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Die vorliegende Anmeldung betrifft die Ansauglufterwärmung und die Abgaskühlung.
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Es hat sich gezeigt, dass man durch erwärmte Ansaugluft einen Vorteil hinsichtlich Kraftstoffersparnis (z. B. 1,6%) durch reduzierte Pumpverluste erhält und dass diese auch den Motor schneller erwärmen kann. Bei einem Ansatz kann dies über eine Kühlmittelerwärmung von Motoransaugluft bewerkstelligt werden. In einem derartigen Fall kann Ansaugluft über einen Abgasrückführungskühler (AGR) erwärmt werden.
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Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben ein Problem bei derartigen vorausgegangenen Lösungen erkannt. Zuerst kann die maximale Kühlmitteltemperatur (z. B. 230°F) die Wärmemenge begrenzen, die an die Motoreinlaßluft geliefert werden kann. Zweitens kann das relativ langsame Erwärmen des Kühlmittels den Teil der Fahrzeit begrenzen, der zum Erwärmen von Ansaugluft benutzt werden kann.
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Dementsprechend können bei einem Beispiel einige der obigen Probleme durch Ansauglufterwärmung und Abgaskühlung behandelt werden, wobei ein doppelwandiger Abgaskrümmer als ein Abgas-Luft-Wärmetauscher konfiguriert sein kann. Wenn der Ansaugkrümmerdruck unter dem Umgebungsdruck liegt, kann der Motor von erwärmter Ansaugluft profitieren. In einem derartigen Fall kann Frischluft durch einen Zwischenraum eines doppelwandigen Abgaskrümmers angesaugt werden, um die Luft zu erwärmen, und dann kann die erwärmte Luft zu einem Ansaugkrümmer gelenkt werden. Somit wird vorteilhafterweise erwärmte Luft im Ansaugkrümmer bereitgestellt zur Unterstützung des Ansaughubes. Auf diese Weise kann der Vorteil bei der Kraftstoffersparnis vergrößert werden, indem die Lufterwärmung durch Oberflächen von Abgasführenden Bauteilen, die heißer als das Kühlmittel sind, vergrößert wird. Zudem steht in der Regel in weniger als einer Minute nach dem Start ausreichend Abgaswärme zur Verfügung, im Vergleich zu 3 Minuten oder mehr für Kühlmittelwärme.
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Zudem haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung erkannt, dass der doppelwandige Abgaskrümmer zusätzlich als ein Abgaskrümmerkühler dienen kann, indem überschüssige Ladeluft durch den Luftzwischenraum gelenkt wird, um den Abgaskrümmer während eines Betriebs mit hoher Last zu kühlen. So kann eine Flüssigkeitskühlung über einen integrierten Abgaskrümmer entfallen. Eine derartige Kühlung kann vorteilhaft sein, wenn der Ansaugkrümmerdruck größer als der Umgebungsdruck ist und sich die Abgastemperatur einem mit der Komponentenhaltbarkeit assoziierten Schwellwert nähert. Durch Kühlen des Abgaskrümmers mit von übermäßiger Aufladung abgeleiteter Luft können auf diese Weise der erhöhte Kraftstoffverbrauch und die erhöhten Emissionen des Kühlens über Kraftstoffanreicherung reduziert werden.
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Auf diese Weise etabliert der doppelwandige Abgaskrümmer wie hierin beschrieben eine Synergie bei der Funktionalität, weil Ansaugluft genau dann angesaugt werden kann, wenn eine Ansaugerwärmung erwünscht ist, und die übermäßige Aufladung kann präzise dann Luft bereitstellen, wenn eine Abgaskühlung gewünscht ist.
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Es versteht sich, dass die obige Zusammenfassung vorgelegt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine wichtigen oder essentiellen Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren, dessen Schutzbereich ausschließlich durch die Ansprüche definiert wird, die auf die ausführliche Beschreibung folgen. Weiterhin ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die etwaige, oben, unten oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung erwähnte Nachteile lösen.
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Die Figuren zeigen:
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Motors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften doppelwandigen Abgaskrümmers.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts des doppelwandigen Abgaskrümmers von 2.
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4 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens eines Motors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Ansauglufterwärmung über einen doppelwandigen Abgaskrümmer.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Abgaskühlung über einen doppelwandigen Abgaskrümmer.
