT) sind, Ladedruckregelventile, veränderliche Düsen etc. umfassen. Durch Anpassen
der VGT, der Ladedruckregelventile etc. kann die Menge der Expansion
des Abgases mittels der Turbinen gesteuert werden.
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In
einem Beispiel ist ein Verfahren zum Steuern einer Motorabgasanlage
mit einer ersten und zweiten Turbine und wobei eine temperaturabhängige Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
zwischen der ersten und zweiten Turbine verbaut ist, vorgesehen. Das
Verfahren umfasst: während
eines Aufwärmzustands
das Arbeiten mit einer verringerten Expansion über einer ersten Turbine, die
stromaufwärts
der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung positioniert ist, und mit einer
erhöhten
Expansion über
einer zweiten Turbine, die stromabwärts der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
positioniert ist; und während
mindestens eines Zustands nach dem Aufwärmen das Arbeiten mit einer
erhöhten
Expansion über
der ersten Turbine und einer verringerten Expansion über der
zweiten Turbine. Ferner kann die erste Turbine während des Aufwärmzustands
angepasst werden, um die Expansion über der ersten Turbine als
Reaktion auf eine Forderung nach vermehrter Motorleistung, z. B.
als Reaktion auf ein Gasgeben des Fahrers, zu steigern, wenn sich
die zweite Turbine bei einem Expansionshöchstwert befindet.
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Bei
einer solchen Vorgehensweise kann die Temperatur des Abgases, des
DPF, des LNT und/oder des SCR während
nicht aufgewärmten
Abgasbedingungen, z. B. nach Motorkaltstart aus dem Ruhezustand,
wesentlich angehoben werden. Ein solcher Temperaturanstieg der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
kann auch NOx-Umwandlungswirkungsgrade
steigern, die typischerweise während
eines Systemaufwärmens
verloren gehen. Ferner kann die Abgastemperatursteuerung einer solchen
Vorgehensweise die Notwenigkeit umgehen, Kraftstoff in dem DOC zu
oxidieren, um die Temperatur des Abgases, des DPF, des LNT und/oder
des SCR zu steuern, wodurch entweder Verdünnung von Kraftstoff in Öl, die durch
späte Kraftstoffnacheinspritzung
hervorgerufen wird, oder die Verwendung einer separaten Kraftstoffeinspritzvorrichtung
in dem Auslass umgangen wird. Somit kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeit
verbessert werden. Ferner können
die Bauteilgröße und Edelmetallbeladungen
der Nachbehandlungsvorrichtungen aufgrund von höheren Temperaturen in den Nachbehandlungsvorrichtung
bei vergleichbaren Motordrehzahlen, Lasten und Aufwärmzeiten
verringert werden.
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Es
versteht sich, dass die vorstehende Zusammenfassung vorgesehen ist,
um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen,
welche in der eingehenden Beschreibung weiter beschrieben werden.
Es sollen keine wesentlichen oder Schlüsselmerkmale des beanspruchten
Gegenstands festgestellt werden, dessen Umfang einzig und allein
durch die der eingehenden Beschreibung folgenden Ansprüche definiert
ist. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf die Implementierungen
beschränkt,
welche die vorstehend oder in jedem beliebigen Teil dieser Offenbarung
angeführten Nachteile
lösen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Schadstoffbegrenzungsvorrichtung, die zwischen zwei Turboladern
verbaut ist.
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2 zeigt
eine Temperatursteuerroutine für eine
Schadstoffbegrenzungsvorrichtung zwischen zwei Turboladern, die
mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist, während nicht aufgewärmten Motorbetriebsbedingungen.
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3 zeigt
eine Temperatur- und Drehmomentsteuerroutine für eine Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
zwischen zwei Turboladern, die mit einem Verbrennungsmotor verbunden
ist.
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Eingehende Beschreibung
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Die
folgende Beschreibung betrifft ein oder mehrere Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen,
die zwischen zwei Turbolader-Abgasturbinen (z. B. eine stromaufwärts und
eine stromabwärts)
gesetzt sind und mit einem Verbrennungsmotor verbunden sind, wie
in 1 gezeigt ist. Bei einem solchen System können die
Abgastemperaturen die Steuerung verschiedener Motorparameter, beispielsweise
eine Ansaugluftdrossel, Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten, mit verschiedenen
Abgasparametern, beispielsweise Abgasdruck, koordinieren. Der Abgasdruck
kann durch Koordinieren des Betriebs der Turbinen in verschiedenen
Betriebsmodi gesteuert werden, beispielsweise Anpassen von Turbinenbetrieb
mittels der Schaufel veränderlicher
Geometrie, wenn die Turbinen Turbolader veränderlicher Geometrie (VGT)
sind. Alternativ kann in anderen Beispielen die Anpassung des Turbinenbetriebs
das Anpassen von Turbolader-Ladedruckregelventilen, veränderlichen Düsen etc.
umfassen. Durch Anpassen des Betriebs der Turbinen bei den verschiedenen
Modi kann der Betrag der Expansion des Abgases mittels der Turbinen
gesteuert werden. Das Vergrößern der
Expansion über
einer Turbine führt
dazu, dass aus dem Abgas mehr Energie (Arbeit) gewonnen wird (und
somit mehr Ladung) und umgekehrt.
