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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Abgastemperatur Tein an einem Eintritt in einen Druckwellenlader anhand einer von einem Motorsteuergerät bereitgestellten Abgastemperatur Ta.
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Druckwellenmaschinen zur Aufladung Von Motoren sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Dabei ist der maximal darstellbare Ladedruck der Druckwellenmaschine durch die abgasseitige Eintrittstemperatur in den Druckwellenlader Tein bestimmt. Je höher die Eintrittstemperatur Tein ist, desto höher ist der Druck auf der Seite des Abgaseintritts in den Zellrotor und damit der daraus resultierende Ladedruck. Bei niedrigen Abgastemperaturen wird der Druckwellenprozess immer problematischer, wobei dieser Prozess im Extremfall ganz zum Erliegen kommen kann.
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Auf der anderen Seite ist der Spülprozess der Druckwellenmaschine durch das Druckgefälle zwischen Abgasaustritt und Frischlufteintritt der Druckwellenmaschine begrenzt. Es ist daher wichtig, dass beim Abgasaustritt ein möglichst geringer Gegendruck herrscht. Folglich sollte ein Abgasreinigungssystem möglichst vor dem Druckwellenladereintritt im Abgasstrang positioniert sein, damit der Gegendruck beim Abgasaustritt aus dem Druckwellenlader nicht durch das Abgasreinigungssystem erhöht wird. Wenn das Abgasreinigungssystem vor dem Druckwellenladereintritt angeordnet ist, heizt es sich aufgrund der höheren Abgastemperatur T besser auf. Gleichzeitig stellt das Abgasreinigungssystem nun aber eine thermische Trägheit für den Druckwellenlader dar und führt zu einer Verzögerung eines Temperaturanstiegs vor dem Druckwellenlader. Bei einem Lastsprung, also einem Motorbetriebswechsel von Teillast zu Volllast, ist infolgedessen der Ladedruckaufbau im Druckwellenlader durch den verzögerten Temperaturanstieg der Abgastemperatur T begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, muss die Abgastemperatur Tein am Eintritt in den Druckwellenlader auf ein von der Auslegung des Druckwellenladers abhängiges minimales Niveau gehoben werden. Im Folgenden ist dieses von der Auslegung des Druckwellenladers abhängige minimale Niveau die Grenztemperatur Tgrenz. Dabei wird davon ausgegangen, dass bereits passive Maßnahmen zur Isolierung des Abgasstrangs vorgenommen worden sind, um Wärmeverluste des Abgases zu minimieren.
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Eine recht ähnliche Problematik besteht bei Abgasreinigungssystemen darin, den Katalysator auf eine erforderliche Betriebstemperatur zu bringen. Neben passiven Maßnahmen zur Isolierung kommen dabei auch aktive Maßnahmen zum Tragen wie Heizen des Abgases über eine Heizeinrichtung oder eine Verstellung der Motorstellgrößen, die zu einer höheren Abgastemperatur führen. Dabei ist bei einem Katalysator in der Regel nur ein kurzfristiges Anheizen auf Betriebstemperatur notwendig. Bei einem Druckwellenlader muss allerdings gegebenenfalls, insbesondere bei niedrigen Motorlasten, im Dauerbetrieb zugeheizt werden.