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Es werden hier Ausführungsformen der Ansauglufterwärmung und Abgaskühlung offenbart. Ein derartiger Ansatz verwendet einen Zwischenraum eines doppelwandigen Abgaskrümmers, um Ansaugluft zu erwärmen, wenn der Ansaugkrümmerdruck unter dem Umgebungsdruck liegt, und für das Kühlen von Abgas, wenn der Ansaugkrümmerdruck über dem Umgebungsdruck liegt, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben.
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1 ist ein schematisches Diagramm, das einen Zylinder eines Mehrzylindermotors 10 zeigt, der in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs enthalten sein kann. Der Motor 10 kann mindestens teilweise von einem Steuersystem mit einem Controller 12 und durch Eingabe von einem Fahrzeugbediener 132 über eine Eingabeeinrichtung 130 gesteuert werden. Bei diesem Beispiel beinhaltet die Eingabeeinrichtung 130 ein Fahrpedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Generieren eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Die Verbrennungskammer (d. h. der Zylinder) 30 des Motors 10 kann Verbrennungskammerwände 32 mit einem darin positionierten Kolben 36 enthalten. Der Kolben 36 kann an eine Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, so dass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein dazwischenliegendes Getriebesystem an mindestens ein Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Weiterhin kann ein Anlassermotor über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Anlaßbetrieb des Motors 10 zu ermöglichen.
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Die Verbrennungskammer 30 kann Ansaugluft vom Ansaugkrümmer 44 über die Ansaugpassage 42 empfangen und Verbrennungsgase über die Abgaspassage 48 ausstoßen. Der Ansaugkrümmer 44 und die Abgaspassage (z. B. Krümmer) 48 können über ein jeweiliges Ansaugventil 52 und Abgasventil 54 selektiv mit der Verbrennungskammer 30 kommunizieren. Bei einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 zwei oder mehr Ansaugventile und/oder zwei oder mehr Abgasventile enthalten.
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Bei diesem Beispiel können das Ansaugventil 52 und die Abgasventile 54 durch eine Nockenbetätigung über jeweilige Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 können jeweils einen oder mehrere Nocken enthalten und können eines oder mehrere der folgenden Systeme verwenden: Nockenprofilumschaltung (CPS – Cam Profile Switching), Nockenwellenverstellung (VCT – Variable Cam Timing), variable Ventilsteuerung (VVT – Variable Valve Timing) und/oder variablen Ventilhub (VVL – Variable Valve Lift), die vom Controller 12 betrieben werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Position des Ansaugventils 52 und des Abgasventils 54 kann durch Positionssensoren 55 bzw. 57 bestimmt werden. Bei alternativen Ausführungsformen können das Ansaugventil 52 und/oder das Abgasventil 54 über eine elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Beispielsweise kann der Zylinder 30 alternativ ein über eine elektrische Ventilbetätigung gesteuertes Ansaugventil und eine über Nockenbetätigung einschließlich CPS- und/oder VCT-Systemen gesteuertes Abgasventil enthalten.
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Eine Kraftstoffeinspritzdüse 66 ist direkt an die Verbrennungskammer 30 gekoppelt gezeigt, um Kraftstoff direkt dorthinein proportional zu der Impulsbreite eines von dem Controller 12 über einen Elektroniktreiber 68 empfangenen Signals FPW einzuspritzen. Auf diese Weise liefert die Kraftstoffeinspritzdüse 66 eine sogenannte Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 30. Die Kraftstoffeinspritzdüse kann beispielsweise an der Seite der Verbrennungskammer oder an der Oberseite der Verbrennungskammer montiert sein. Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzdüse 66 über ein nichtgezeigtes Kraftstoffsystem zugeführt werden, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoffleitung enthält. Bei einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 alternativ oder zusätzlich eine Kraftstoffeinspritzdüse enthalten, die in einem Ansaugkrümmer 44 in einer Konfiguration angeordnet ist, die eine sogenannte Einlaßkanaleinspritzung von Kraftstoff in den Einlaßkanal vor der Verbrennungskammer 30 bereitstellt.