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2 zeigt
eine beispielhafte Steuerroutine zum Koordinieren des Betriebs des
Systems von 1. In einem ersten Modus arbeitet
die Routine, um die Katalysatoren in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
während
der nicht erwärmten
Motorbetriebsbedingungen, z. B. nach einem Motorkaltstart aus dem
Ruhezustand, zu erwärmen.
Nach einem Motorkaltstart kann im Einzelnen zum Beispiel die stromabwärts befindliche
Turbine mit erhöhter
Expansion betrieben und vorrangig genutzt werden, um den Ladedruck
in dem Motoreinlass zu erzeugen, während die stromaufwärts befindliche
Turbine verhältnismäßig wenig
Ladedruck (mit verhältnismäßig wenig
Expansion) erzeugt, so dass die Abgaswärme gehalten wird, um die Temperatur
der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung(en) anzuheben. Weiterhin kann
die stromaufwärts
befindliche Turbine auch verwendet werden, um auf Forderungen nach
noch mehr Ladedruck zu reagieren, beispielsweise als Reaktion auf
erhöhte
Fahrerforderung. Alternativ kann in einem zweiten Modus (z. B. nach
Aufwärmbetrieb) die
stromaufwärts
befindliche Turbine betrieben werden, um vermehrten Ladedruck zu
erzeugen (z. B. nahe einem maximalen Expansionswert), während die
stromabwärts
befindliche Turbine einen niedrigeren Expansionswert bedient, kann
aber als Reaktion auf Änderungen
der Ladedruckforderung angepasst werden. Auf diese Weise wird die
stromaufwärts
befindliche Turbine bei einem verhältnismäßig höheren Ladedruckwert gehalten,
und somit ist es möglich, transiente
Verzögerungen
aus dem Steuern der stromaufwärts
befindlichen Turbine nach unten wieder nach oben zu verringern.
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3 zeigt
eine Steuerroutine mit weiteren Einzelheiten zum Halten der Abgastemperatur
während
Motorbetrieb in einem Temperaturbereich. Der Temperaturbereich kann
unten durch einen ersten Temperaturschwellenwert und oben durch
einen zweiten Temperaturschwellenwert begrenzt sein. Der erste Temperaturschwellenwert
kann eine Temperatur sein, bei der die Nachbehandlungsvorrichtungen in
der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung ausreichend beheizt sind, um
ausreichend katalytisch aktiv zu werden. Der zweite Temperaturschwellenwert kann
eine Temperatur sein, bei der eine oder mehrere der Nachbehandlungsvorrichtungen
in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung zu degradieren beginnen,
wenn sie ausreichend lange Zeiträume
bei oder über
der Temperatur gehalten werden.
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Unter
Bezug nun auf 1 ist eine Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
gezeigt, die mit einem Verbrennungsmotor 10 verbunden ist.
Der Motor 10 kann mehrere Brennräume (d. h. Zylinder) 12 umfassen.
Auch wenn der in 1 gezeigte beispielhafte Motor
sechs Zylinder umfasst, kann der Motor 10 eine beliebige
Anzahl von Zylindern, zum Beispiel vier oder acht Zylinder umfassen.
Die Brennräume 12 können Ansaugluft
von einem Ansaugkrümmer 14 aufnehmen
und können
mittels eines Auslasskanals 46 Verbrennungsgase ablassen.
Stromaufwärts
des Ansaugkrümmers 14 kann
entlang eines Einlasskanals 22 eine Drossel 18 angeordnet
sein. Die Drossel 18 kann eine Drosselklappe 20 umfassen.
Die Stellung der Drosselklappe 20 kann durch ein Steuergerät 24 mittels
eines Signals verändert
werden, das zum Beispiel einem mit der Drossel 18 enthaltenen elektrischen
Motor oder Aktor geliefert wird. Auf diese Weise kann die Drossel 18 betrieben
werden, um die den Brennräumen 12 gelieferte
Ansaugluft zu verändern.
Ein Ladeluftkühler 26 kann
stromaufwärts
der Drossel 18 entlang des Einlasskanals 22 angeordnet sein,
um in den Einlasskanal bei 28 eindringende Frischluft zu
kühlen.