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Aus der
EP 0 899 436 B1 ist ein Otto-Motor in Kombination mit einer Druckwellenmaschine und einem Dreiwegekatalysator bekannt, wobei der Dreiwegekatalysator im Auslass des Otto-Motors zwischen dem Otto-Motor und dem Abgaseinlass der Druckwellenmaschine angeordnet ist und zwischen dem Dreiwegekatalysator und dem Abgaseinlass der Druckwellenmaschine eine Heizeinrichtung angeordnet ist. Gemäß
2 kann der Dreiwegekatalysator auch zweigeteilt sein, wobei sich die Heizeinrichtung zwischen den beiden Teilen befindet. Dadurch kann eine effiziente Heizung des Katalysators und des Eingangs der Druckwellenmaschine erzielt werden. Dabei dienen zur Steuerung der Katalysatoren eine Lambda-Sonde, ein Temperaturfühler und eine sogenannte Wastegate-Klappe. Ein Signal des Temperaturfühlers kann als Größe für die Steuerung einer Laderdrosselklappe verwendet werden. Als weitere Steuergrößen können die Drehzahl des Motors sowie der Druck nach der Drosselklappe dienen. Die Lambda-Sonde liefert die Regelgröße für die Gemischbildung. Außerdem wird ein Diesel-Motor in Kombination mit einer Druckwellenmaschine, einer Heizeinrichtung und einem Katalysator offenbart, wobei die Heizeinrichtung auf den Abgaseinlass der Druckwellenmaschine wirkt. Der Katalysator ist ein Oxidationskatalysator. Er befindet sich im Auslass des Diesel-Motors zwischen dem Diesel-Motor und dem Abgaseinlass der Druckwellenmaschine. Die Heizeinrichtung befindet sich zwischen dem Oxidationskatalysator und dem Abgaseinlass der Druckwellenmaschine. Außer dem Hinweis darauf, dass die Heizeinrichtung ein Brenner sein kann, der bei tiefer Abgastemperatur eingeschaltet wird, wird keine weitere Regelung der Abgastemperatur offenbart. Nachteilig an einer separaten Heizeinrichtung ist zudem der erhöhte Systemaufwand durch ein zusätzliches Bauteil wie einen Brenner oder auch eine elektrische Heizung.
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Die
WO 199733080 A1 offenbart, dass zwischen dem Auslass einer Brennkraftmaschine und einem Dreiwegekatalysator ein Brenner angeordnet wird, der bei tiefer Abgastemperatur eingeschaltet wird. Dadurch wird einerseits der Katalysator schneller auf seine optimale Betriebstemperatur gebracht und andererseits gelangen die Gase mit höherer Temperatur zum Lader. Dadurch kommt der Druckwellenprozess bereits bei kaltem Motor in Gang und die ganze Motorleistung steht zur Verfügung. Anstatt eines Brenners können auch andere Heizeinrichtungen, z. B. eine elektrisch betriebene Heizung verwendet werden. Wichtig ist dabei, sowohl die Funktion des Katalysators als auch des Laders günstig zu beeinflussen.
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Die
DE 10 2006 020 522 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem Frischluft durch einen Druckwellenlader komprimiert wird, wobei mindestens ein Betriebsparameter des Druckwellenladers abhängig von mindestens einer Ist-Betriebsgröße der Brennkraftmaschine geregelt wird. Als Ist-Betriebsgröße zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl ist besonders gut eine thermodynamische Zustandsgröße eines Abgases geeignet, insbesondere eine Temperatur und/oder ein Druck des Abgases. Als weitere Ist-Betriebsgröße zur Steuerung oder Regelung der Stellung des Gastaschenzuflussventils ist eine Differenz zwischen einem Lambdawert eines von einem Brennraum zum Druckwellenlader strömenden Abgases und einem Lambdawert eines aus dem Druckwellenlader in die Umgebung abströmenden Abgases besonders geeignet. Unter anderem erhält die Steuer- und Regeleinrichtung, die den Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem Druckwellenlader steuert und regelt, Signale von einem Temperatursensor, der eine Temperatur T
rec3 im Abgaskanal erfasst und von einem Temperatursensor, der eine Temperatur T
rec4 im Auslasskanal erfasst und von einem Temperatursensor, der eine Temperatur T
rec1 im Ansaugkanal erfasst. Dabei können zur Einsparung von Sensoren einige der genannten Größen auch anhand von Modellen ermittelt werden. Maßnahmen zur Einstellung einer Abgastemperatur sind jedoch nicht vorgesehen. Stattdessen dient die Reglerstruktur zur Regelung der Drehzahl des Elektromotors und eines Gehäuseversatzes, zur Regelung der Stellung des Gastaschenzuflussventils sowie auch zur Regelung der Stellung der Ladeluft-Drosselklappe und zur Regelung der Stellung der Ansaugdrosselklappe.