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Die Einlaßpassage 42 kann eine Drosselklappe 62 mit einer Drosselplatte 64 enthalten. Bei diesem besonderen Beispiel kann die Position der Drosselplatte 64 vom Controller 12 über ein Signal variiert werden, das an einen Elektromotor oder einen Aktuator geliefert wird, der mit der Drosselklappe 62 enthalten ist, eine Konfiguration, die üblicherweise als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC – Electronic Throttle Control) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Drosselklappe 62 dahingehend betrieben werden, die an die Verbrennungskammern 30 gelieferte Ansaugluft zu variieren. Die Position der Drosselplatte 64 kann vom Controller 12 über ein Drosselpositionssignal TP bereitgestellt werden. Die Ansaugpassage 42 kann einen Luftmassensensor 120 und einen Krümmerluftdrucksensor 122 zum Liefern jeweiliger Signale MAF und MAP an den Controller 12 enthalten. Das Zündsystem 88 kann unter ausgewählten Betriebsmodi einen Zündfunken als Reaktion auf ein Zündverstellungssignal SA vom Controller 12 an die Verbrennungskammer 30 liefern. Wenngleich Fremdzündungskomponenten gezeigt sind, kann in einigen Ausführungsformen die Verbrennungskammer 30 bei einer oder mehreren anderen Verbrennungskammern des Motors 10 in einem Selbstzündungsmodus mit oder ohne Zündkerze betrieben werden.
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Ein Abgassensor 126 ist gezeigt, der vor einer Abgasreinigungseinrichtung 70 an die Abgaspassage 48 gekoppelt ist. Der Sensor 126 kann ein beliebiger geeigneter Sensor sein, um eine Anzeige des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Abgas zu liefern, wie etwa ein linearer Sauerstoffsensor oder ein UEGO (Universal or wide-range Exhaust Gas Oxygen), ein Zweizustands-Sauerstoffsensor oder EGO, ein HEGO (Heated EGO), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor. Die Abgasreinigungseinrichtung 70 ist so gezeigt, dass sie entlang der Abgaspassage 48 hinter dem Abgassensor 126 angeordnet ist. Bei der Einrichtung 70 kann es sich um einen Dreiwege-Katalysator (TWC – Three Way Catalyst), eine NOx-Falle, verschiedene andere Abgasreinigungseinrichtungen oder Kombinationen davon handeln. Bei einigen Ausführungsformen kann während des Betriebs des Motors 10 die Abgasreinigungseinrichtung 70 periodisch zurückgesetzt werden, indem mindestens ein Zylinder des Motors innerhalb eines bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses betrieben wird.
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Der Controller 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, mit Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangsports 104, einem elektronischen Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, bei diesem besonderen Beispiel als ein Festwertspeicherchip 106 gezeigt, einem Direktzugriffspeicher 108, einem Arbeitsspeicher 110 und einem Datenbus. Der Controller 12 kann von an den Motor 10 gekoppelten Sensoren verschiedene Signale empfangen, zusätzlich zu jenen Signalen, die zuvor erörtert wurden, einschließlich Messung einer induzierten Luftmasse (MAF) von dem Luftmassensensor 120; Motorkühlmitteltemperatur (ECT – Engine Coolant Temperature) von einem an eine Kühlmuffe 114 gekoppelten Temperatursensor 112; ein Zündungsprofil-Aufnehmersignal (PIP – Profile Ingition Pick Up) von einem Hall-Effekt-Sensor 118 (oder einem anderen Typ, der an die Kurbelwelle 40 gekoppelt ist; eine Drosselklappenposition (TP) von einem Drosselklappenpositionssensor und ein Absolutkrümmerdrucksignal MAP von einem Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal RPM kann vom Controller 12 aus dem Signal PIP generiert werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann dazu verwendet werden, eine Anzeige über Unterdruck oder Druck in dem Ansaugkrümmer zu liefern. Man beachte, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie etwa ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Beim stöchiometrischen Betrieb kann der MAP-Sensor eine Anzeige über das Motordrehmoment liefern. Weiterhin kann dieser Sensor zusammen mit der detektierten Motordrehzahl eine Schätzung der in den Zylinder induzierten Ladung (einschließlich Luft) liefern. Bei einem Beispiel kann der Sensor 118, der auch als ein Motordrehzahlsensor verwendet wird, bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Impulsen erzeugen.
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Das Speichermedium Festwertspeicher 106 kann mit computerlesbaren Daten programmiert werden, die von Prozessor 102 ausgeführt werden, um die unten beschriebenen Verfahren sowie andere Varianten auszuführen, die antizipiert werden, aber nicht spezifisch aufgeführt sind.
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Der Motor 10 kann weiterhin eine Verdichtungseinrichtung wie etwa einen Turbolader oder einen Kompressor mit mindestens einem Verdichter 162 enthalten, vor dem Ansaugkrümmer 44 angeordnet. Für einen Turbolader kann der Verdichter 162 (z. B. über eine Welle) mindestens teilweise von einer Turbine 164 angetrieben werden, die im Verlauf der Abgaspassage 48 angeordnet ist. Für einen Kompressor kann der Verdichter 162 mindestens teilweise von dem Motor und/oder einer elektrischen Maschine angetrieben werden und enthält möglicherweise keine Turbine. Somit kann die Verdichtungserhöhung, die an einen oder mehrere Zylinder des Motors über einen Turbolader oder Kompressor geliefert wird, vom Controller 12 variiert werden.