Ein Kraftstoffverteilerrohr 30 mit mehreren Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 32 kann den
Brennräumen 12 Kraftstoff
liefern. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 32 können für Kraftstoffdirekteinspritzung
direkt mit den Brennräumen 12 verbunden
sein oder können
alternativ oder zusätzlich
für Kanaleinspritzung
des Kraftstoffs in den Ansaugkanal stromaufwärts der Brennräume 12 in
dem Ansaugkrümmer 14 angeordnet
sein. Kraftstoff kann dem Kraftstoffverteilerrohr 30 durch
eine (nicht gezeigte) Kraftstoffanlage, die zum Beispiel einen Kraftstofftank,
eine Kraftstoffpumpe umfasst, zugeführt werden. Das Steuergerät 24 kann
die Kraftstoffeinspritzzeiten und die Pulsweite steuern.
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Mit
dem Auslasskanal 16 können
ein oder mehrere Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen 34 verbunden
sein. Die Turbine 36 eines ersten Turboladers 38 kann
entlang des Auslasskanals 16 stromaufwärts von Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen 34 angeordnet
sein. Die Turbine 36 kann zum Beispiel eine Turbine veränderlicher
Geometrie (VGT) sein oder kann ein Ladedruckregelventil oder veränderliche
Düsen umfassen.
Der Expansionsbetrag über
der Turbine des ersten Turboladers 38 kann zum Beispiel
durch Öffnen
oder Schließen
der Turbine veränderlicher
Geometrie oder des Ladedruckregelventils gesteuert werden. Die Turbine
veränderlicher
Geometrie und das Ladedruckregelventil können von dem Steuergerät 24 gesteuert
werden. Der Kompressor 40 des ersten Turboladers 38 kann
mittels einer Welle 42 mit der Turbine 36 verbunden
sein und kann sich stromaufwärts
des Ladeluftkühlers 26 entlang
des Einlasskanals 22 befinden.
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Vermehrte
Expansion kann genutzt werden, um mehr Wärme aus dem Abgas zu gewinnen
und mehr Leistung zum Antreiben des entsprechenden Kompressors zu
erzeugen, wodurch der Ladedruck erhöht wird. Eine verringerte Expansion
kann dagegen verwendet werden, um weniger Wärme aus dem Abgas zu gewinnen
und weniger Ladedruck zu erzeugen.
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Die
Turbine 44 eines zweiten Turboladers 46 kann entlang
des Auslasskanals 16 stromabwärts der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 34 angeordnet
sein. Die Turbine 44 kann zum Beispiel eine VGT sein oder
kann ein Ladedruckregelventil umfassen. Der Expansionsbetrag über der
Turbine des zweiten Turboladers 46 kann ebenfalls durch Öffnen oder Schließen zum
Beispiel der Turbine veränderlicher Geometrie
oder des Ladedruckregelventils gesteuert werden. Die Turbine veränderlicher
Geometrie oder das Ladedruckregelventil können von dem Steuergerät 24 gesteuert
werden. Der Kompressor 48 des zweiten Turboladers 46 kann
mittels einer Welle 50 mit der Turbine 44 verbunden
sein und kann sich in Reihe oder stromabwärts des Kompressors 40 entlang
des Einlasskanals 22 befinden. In einem Beispiel kann die
erste Turbine 36 des ersten Turboladers 38 kleiner
als die zweite Turbine 44 des zweiten Turboladers 46 sein.
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In
einem anderen Beispiel kann der Kompressor 48 stromaufwärts des
Kompressors 40 entlang des Einlasskanals 22 positioniert
sein. In einem noch anderen Beispiel kann der Kompressor 40 mit der
Turbine 44 verbunden sein und der Kompressor 48 kann
mit der Turbine 36 verbunden sein.
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Die
eine oder die mehreren Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen 34 können mehrere
darin angeordnete Nachbehandlungsvorrichtungen umfassen, beispielsweise
katalytische Nachbehandlungsvorrichtungen, die ein oder mehrere
katalytische Komponenten, Washcoats etc. aufweisen. Weiterhin können die
Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen temperaturabhängig sein. Zum Beispiel könnten Katalysatoren
in Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen nicht ausreichend katalytisch
aktiv werden, bis sie ausreichend aufgeheizt sind. In einem Beispiel
können
die Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen einen stromaufwärts befindlichen
Mager-NOx-Filter
(LNT) 52 stromabwärts
gefolgt von einem Dieselpartikelfilter (DPF) 54, einem
Katalysator für
selektive katalytische Reduktion (SCR) 56 und einem Dieseloxidationskatalysator
(DOC) 58 umfassen.