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Die
DE 10 2010 008 385 A1 offenbart ein Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader aufgebaut wird. Dabei wird vorgeschlagen, dass im Kaltgasgehäuse eine Steuerscheibe zur Einstellung des Druckwellenprozesses über einen geometrischen Versatz von Kanal 3-4 zu Kanal 1-2 angeordnet ist. Der Ladedruck wird in Abhängigkeit einer Steuerscheibenstellung und/oder einer Gastaschenventilstellung und/oder einer Rotordrehzahl des Druckwellenladers und/oder einer Umluftventilstellung eingestellt und/oder geregelt. Es wird vorgeschlagen, auf bereits vorhandene Sensoren zurückzugreifen. Beispielsweise kann die Abgastemperatur durch eine kombinierte Lambdasonden Temperaturabgasmessung ermittelt werden. Es ist vorstellbar, im Abgasaustritt zwischen Auslassventil und Eintritt über den Kanal 3 in den Druckwellenlader bzw. nach Austritt aus dem Druckwellenlader in Kanal 4 bzw. einem sich daran anschließenden Abgastrakt bzw. Krümmer die Abgastemperatur zu messen. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Abgastemperatur aufgrund eines Abgastemperaturmodells ermittelt wird und keine sensorische Erfassung erfolgt. Diese Messungen oder anderweitige Ermittlungen dienen jedoch nicht zur Regelung einer Abgastemperatur. Maßnahmen zur Einstellung der Abgastemperatur sind ebenfalls nicht vorgesehen.
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Weiter ist es aus dem Stand der Technik für Katalysatoren bekannt, ein sogenanntes Sekundärluftsystem bei Ottomotoren zur Einhaltung von Abgasnormen und Gesetzen einzusetzen (Quelle: Wikipedia „Sekundärluftsystem”). Es besteht im Wesentlichen aus einer Sekundärluftpumpe und einem Sekundärluftventil. Das System wird nach einem Kaltstart in der Warmlaufphase des Motors aktiviert, um die Abgasbestandteile HC und CO zu minimieren. Die Sekundärluftpumpe fördert Umgebungsluft, die unter Umgehung des Motors durch das Ventil in den Abgastrakt eingeblasen wird. Dort reagiert die Luft exotherm mit unverbrannten Abgasbestandteilen (thermische Nachverbrennung), wodurch der Katalysator dabei unterstützt wird, schneller auf Betriebstemperatur zu kommen. Je nach Position des Katalysators erfolgt die Lufteinblasung kurz hinter den Auslassventilen bis kurz vor dem Katalysator. Um während des Motorwarmlaufs einen ”runden” Motorlauf zu garantieren und im Bedarfsfall ausreichend Motorleistung ohne Aussetzer zu garantieren, erfolgt hier bis zum Erreichen der Betriebstemperatur die Gemischeinstellung noch mit Kraftstoffüberschuss, das heißt unterstöchiometrisch. Das hat u. a. zur Folge, dass ein Teil der Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffs unverbrannt den Brennraum verlässt und so an die Umgebung gelangen könnte, Ein anderer Teil verbrennt unvollständig zu giftigem Kohlenmonoxid. Normalerweise würden beide Stoffe, sowohl Kohlenwassertoffe (HC) als auch Kohlenmonoxid (CO), im Katalysator oxidiert und unschädlich gemacht. In der Phase des Motorwarmlaufs ist jedoch der Katalysator selbst noch nicht betriebsbereit. Außerdem fehlt bei fetter Gemischeinstellung der Sauerstoff im Abgas, um eine Oxidation einzuleiten. Der Luftsauerstoff zur Nachverbrennung kann also nicht durch das Gemisch selbst zur Verfügung gestellt werden, sondern muss von außen zugeführt werden. Der Vorgang der Sekundärlufteinblasung erfolgt in der Regel zeitgesteuert. Der Katalysator ist in wenigen Sekunden nach Kaltstart betriebsbereit, so dass dann auch die Sekundärlufteinblasung gestoppt werden kann, Das Gemisch wird ab dann stöchiometrisch eingestellt und auf λ = 1 geregelt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, abgesehen von bereits vorgenommenen passiven Isolierungsmaßnahmen eine minimale Abgastemperatur Tein an einem Eintritt in einen Druckwellenlader mit einem möglichst geringen Aufwand sicherzustellen und ein Überregulieren zu vermeiden.