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1 zeigt weiter einen Abgaskrümmer 48 mit einem doppelwandigen Äußeren 140, das einen Zwischenraum 142 definiert, durch den die Luft strömen kann. Der Zwischenraum kann ähnlich zu dem eines Flüssigkeitsraums hergestellt werden. 1 zeigt weiterhin ein Rohr 144, das den Zwischenraum mit dem Ansaugkrümmer 44 verbindet. Wenn der Ansaugkrümmerdruck als solches unter dem Umgebungsdruck liegt, kann über ein Frischluftrohr 146 bezogene Frischluft durch den Zwischenraum 142 gesaugt werden, um die Luft zu erwärmen, und die erwärmte Luft kann dann über das Rohr 144 zum Einlaßkrümmer 44 gelenkt werden. Wenn der Ansaugkrümmerdruck über dem Umgebungsdruck liegt, kann zudem Ansaugluft vom Einlaßkrümmer 44 über das Rohr 144 zum Zwischenraum 142 gesogen werden. Die Luft wird dann durch den Zwischenraum 142 gesogen, um Abgas abzukühlen. Auf diese Weise dient der doppelwandige Abgaskrümmer 48 als ein Abgas-Luft-Wärmetauscher, wobei die Ansaugverluste verringert werden und vorteilhafterweise erwärmte Luft zum Ansaugkrümmer 44 liefert als auch beim Betrieb mit hoher Last den Abgaskrümmer 48 kühlt, indem übermäßige Ladeluft durch den Zwischenraum 142 geleitet wird. Durch Erwärmen der Ansaugluft können die Ansaugverluste auf diese Weise reduziert werden und die Motorerwärmung kann verbessert werden und somit kann eine Kraftstoffersparnis erzielt werden. Zudem kann der Einsatz eines erwärmten Kurbelgehäuseentlüftungsventils (PCV – Positive Crank Case Ventilation) und/oder eines erwärmten Drosselklappenkörpers entfallen, und das Verdichterbypaßventil kann eliminiert werden oder verkleinert werden. Weiterhin kann eine Kühlung von Abgas und/oder Abgaskomponenten über eine Anreicherung mit Kraftstoff oder einem anderem Fluid reduziert oder vermieden werden. Außerdem können Materialien mit einer niedrigeren Temperaturbeständigkeit genutzt und somit Kosteneinsparungen erzielt werden. Eine derartige Ansauglufterwärmung und Abgaskühlung wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
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Ein aufgeladener Motor kann höhere Verbrennungs- und Abgastemperaturen aufweisen als ein selbstansaugender Motor mit ähnlicher Ausgangsleistung. Solche hohen Temperaturen können erhöhte NOx-Emissionen (Stickstoffoxid) vom Motor bewirken und die Alterung von Materialien beschleunigen, einschließlich einer Alterung des Abgasnachbehandlungskatalysators. Die Abgasrückführung (AGR) ist ein Ansatz zur Bekämpfung dieser Effekte. AGR funktioniert dadurch, dass die Ansaugluftladung mit Abgas verdünnt wird, wodurch ihr Sauerstoffgehalt reduziert wird. Wenn die resultierende Luft-Abgas-Mischung anstelle gewöhnlicher Luft verwendet wird, um die Verbrennung in dem Motor zu unterstützen, kommt es zu niedrigeren Verbrennungs- und Abgastemperaturen. AGR kann auch den Kraftstoffverbrauch bei Benzinmotoren verbessern, indem Drosselverluste und die Wärmeabgabe reduziert werden.
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Bei aufgeladenen Motorsystemen, die mit einem Turboladerverdichter ausgestattet sind, der mechanisch an eine Turbine gekoppelt ist, kann das Abgas durch eine Hochdruck-(HP) AGR-Schleife 148 oder durch eine Niederdruck-(LP) AGR-Schleife 150 zurückgeführt werden. Bei der HP-AGR-Schleife 148 wird das Abgas vor der Turbine 164 entnommen und mit der Ansaugluft hinter dem Verdichter 162 gemischt. Bei einer LP-AGR-Schleife 150 wird das Abgas hinter der Turbine 164 entnommen und mit der Ansaugluft vor dem Verdichter 162 gemischt.