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Es
versteht sich, dass die Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen 34 mehrere
Nachbehandlungsvorrichtungskonfigurationen umfassen können, die
in 1 nicht eigens gezeigt sind. In einem Beispiel kann
die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung nur einen DOC umfassen. In
einem anderen Beispiel kann das Abgasnachbehandlungssystem nur einen SCR-Katalysator
umfassen. In einem anderen Beispiel kann die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
einen DPF stromabwärts
gefolgt von einem CR umfassen. In einem noch anderen Beispiel kann
die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung einen DOC stromabwärts gefolgt
von einem DPF, dann einem SCR, umfassen. Weiterhin kann auch die
Reihenfolge der verschiedenen Katalysatoren und Filter in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
schwanken, und es können
noch weitere Vorrichtungen hinzugefügt werden, zum Beispiel ein
Reduktionsmitteleinspritzsystem, etc. Die Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen 34 können auch
dazu dienen, verschiedene Emissionen wie NOx, CO und HC, die bei 62 aus
dem Endrohr austreten, zu reduzieren.
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Die
Abgasanlage kann weiterhin mehrere darin angeordnete Temperatursensoren
umfassen. Die Temperatursensoren können mit dem Steuergerät 24 in
Verbindung stehen, so dass der Motor- und Abgasanlagenbetrieb beruhend
auf gemessenen Temperaturen der verschiedenen Nachbehandlungsvorrichtungen
und des Abgases in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung angepasst
werden kann.
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Das
Steuergerät 24 kann
verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren zusätzlich zu
den bereits erläuterten
Signalen empfangen, einschließlich:
Messung des eingelassen Luftmassenstroms (MAF) von einem Luftmengensensor 62;
Drosselstellung (TP) von einem Drosselstellungssensor; Krümmerunterdrucksignal
MAP von einem Sensor 64; und ein Abgassensor 66 ist
stromaufwärts
der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 34 mit dem Auslasskanal 16 verbunden
gezeigt. Der Sensor kann jeder geeignete Sensor zum Vorsehen eines
Hinweises auf das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von Abgas sein, beispielsweise
ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (Universal oder Breitband-Abgassauerstoff),
ein Zweizustandssauerstoffsensor oder EGO, ein HEGO (beheizter EGO),
ein NOx-, HC- oder
CO-Sensor. Das Krümmerdrucksignal
MAP von einem Krümmerdrucksensor
kann verwendet werden, um einen Hinweis auf Unterdruck oder Druck in
dem Ansaugkrümmer
vorzusehen. Während
stöchiometrischen
Betriebs kann der MAP-Sensor
einen Hinweis auf Motordrehzahl liefern. Ferner kann das Steuergerät mit einer
Eingabe von einem Fahrzeugbediener 68 mittels einer Eingabevorrichtung 70 in Verbindung
stehen. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 70 ein
Gaspedal und einen Pedalstellungssensor 72 zum Erzeugen
eines proportionalen Pedalstellungssignals PP.
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Unter
Bezug nun auf 2 ist eine Routine zum Steuern
einer Motorabgasanlage mit einer ersten und zweiten Turbine und
mit einer zwischen der ersten und zweiten Turbine verbauten temperaturabhängigen Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
gezeigt. Bei 200 ermittelt die Routine, ob der Motor aus dem
Ruhezustand gestartet wird. Wenn der Motor bei 200 aus
dem Ruhezustand gestartet wird, rückt die Routine zu 202 vor.
Bei 202 wird die Temperatur der Katalysatorbricks in der
Schadstoffbegrenzungsvorrichtung beruhend auf gemessenen Temperaturen durch
einen oder mehr von mehreren Temperatursensoren ermittelt, die in
der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung angeordnet sind. Zum Beispiel kann
die Katalysatortemperatur auf Temperaturen beruhen, die von stromaufwärts und
stromabwärts
jeder Nachbehandlungsvorrichtung in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
befindlichen Temperatursensoren gemessen werden. In einem anderen
Beispiel kann die Katalysatortemperatur auf Temperaturen beruhen,
die stromaufwärts
und stromabwärts der
Schadstoffbegrenzungsvorrichtung gemessen werden. In einem noch
anderen Beispiel kann die Katalysatortemperatur zum Beispiel beruhend
auf dem Luftmassenstrom und der in die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
eindringenden Sauerstoffmenge, die von einem Sauerstoffsensor gemessen
wird, modelliert werden.
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Bei 202 wird
die Katalysatortemperatur mit einer ersten Schwellentemperatur T1
verglichen. Die erste Schwellentemperatur kann eine Temperatur sein,
bei der die Nachbehandlungsvorrichtungen in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
ausreichend aufgeheizt sind, um ausreichend katalytisch aktiv zu werden.
Die Umwandlungswirkungsgrade der Abgasnachbehandlungskatalysatoren
können
von Temperatur abhängen.
Während
einer Aufwärmbedingung,
z. B. nach einem Motorkaltstart aus einem Ruhezustand, bevor die
Katalysatoren in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung ausreichend
aufgeheizt wurden, kann somit die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
suboptimal arbeiten, bis die Nachbehandlungsvorrichtungen in der
Schadstoffbegrenzungsvorrichtung ausreichend aufgeheizt werden,
um ein katalytisches Anspringen zu erreichen. Der erste Temperaturschwellenwert
T1 kann zum Beispiel auf den Temperaturen katalytischen Anspringens
jedes der Katalysatoren in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
beruhen.