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach wird ein Verfahren zur Regelung einer Abgastemperatur Tein an einem Eintritt in einen Druckwellenlader anhand einer von einem Motorsteuergerät bereitgestellten Abgastemperatur Ta vorgeschlagen. Zum Teil wird diese Abgastemperatur Ta sensorisch gemessen und als Messwert an das Motorsteuergerät übermittelt. Viele moderne Motorsteuergeräte modellieren Ta stattdessen anhand von Betriebsparametern des Fahrzeugs, in der Regel anhand von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine. Die Messstelle zum Ablesen von Ta oder aber die modellierte Abgastemperatur Ta befinden sich jedoch nicht am Eintritt in den Druckwellenlader, sondern regelmäßig am oder nach einem Austritt aus der Brennkraftmaschine und vor einem Katalysator. Das Abgassystem zwischen der von dem Motorsteuergerät bereitgestellten Abgastemperatur Ta und dem Eintritt in den Druckwellenlader wird erfindungsgemäß als thermisches Modell beschrieben und im Motorsteuergerät hinterlegt. Anhand der bereitgestellten Abgastemperatur Ta wird nach einer Modellierung durch das thermische Modell eine Abgastemperatur Tein am Eintritt in den Druckwellenlader angenommen. Die angenommene Abgastemperatur Tein wird mit einer in der Motorsteuerung hinterlegten Grenztemperatur Tgrenz abgeglichen. Bei Unterschreiten dieser Grenztemperatur Tgrenz wird ein Heizleistungsbedarf bestimmt. Danach werden Maßnahmen eingeleitet, die die angenommene Abgastemperatur Tein so weit erhöhen, bis die angenommene Abgastemperatur Tein die Grenztemperatur Tgrenz nicht mehr unterschreitet. Dazu wird der Heizleistungsbedarf über das thermische Modell online, also in Echtzeit ermittelt.
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Da bei einem Druckwellenlader gegebenenfalls ein Heizen im Dauerbetrieb notwendig ist, wenn die Brennkraftmaschine bei niedriger Lastanforderung mit entsprechend niedrigen Abgastemperaturen arbeitet, ist die möglichst exakte Ermittlung von Tein für eine verbrauchsarme Steuerung des Betriebsverhaltens von Brennkraftmaschine und Druckwellenlader elementar. Gleichzeitig soll aber jeder zusätzliche sensorische Aufwand vermieden werden, um den Druckwellenlader im Verhältnis zu einem Turbolader konkurrenzfähig zu machen. Folglich greift die Erfindung ausschließlich auf bereits vorhandene, sensorisch oder rechnerisch vorn Motorsteuergerät ermittelte Werte zurück. Die Messstelle für die Abgastemperatur Ta, die von dem Motorsteuergerät bereitgestellt wird, liegt dabei regelmäßig vor dem Katalysator und nicht am Eintritt in den Druckwellenlader. Denn bereits jetzt wird die Abgastemperatur Ta für einen optimalen Betrieb des Katalysators sensorisch vor dem Eintritt in den Katalysator gemessen oder durch das Motorsteuergerät anhand von Betriebsparametern des Fahrzeugmotors modelliert. Erfindungsgemäß wird daher die Temperatur Tein am Eintritt in den Druckwellenlader anhand des thermischen Modells ermittelt und somit nicht gemessen, sondern rechnerisch angenommen. Das thermische Modell wird auf Basis von Messungen an einem Motorprüfstand, mindestens aber aufgrund von Messungen an einem Heißgasprüfstand mit Daten gefüllt. Dabei wird ein beschreibendes Modell des verwendeten Katalysators inklusiver einer zu einer Temperaturerhöhung führenden Reaktionskinetik auf Basis phänomenologischer Modelle genutzt, um eine Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten. Gegebenenfalls werden auch noch weitere Elemente der Abgasanlage zwischen Messstelle oder modellierter Abgastemperatur Ta und Eintritt in den Druckwellenlader in das Modell eingearbeitet. Auf Basis dieses thermischen Modells ergibt sich so nicht nur eine Aussage zur Temperatur Tein am Eintritt in den Druckwellenlader, sondern auch ein Modell, weiches zu jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine den erforderlichen Heizleistungsbedarf, sprich Massenstrom und Temperatur an einem Motorauslass ermittelt. Je genauer die Temperatur Tein am Eintritt in den Druckwellenlader anhand des thermischen Modells bestimmbar ist, desto genauer lässt sich aus der Differenz von Tein mit der in der Motorsteuerung hinterlegten Grenztemperatur Tgrenz der Heizleistungsbedarf bestimmen, der notwendig ist, um Tein an Tgrenz anzugleichen.