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Die HP- und LP-AGR-Strategien erreichen einen optimalen Wirkungsgrad in verschiedenen Gebieten des Last-/Drehzahl-Kennfelds des Motors. Beispielsweise ist bei aufgeladenen Benzinmotoren, die mit stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen betrieben werden, HP-AGR bei niedrigen Lasten wünschenswert, wo der Einlaßunterdruck genügend Strömungspotential liefert; LP-AGR ist bei höheren Lasten wünschenswert, wo die LP-AGR-Schleife das größere Strömungspotential liefert. Dementsprechend kann bei einigen Ausführungsformen ein Steuerventil innerhalb des Rohrs 144 geöffnet werden, wenn das System von warmer, nicht verdünnter Luft anstelle der AGR-verdünnten Luft profitieren würde, die in dem Ansaugsystem aufgrund eines vorausgegangenen Betriebs vorliegen kann. Als ein Beispiel: wenn der Ansaugkrümmerdruck über dem Umgebungsdruck liegt, kann das Steuerventil innerhalb des Rohrs 144 geöffnet werden, um Ladedruck aus dem Ansaugkrümmer auszutragen, wodurch der Ansaugkrümmerdruck unter Umgebungsdruck absinken kann, so dass warme Frischluft aus der Doppelwand des Abgaskrümmers durch das Rohr angesaugt werden kann, um die AGR-verdünnte Luft zu ersetzen.
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Außerdem kann bei Lösen des Gaspedals, wobei die Motorlast plötzlich abnimmt, eine signifikante Menge an unerwünschter verdichteter Ansaugluft vor der Drosselklappe 62 eingeschlossen sein. So kann das Öffnen eines Steuerventils innerhalb des Rohrs 144 einen Abblasmechanismus für den Verdichter 162 bereitstellen. Auf diese Weise kann übermäßiger Ladedruck zum Verdichtereinlaß zurückgeleitet werden, wenn ein AGR-Ventil geschlossen wird.
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2 zeigt 2 einen beispielhaften Abgaskrümmer 200 mit einem doppelwandigen Äußeren 202. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Abgaskrümmer 200, der den Zwischenraum 204 des doppelwandigen Äußeren darstellt, durch den Luft strömen kann. Es versteht sich, dass der Zwischenraum 204 von dem inneren Hohlraum 206 des Abgaskrümmers 200 getrennt ist, durch den Abgas strömen kann.
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4 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 300 eines Motors. Ein derartiger Motor kann ein aufgeladener Motor sein, wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Anfangs kann sich ein Steuerventil innerhalb eines Rohrs, das den Zwischenraum mit dem Ansaugkrümmer hinter dem Turbolader koppelt, in einer geschlossenen Position befinden und somit kann keine Luft zwischen dem Ansaugkrümmer und dem Zwischenraum des Abgaskrümmers strömen. Bei 302 beinhaltet das Verfahren 300 das Bestimmen eines Ansaugkrümmerdrucks. Falls bei 304 der Ansaugkrümmerdruck unter einem Schwellwertdruck liegt (z. B. Umgebungsdruck), geht das Verfahren 300 weiter zu 306, wo bestimmt wird, ob der Motor eine Klopfgrenze aufweist. Eine derartige Bestimmung kann das Überwachen von Motordrehzahl, Last, Zündverstellung, Kühlmitteltemperatur, Ansauglufttemperatur usw. beinhalten, um zu bestimmen, ob sich die Zündverstellung nahe an einer Zündzeitpunktsverstellungsgrenze befindet, wobei die Zündzeitpunktsverstellungsgrenze die potentielle Klopfgrenze darstellt. Falls der Motor an der Klopfgrenze ist, endet das Verfahren 300. Falls der Motor jedoch nicht an der Klopfgrenze arbeitet, geht das Verfahren 300 weiter zu 308, wo bestimmt wird, ob die Ansauglufttemperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt. Als ein Beispiel kann ein derartiger Schwellwert einer gewünschten Ansauglufttemperatur entsprechen oder er kann einer Maximaltemperatur für die Haltbarkeit des Ansaugkrümmers oder anderer Komponenten entsprechen. Eine gewünschte Ansauglufttemperatur kann berechnet werden, um Pumpverluste und die Motoraufwärmzeit beispielsweise als Funktion von Drehzahl, Last, Umgebungstemperatur, Motortemperatur, Zeit seit dem Starten usw. zu minimieren.