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Wenn
die Katalysatortemperatur bei 202 über dem ersten Temperaturschwellenwert
T1 liegt, dann rückt
die Routine zu 204 vor. Während mindestens einer Bedingung
nach dem Aufwärmen
bei 204 kann der Motor bei einer gesteigerten Expansion über der
ersten Turbine und einer verringerten Expansion über der zweiten Turbine betrieben
werden. Weiterhin kann die Katalysatortemperatur bei 204 zwischen
dem ersten Temperaturschwellenwert T1 und einem zweiten Temperaturschwellenwert
T2 gehalten werden. Der zweite Temperaturschwellenwert T2 kann eine
Temperatur sein, oberhalb von der die Katalysatoren in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
zu degradieren beginnen können.
Die Routine bei 204 kann das Anpassen der zweiten Turbine
zum Steigern/Verringern von Expansion über der zweiten Turbine als
Reaktion auf eine Forderung nach vermehrter bzw. verringerter Motorleistung
umfassen. Die Routine bei 204 ist in 3 näher gezeigt
und wird hierin nachstehend beschrieben.
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Wenn
die Katalysatortemperatur bei 202 unter dem ersten Temperaturschwellenwert
T1 liegt, dann könnten
die Katalysatoren in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung noch nicht
ausreichend beheizt sein, um ausreichend katalytisch aktiv zu werden,
und die Routine rückt
zu 206 vor. Bei 206 wird der Motor mit einer verringerten
Expansion über
der ersten Turbine des ersten Turboladers (z. B. Turbolader 38 in 1)
betrieben. Der Ladedruckbetrag, der zum Beispiel von dem ersten
Turbolader mit einer stromaufwärts
der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung entlang der Abgasleitung angeordneten
Turbine geliefert wird, kann auf einen Mindestwert gesetzt werden.
Wenn in einem Beispiel die erste Turbine eine VGT ist, kann die
VGT auf eine vollständig
offene Stellung gesetzt werden. Wenn in einem anderen Beispiel die
erste Turbine ein Ladedruckregelventil umfasst, kann das Ladedruckregelventil
vollständig offen
sein. Dann rückt
die Routine zu 208 vor. Bei 208 wird eine vermehrte
Expansion über
der zweiten Turbine des zweiten Turboladers vorgesehen (z. B. Turbolader 46 in 1).
Der von dem zweiten Turbolader mit einer stromabwärts der
Schadstoffvorrichtung entlang des Auslasskanals angeordneten zweiten Turbine
gelieferte Ladedruckbetrag kann zum Beispiel auf einen Höchstwert
gesetzt werden. Bei 208 können die Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten
auf spät verstellt
werden, um das Beheizen des Schadstoffbegrenzungssystems weiter
zu beschleunigen. Das Verstellen der Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten
auf spät und
das Erhöhen
der Expansion über
der zweiten Turbine bei 208 können die Temperatur des Katalysators
in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung nach einem Motorkaltstart
anheben. Bei 210 wird die Drossel (z. B. Drossel 18 in 1)
angepasst, um den Sollansaugluftstrom, der dem Motor geliefert wird,
beizubehalten. Die Drossel kann zum Beispiel proportional zu der
Menge, um die der Ladedruck des zweiten Turboladers bei 208 erhöht wird,
geschlossen werden, um den erwünschten
Ansaugluftdurchsatz beizubehalten.
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Während der
zweite Turbolader dem Motor Ladedruck liefert, wenn ein Ladedruck
oder Drehmoment gefordert ist, zum Beispiel durch Gasgeben des Fahrers,
kann die Drossel geöffnet
werden, um das geforderte Drehmoment zu liefern. Wenn die Drehmomentforderung
aber jenseits dessen geht, was der zweite Turbolader mit vollständig offener
Drossel bei 212 liefern kann, dann rückt die Routine zu 214 vor. Bei 214 wird
der Expansionsbetrag über
der ersten Turbine angepasst, um die Drehmomentforderung bei 212 zu
erfüllen
und zu halten, während
der Expansionsbetrag über
der zweiten Turbine bei einem Expansionshöchstwert gehalten wird. Die
Routine von 2 kann während Motorbetrieb ständig wiederholt
werden, um die Katalysatoren in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
zu beheizen und ausreichend Ladedruck vorzusehen, um transiente Drehmomentforderungen
zu bewältigen.
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Unter
Bezug nun auf 3 ist eine Routine gezeigt,
die die Katalysatortemperatur zwischen einem ersten Schwellenwert
T1 und einem zweiten Schwellenwert T2 hält, während sie transiente Drehmomentforderungen
bewältigt.
Die in 3 gezeigte Routine umfasst Subroutinen für drei verschiedene Katalysatortemperaturbedingungen.
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Die
allgemein bei 300 gezeigte Subroutine ähnelt der in 2 gezeigten
Routine, wobei die Katalysatortemperatur kleiner als ein erster
Schwellenwert T1 ist. Wie vorstehend beschrieben kann der erste
Temperaturschwellenwert T1 die Temperatur sein, bei der die Katalysatoren
in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung ausreichend beheizt sind,
um ausreichend aktiv zu werden. Zum Beispiel kann die Routine 300 an
jedem Punkt während
Aufwärmbedingungen
nach einem Motorstart ausgelöst
werden. In einem Beispiel kann eine Aufwärmbedingung darauf beruhen,
ob die Katalysatortemperatur niedriger als der erste Schwellenwert
T1 ist. In einem anderen Beispiel kann eine Aufwärmbedingung auf Motordrehzahl
unter einem Schwellenwert beruhen, z. B. wenn die Motor-RPM während Leerlauf
unter 1200 liegt. In dem Katalysatortemperaturschema bei 300 ist
der zweite Turbolader die primäre
Ladedruckquelle.
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Bei 300 wird
die Katalysatortemperatur mit dem ersten Temperaturschwellenwert
T1 verglichen. Wenn die Katalysatortemperatur unter der ersten Schwellentemperatur
T1 liegt, rückt
die Routine zu 302 vor. Bei 302 wird der Motor
mit einer verringerten Expansion über der ersten Turbine betrieben.
Zum Beispiel kann der Ladedruckbetrag, der von dem ersten Turbolader
mit einer stromaufwärts
der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung entlang der Abgasleitung angeordneten
ersten Turbine geliefert wird, auf einen Mindestwert gesetzt werden.
Dann rückt
die Routine zu 304 vor. Bei 304 wird der Motor
mit einer erhöhten
Expansion über
der zweiten Turbine betrieben. Zum Beispiel kann der Ladedruckbetrag,
der von dem zweiten Turbolader mit einer stromabwärts der
Schadstoffbegrenzungsvorrichtung entlang des Auslasskanals angeordneten
zweiten Turbine geliefert wird, auf einen Höchstwert gesetzt werden. Weiterhin
können
bei 304 die Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten auf spät verstellt
werden, um das Aufheizen des Abgases zu beschleunigen. Bei 306 wird
die Drossel angepasst, um den erwünschten Ansaugluftstrom, der
dem Motor geliefert wird, beizubehalten. Die Drossel kann zum Beispiel
proportional zu der Menge, um die die Expansion über der ersten bei 304 verringert
wird, geschlossen werden, um den erwünschten Ansaugluftdurchsatz
beizubehalten.
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Während der
zweite Turbolader den Ladedruck liefert, wenn ein Ladedruck oder
Drehmoment gefordert ist, zum Beispiel durch Gasgeben des Fahrers,
kann die Drossel geöffnet
werden, um das geforderte Drehmoment zu liefern. Wenn die Drehmomentforderung
aber jenseits dessen geht, was der zweite Turbolader mit vollständig offener
Drossel bei 308 liefern kann, dann rückt die Routine zu 310 vor. Bei 310 wird
die Expansion über
dem ersten Turbolader angepasst, um die Drehmomentforderung bei 308 zu
erfüllen
und zu halten, während
sich die zweite Turbine bei einem maximalen Expansionswert befindet,
z. B. VGT oder Ladedruckregelventil vollständig geschlossen.
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Wenn
die Katalysatortemperatur bei 300 über dem ersten Temperaturschwellenwert
T1 liegt, wird die Katalysatortemperatur mit einem zweiten Temperaturschwellenwert
T2 verglichen. In einem Beispiel kann der zweite Schwellenwert T2
eine Temperatur T2 sein, bei der eine oder mehrere der Nachbehandlungsvorrichtungen
in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung zu degradieren beginnen
können, wenn
sie ausreichend lange Zeiträume
bei oder über T2
gehalten werden. Wenn während
Regenerationsvorgängen
Partikelruß aus
Nachbehandlungsfiltern entfernt wird, z. B. einem DPF, kann die
Abgastemperatur die Schwellentemperatur T2 eine Zeit lang übersteigen,
die ausreichend ist, um die Nachbehandlungsfilter zu spülen. Wenn
die Katalysatortemperatur bei 312 größer als der zweite Temperaturschwellenwert
T2 ist, kann die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung Übertemperaturbedingungen
erfahren, und die Routine rückt
zu 314 vor. Bei 314 wird ermittelt, ob die Übertemperaturbedingung
auf einen Regenerationsvorgang zurückzuführen ist. Wenn die Antwort bei 314 Ja
lautet, rückt
die Routine zu 316 vor, um die Katalysatortemperatur eine
Zeit lang, die ausreicht, um die Regeneration durchlaufenden Nachbehandlungsfilter
zu spülen, über T2 zu
halten. Wenn aber die Übertemperaturbedingung
bei 314 nicht auf einen Regenerationsvorgang zurückzuführen ist
oder wenn der Regenerationsvorgang bei 316 beendet ist,
rückt die
Routine zu 318 vor. Bei 318 wird die Expansion über der
zweiten Turbine auf einen Betrag verringert, der kleiner als der
Expansionsbetrag über
der zweiten Turbine während
Aufwärmbedingung
ist. Der von dem zweiten Turbolader (z. B. Turbolader 46 in 1)
gelieferte Ladedruckbetrag kann zum Beispiel auf einen Mindestwert
gesetzt werden. Dann rückt die
Routine zu 320 vor, um erneut zu prüfen, ob die Katalysatortemperatur
größer als
die zweite Schwellentemperatur T2 ist. Wenn die Antwort auf 320 Ja lautet,
dann rückt
die Routine zu 322 vor. Bei 322 wird die Expansion über der
ersten Turbine verringert. Zum Beispiel kann die von dem ersten
Turbolader (z. B. Turbolader 38 in 1) gelieferte
Ladedruckmenge auf einen Mindestwert verringert werden, wobei Motordrehmoment-Mindestbedingungen beibehalten
werden.