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Falls die Ansauglufttemperatur nicht unter einem derartigen Schwellwert liegt, ist der Einlaß dann für die gewünschte Verbrennung innerhalb der Zylinder warm genug und das Verfahren 300 endet. Falls jedoch die Ansauglufttemperatur unter einem derartigen Schwellwert liegt, kann Nutzen aus dem Erwärmen der Ansaugluft gezogen werden, und das Verfahren 300 geht weiter zu 310.
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Bei 310 beinhaltet das Verfahren 300 das Öffnen des Steuerventils innerhalb des Rohrs, das den Zwischenraum mit dem Ansaugkrümmer hinter dem Turbolader koppelt. Das Steuerventil kann ein einfaches Ein-/Aus-Ventil sein oder es kann moduliert sein. Das Steuerventil kann moduliert werden, um die gewünschte Ansauglufttemperatur zu erreichen, wobei beispielsweise PID-Rückkopplungssteuerungen auf der Basis eines Vergleichs der gemessenen Lufttemperatur mit der gewünschten Lufttemperatur verwendet werden. Bei 312 beinhaltet das Verfahren 300 das Ansaugen von Frischluft durch den Zwischenraum eines doppelwandigen Abgaskrümmers, um die Luft zu erwärmen. Da die Abgaskrümmeroberflächen heiß sind, sind sie in der Regel in der Lage, innerhalb des Zwischenraums mehr Wärme auf die Luft zu übertragen, als durch eine traditionelle Kühlmittelerwärmung der Luft erreicht werden kann. Weiterhin steht in der Regel reichlich Abwärme schneller zur Verfügung als Kühlmittelwärme, weshalb Luft in dem Zwischenraum schnell erwärmt werden kann. Bei 314 beinhaltet das Verfahren 300 das Lenken der erwärmten Luft in den Ansaugkrümmer. Als solches kann eine verbesserte Kraftstoffersparnis erzielt werden.
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5 zeigt ein Beispiel der Ansauglufterwärmung über einen doppelwandigen Abgaskrümmer 500 (als Querschnitt gezeigt). Bei dem dargestellten Beispiel strömt in der Regel Frischluft durch einen Verdichter 502 und einen Zwischenkühler 504, bevor sie über eine Drosselklappe 506 geregelt wird und in einen Ansaugkrümmer 508 strömt. Ansaugluft wird dann aus dem Ansaugkrümmer 508 in die Zylinder 510 geleitet zur Verbrennung mit Kraftstoff. Abgas aus der Verbrennung wird dann über den Abgaskrümmer 500 ausgegeben.
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Wenn der Ansaugkrümmerdruck unter dem Umgebungsdruck liegt und der Motor nicht an der Klopfgrenze arbeitet, kann der Motor von erwärmter Ansaugluft profitieren, weil erwärmte Ansaugluft die Ansaughubverluste verringern kann und erwärmte Ansaugluft auch die Motorerwärmung verbessern kann. Somit kann während einer ersten Bedingung ein Steuerventil 512 innerhalb eines Rohrs 514, das den Zwischenraum 516 des Abgaskrümmers 500 mit dem Ansaugkrümmer 508 vor dem Turbolader koppelt, geöffnet werden. Wie oben beschrieben kann die erste Bedingung eine Motorverbrennungsbedingung sein, wobei der Ansaugdruck unter dem Umgebungsdruck liegt und wobei der Motor nicht an der Klopfgrenze arbeitet. Bei einigen Ausführungsformen kann dies für nicht aufgeladene und/oder gedrosselte Bedingungen der Fall sein. Somit kann, wie bei 518 gezeigt, Frischluft durch ein Frischluftrohr 520 an einem Rückschlagventil 522 vorbei und in den Zwischenraum 516 angesaugt werden, wo die Luft dann von den Oberflächen des doppelwandigen Abgaskrümmers 500 erwärmt wird, wie bei 524 gezeigt. Die erwärmte Luft wird dann aus dem Zwischenraum 516 an dem Steuerventil 512 vorbei in einer Richtung zum Ansaugkrümmer 508 in das Rohr 514 gesaugt, wie bei 526 angegeben. Als solches wird die erwärmte Luft dann zum Ansaugkrümmer 508 gelenkt. Bei einigen Ausführungsformen kann ein derartiges System weiterhin einen oder mehrere Ejektoren enthalten, die in einer Linie mit dem erwärmten Luftstrom positioniert sind, um einen Unterdruck für eine Kurbelgehäuseentlüftung, eine Kraftstoffdampfspülung oder eine durch Unterdruck betriebene Betätigung zu erhalten. Weiterhin kann bei einigen Ausführungsformen die Frischluft durch einen Luftfilter angesaugt werden, bevor sie das Rückschlagventil 522 passiert. Bei einigen Ausführungsformen kann das Steuerventil 512 geöffnet werden, wenn das System von warmer, nicht verdünnter Luft profitieren würde anstatt der AGR-verdünnten Luft, die in dem Ansaugsystem aufgrund des vorausgegangenen Betriebs vorliegen kann, wie etwa während Gasgeben- und/oder Gaswegnehmen-Bedingungen, wie hier oben erwähnt.
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Falls wieder unter Bezugnahme auf 4 bei 304 bestimmt wird, dass der Ansaugkrümmerdruck nicht unter dem Umgebungsdruck liegt, geht das Verfahren 300 weiter zu 316, wo bestimmt wird, ob der Ansaugkrümmerdruck über einem Schwellwertdruck liegt (z. B. Umgebungsdruck). Falls der Ansaugkrümmerdruck nicht über dem Umgebungsdruck liegt, endet das Verfahren 300 und das Steuerventil bleibt geschlossen. Falls der Ansaugkrümmerdruck jedoch über dem Umgebungsdruck liegt, geht das Verfahren 300 weiter zu 318, wo bestimmt wird, ob die Abgastemperatur über einer Schwellwerttemperatur liegt, was anzeigt, dass eine Abgaskühlung wünschenswert sein kann. Falls die Abgastemperatur nicht über der Schwellwerttemperatur liegt, kann das Abgas nicht von zusätzlicher Kühlung profitieren und das Verfahren 300 endet. Falls jedoch die Abgastemperatur über dem Schwellwert liegt, geht das Verfahren 300 weiter zu 320.
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Bei 320 beinhaltet das Verfahren 300 das Öffnen eines Steuerventils innerhalb des Rohrs, das den Zwischenraum mit dem Ansaugkrümmer koppelt. Das Steuerventil kann ein einfaches Ein-/Aus-Ventil sein oder es kann moduliert werden, um den gewünschten Grad an Abgaskühlung zu erzielen, vorbehaltlich der zur Verfügung stehenden Menge an übermäßiger Ladeluft. Bei 322 beinhaltet das Verfahren 300 das Ansaugen von Ansaugluft aus dem Ansaugkrümmer zu dem und durch den Zwischenraum, um Abgas zu kühlen. Bei 324 beinhaltet das Verfahren 300 das Ausführen einer Verstellung der Kraftstoffeinspritzung und/oder Drosselklappenposition und/oder Wastegate-Position und/oder Verdichterbypaßventilposition mit offener Schleife, um die durch das Rohr angesaugte Ansaugluft zu kompensieren, das so die Zylinder umgangen hat.
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6 zeigt ein Beispiel für Abgaskühlung über einen doppelwandigen Abgaskrümmer 500. Wenn der Ansaugkrümmerdruck über Umgebungsbedingungen liegt, kann sich die Abgastemperatur einem mit der Komponentenhaltbarkeit assoziierten Schwellwert nähern. In diesem Fall kann ein erhöhter Kraftstoffverbrauch und erhöhte Emissionen der Abgaskühlung über Kraftstoffanreicherung vermieden werden, indem der Abgaskrümmer mit von übermäßigem Ladedruck abgeleiteter Luft gekühlt wird. Während einer zweiten Bedingung kann somit das Steuerventil 512 innerhalb des Rohrs 514 geöffnet werden. Wie oben beschrieben, beinhaltet die zweite Bedingung, dass der Ansaugdruck über einem Umgebungsdruck liegt, und somit ist die zweite Bedingung von der ersten Bedingung verschieden. Bei einigen Ausführungsformen können dies eine aufgeladene Bedingung, eine Bedingung mit großer Last und/oder eine ungedrosselte Bedingung sein. Somit kann, wie bei 526 gezeigt, Ansaugluft aus dem Ansaugkrümmer 508 durch das Steuerventil 512 in einer Richtung zum Abgaskrümmer gesogen werden. Es ist zu verstehen, dass die Kühlluft in einigen Fällen vor der Drosselklappe oder hinter dem Verdichter bezogen werden kann. In solchen Fällen jedoch können zusätzliche Installationskompenenten enthalten sein, um die doppelten Aufgaben zu bewerkstelligen.