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Die
allgemein bei 324 gezeigte Subroutine wird ausgelöst, wenn
die Katalysatortemperatur zwischen dem ersten Temperaturschwellenwert
T1 und dem zweiten Temperaturschwellenwert T2 liegt. Während dieser
Bedingung bei 324 können
die erste und zweite Turbine als Reaktion auf Betriebsbedingungen
anders angepasst werden als bei der Aufwärmbedingung, die von der Subroutine
bei 300 gezeigt wird Wenn die Katalysatortemperatur bei 312 zwischen
dem ersten Temperaturschwellenwert T1 und dem zweiten Temperaturschwellenwert
T2 liegt, rückt
die Routine von 3 zu 326 vor. Bei 326 wird der
Expansionsbetrag über
der zweiten Turbine auf einen Betrag verringert, der kleiner als
der Expansionsbetrag über
der zweiten Turbine während
nicht erwärmter
Bedingungen ist. Bei 326 kann die zweite Turbine weiter
auf einen Betrag angepasst werden, der kleiner als der Expansionsbetrag über der
ersten Turbine ist. Zum Beispiel kann der von dem zweiten Turbolader
(z. B. Turbolader 46 in 1) vorgesehene
Ladedruckbetrag auf einen Mindestwert gesetzt werden. Dann rückt die
Routine zu 328 vor. Bei 328 wird der Expansionsbetrag über der
ersten Turbine auf einen Betrag erhöht, der größer als der Expansionsbetrag über der
ersten Turbine während
nicht erwärmter
Bedingungen ist. Bei 328 kann die erste Turbine weiter
auf einen Betrag angepasst werden, der größer als der Expansionsbetrag über der
zweiten Turbine ist. Zum Beispiel kann der von dem ersten Turbolader
gelieferte Ladedruckbetrag auf einen Höchstwert gesetzt werden. Dann
wird die Drossel angepasst, um bei 330 die erwünschte Ansaugluftrate
in den Motor zu halten.
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Wie
vorstehend bezüglich 2–3 beschrieben
ist es somit möglich,
einen unterschiedlichen relativen Betrieb der Turbolader bei unterschiedlichen
Bedingungen zu koordinieren, um insgesamt verbesserte Leistung zu
erreichen. Um die Temperatur der Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen
zum Beispiel schneller anzuheben, kann ein erhöhter Ladedruck von der stromabwärts befindlichen Turbine
erzeugt werden, wodurch die Entziehung von Abgastemperatur von den
Vorrichtungen verringert wird, während
aber immer noch Ladedruck erzeugt wird, der verwendet werden kann,
um Verbrennungstemperaturen (und somit Abgastemperaturen) anzuheben.
Zusätzlich
oder alternativ kann der von der stromabwärts befindlichen Turbine unter
diesen Bedingungen erzeugte vermehrte Gegendruck Abgaserwärmen weiter
unterstützen.
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Sobald
die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung auf eine Solltemperatur erwärmt ist,
kann der Betrieb der Turbolader angepasst werden, und die stromaufwärts befindliche
Turbine kann dagegen verwendet werden, um vermehrten Ladedruck (z.