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Die Luft tritt dann in den Zwischenraum 516 ein, wo die Luft das Abgas kühlt, wie bei 528 angezeigt. Durch Verwenden von Luftkühlung anstelle von Flüssigkeitskühlung braucht einem Kühlmittelsystem keine zusätzliche Wärmeabgabekapazität hinzugefügt zu werden. Die Luft kann dann ein anderes Rückschlagventil 530 durchlaufen, wo die Luft dann zur Atmosphäre hinaus gelenkt wird oder zu einer oder mehreren Komponenten, die von einer Erwärmung profitieren könnten (z. B. einem Regler für verdichtetes Erdgas, Innenraumwärme, Getriebeöl, Differentialschmiermittel usw.). Die Kraftstoffeinspritzung kann verstellt werden (z. B. durch Durchführen einer open-loop Verstellung), um die aus dem Ansaugkrümmer abgezogene Ansaugluft zu kompensieren. Als solches kann eine Stöchiometrie für die Motorverbrennung aufrechterhalten werden. Auch die Drosselklappe und/oder das Wastegate und/oder der Verdichterbypaß können verstellt werden (z. B. durch Durchführen einer open-loop Verstellung), um die aus dem Ansaugkrümmer abgezogene Ansaugluft zu kompensieren und das gewünschte Niveau an Luftströmung zu den Motorzylindern aufrechtzuerhalten. Weiterhin kann ein derartiges System bei einigen Ausführungsformen weiterhin einen oder mehrere Ejektoren enthalten, die in einer Linie mit der Rohrströmung positioniert sind, um einen Unterdruck für Kurbelgehäusebelüftung, Kraftstoffdampfspülung oder unterdruckbetriebene Betätigung zu erzeugen.
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Auf diese Weise etablieren die Ansauglufterwärmung und Abgaskühlung wie hierin beschrieben eine Synergie bei der Funktionalität, weil Ansaugluft genau dann angesaugt werden kann, wenn eine Ansaugerwärmung erwünscht ist, und die übermäßige Aufladung kann präzise dann Luft drücken, wenn eine Abgaskühlung gewünscht ist. Aus diesem Grund kann bei einigen Ausführungsformen eine passive Implementierung (ohne Controllerintervention) genutzt werden. Während vorübergehender Leistungsanstiege liegt möglicherweise keine Bedingung mit übermäßigem Ladedruck vor. Solche Transienten erzeugen im Allgemeinen jedoch keine ausreichende Abgaswärme, um eine Abgaskühlung zu erfordern, vielmehr ist eine derartige Kühlung häufiger bei eingeschwungenen Bedingungen erforderlich. Somit besitzt das System in der Regel einen übermäßigen Ladedruck bei höheren Leistungsniveaus, wenn eine Abgaskühlung gewünscht wird.
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Man beachte, dass die beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen, die hierin enthalten sind, mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hierin beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien beschreiben wie etwa ereignisgetrieben, Interrupt-getrieben, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Als solches können verschiedene Handlungen, Operationen oder Funktionen, die dargestellt sind, in der dargestellten Sequenz oder parallel durchgeführt werden oder in einigen Fällen entfallen. Gleichermaßen ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele zu erreichen, wird aber zur Erleichterung der Darstellung und Beschreibung vorgelegt. Eine oder mehrere der dargestellten Handlungen oder Funktionen könnnen je nach der jeweiligen verwendeten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können die beschriebenen Handlungen einen Code grafisch darstellen, der in das computerlesbare Speichermedium in dem Motorsteuersystem programmiert werden soll.
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Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen von beispielhafter Natur sind und dasss diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem beschränkenden Sinne anzusehen sind, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Beispielsweise kann die obige Technologie auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, 4-Zylinder-Boxermotoren und andere Motorarten angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuartigen und nichtoffensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere hierin offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
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Die folgenden Ansprüche heben bestimmte Kombinationen und Teilkombinationen besonders hervor, die als neuartig und nicht offensichtlich angesehen werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein” Element oder „ein erstes” Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Integrierung von einem oder mehreren solchen Elementen beinhalten, wobei zwei oder mehr solcher Elemente weder erforderlich sind noch ausgeschlossen werden. Andere Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage von neuen Ansprüchen in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden.
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Solche Ansprüche, seien sie hinsichtlich Schutzbereich breiter, enger, gleich oder verschieden zu den ursprünglichen Ansprüchen, werden ebenfalls so angesehen, dass sie in dem Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten sind.