B. Drehen bei einer höheren
Drehzahl) zu erzeugen, während
die Energieförderung
der stromabwärts
befindlichen Turbine verringert wird. In diesem Fall kann es durch
Halten der stromaufwärts
befindlichen Turbine, die bereits hochgedreht hat, selbst wenn zum Beispiel
das Motorsolldrehmoment zeitweilig verringert wird, möglich sein,
das Drehmoment mittels Ladedruck, der von der stromaufwärts befindlichen
Turbine zur Verfügung
steht, schnell anzuheben, während
die stromabwärts
befindliche Turbine bei Bedarf hochgedreht wird. Durch Anpassen
der stromabwärts
befindlichen Turbine, um einen Ladedruck weiter anzupassen, während der
Ladedruck der stromaufwärts
befindlichen Turbine über
einem Schwellenwert gehalten wird, ist es weiterhin möglich, erwünschte Ladedruckwerte
unter einer Vielzahl von Bedingungen vorzusehen.
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Zum
Beispiel kann die erste Turbine während Aufwärmbedingung so betrieben werden,
dass sie im Wesentlichen keinen Ladedruck erzeugt, während die
stromabwärts
befindliche Turbine 10 psi Ladedruck erzeugt. Nach dem Erwärmen kann
die stromaufwärts
befindliche Turbine aber betrieben werden, um 5 psi Ladedruck zu
erzeugen, während die
stromabwärts
befindliche Turbine 5 psi Ladedruck erzeugt. In jedem Fall werden
insgesamt 10 psi Ladedruck erzeugt. Als weiteres Beispiel kann die
erste Turbine während
der Aufwärmbedingung
betrieben werden, um im Wesentlichen 2 psi Ladedruck zu erzeugen,
während
die stromabwärts
befindliche Turbine 8 psi Ladedruck erzeugt. Nach dem Aufwärmen kann
die stromaufwärts
befindliche Turbine aber betrieben werden, um 15 psi Ladedruck zu
erzeugen, während
die stromabwärts
befindliche Turbine 8 psi Ladedruck erzeugt. Es kann aber ein anderer
erhöhter
Ladedruckgesamtwert erzeugt werden. Analog kann der Gesamtladedruck
verringert werden.
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Während der
erste Turbolader den Ladedruck liefert, wenn ein Ladedruck oder
Drehmoment gefordert wird, zum Beispiel durch ein Gasgeben des Fahrers,
kann die Drossel geöffnet
werden, um das geforderte Drehmoment zu liefern. Wenn die Drehmomentforderung
aber jenseits dessen geht, was der erste Turbolader mit vollständig offener
Drossel bei 332 liefern kann, dann rückt die Routine zu 334 vor. Bei 334 wird
der Expansionsbetrag über
der zweiten Turbine angepasst, um die Drehmomentforderung bei 332 zu
erfüllen
und zu halten, während
der Expansionsbetrag über
der ersten Turbine bei einem Expansionshöchstwert gehalten wird.
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Die
Routine von 3 kann während Motorbetrieb ständig wiederholt
werden, um die Katalysatortemperatur in der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
in dem Bereich zwischen dem ersten und zweiten Temperaturschwellenwert
zu halten und ausreichend Ladedruck vorzusehen, um transiente Drehmomentforderungen
zu bewältigen.
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Zu
beachten ist, dass die hierin enthaltenen beispielhaften Steuer-
und Schätzroutinen
mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen
verwendet werden können.
Die hierin beschriebenen spezifischen Routinen können ein oder mehrere einer
Reihe von Verarbeitungsstrategien darstellen, beispielsweise ereignisgesteuert,
unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen.
Daher können
verschiedene gezeigte Arbeitsgänge,
Schritte oder Funktionen in der gezeigten Abfolge oder parallel
ausgeführt
oder in manchen Fällen
ausgelassen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung
nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier
beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu verwirklichen,
wird aber zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen.
Einer oder mehrere der gezeigten Arbeitsgänge oder Funktionen können abhängig von
der jeweils eingesetzten Strategie wiederholt ausgeführt werden.
Weiterhin können
die beschriebenen Arbeitsgänge
einen in das maschinenlesbare Speichermedium in dem Motorsteuersystem einzuprogrammierenden
Code graphisch darstellen.
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Es
versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen
beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungen
nicht einschränkend
aufgefasst werden dürfen,
da zahlreiche Abänderungen
möglich
sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V-6, I-4, I-6,
V-12, Gegenkolben- und andere Motorausführungen angewendet werden.
Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst somit alle neuartigen
und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen
Systeme und Konfigurationen sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder
Eigenschaften, die hierin offenbart werden.
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Die
folgenden Ansprüche
zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen
auf, welche als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden.
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Diese
Ansprüche
können
auf „ein” Element oder „ein erstes” Element
oder eine Entsprechung desselben verweisen. Diese Ansprüche sind
so zu verstehen, dass sie das integrieren eines oder mehrerer solcher
Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder
fordern noch ausschließen.
Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale,
Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung
der vorliegenden Ansprüche
oder durch Vorlage neuer Ansprüche
in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden,
ob sie nun gegenüber
dem Schutzumfang der ursprünglichen
Ansprüche
breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind, ebenfalls als im
Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.