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Dabei kann die in der Motorsteuerung hinterlegten Grenztemperatur Tgrenz als feste Größe hinterlegt sein. Die genaue Grenztemperatur Tgrenz ist dabei abhängig von der Größe und Auslegung der Brennkraftmaschine in Kombination mit dem Druckwellenlader und der Abgasanlage. Sie variiert daher von Fahrzeugtyp zu Fahrzeugtyp. In jedem Fall sollte ein Wert von Tein kleiner 500°C nicht unterschritten werden. Tgrenz beträgt daher mindestens 500°C.
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Besonders bevorzugt ist die Grenztemperatur Tgrenz darüber hinaus als Kennfeld in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Druckwellenladers und/oder der Brennkraftmaschine hinterlegt. Dies optimiert die angenommene Abgastemperatur Tein für die jeweiligen Betriebszustände auf ein notwendiges Minimum. Insbesondere kann hier über eine begrenzt lernfähige Motorsteuerung anhand bestimmter Betriebszustände, beispielsweise anhand dessen, wie ein Fahrer ein Gaspedal betätigt und/oder der daraus resultierenden Drosselklappenstellung, eine eher dynamische oder eher zurückhaltende Fahrweise angenommen werden. Entsprechend der Fahrweise wird dem Kennfeld eine Temperatur Tgrenz entnommen, die einer eher dynamischeren oder einer eher zurückhaltenden, verbrauchsoptimierten Fahrweise entspricht. Die Heizstrategie und sämtliche Regelungsparameter werden ebenfalls aus dem Kennfeld entnommen und entsprechend eingestellt.
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Anhand des erfindungsgemäß ermittelten Heizleistungsbedarfs wird eine geeignete Applikationsstrategie zur gezielten Einstellung auf das erforderliche Temperaturniveau von Tein eingeleitet.
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Bevorzugt wird als Heizmaßnahme zur Erhöhung der angenommenen Abgastemperatur Tein ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine derart verändert, dass sich eine Abgastemperatur Taus am Austritt aus der Brennkraftmaschine erhöht. Dabei stehen alle Stellgrößen an der Brennkraftmaschine zur Verfügung wie beispielsweise die Drosselklappenposition, der Zündzeitpunkt, der Einspritzzeitpunkt, die Einspritzmengenverteilung und die Nockenwellenstellerposition. Ziel ist es jeweils, die Abgastemperatur Taus am Austritt aus der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Dabei muss ein Kompromiss zwischen optimalem Verbrauchsverhalten der Brennkraftmaschine und optimalem Ansprechverhalten des Druckwellenladers gefunden werden. Außerdem sind Einflüsse der Temperaturregelung für den Druckwellenlader auf das Motordrehmoment der Brennkraftmaschine ebenfalls regelungstechnisch zu kompensieren. Umso wichtiger ist es, den erforderlichen Heizleistungsbedarf erfindungsgemäß genau zu bestimmen, damit nicht unnötig viel Kraftstoffenergie in Heizleistung umgesetzt wird und der Wirkungsgradnachteil minimiert ist.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der erfindungsgemäß angenommenen Abgastemperatur Tein besteht darin, als Heizmaßnahme einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine derart zu Verändern, dass sich eine Abgastemperatur TKAT aufgrund einer thermischen Reaktion in einem vor dem Druckwellenlader befindlichen Katalysator erhöht. In der Regel wird dies durch ein Nachbrennen im Katalysator erreicht, was voraussetzt, dass im Katalysator noch genügend Sauerstoff und Kraftstoff vorhanden sein müssen, um eine Verbrennungsreaktion auszulösen.
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Eine Möglichkeit, die gewünschte thermische Reaktion im Katalysator auszulösen, besteht darin, dem Abgas über die Brennkraftmaschine oder eine separate Zuleitung Sauerstoff zuzuführen. Zur Bestimmung eines entsprechenden Abgasgemischs kann auch auf Lambdawerte zurückgegriffen werden, die in der Motorsteuerung vorliegen. Insbesondere bei dieser Heizvariante muss allerdings ein negativer Einfluss auf ein Schadstoffemissionsergebnis ausgeschlossen werden, unbedingt müssen beispielsweise Kohlenwasserstoffdurchbrüche vermieden werden. Erfindungsgemäß greift auch diese Variante nur auf bereits vorhandene Stellgrößen zurück, die ohnehin am System Brennkraftmaschine vorhanden sind. Ist für den Katalysator ohnehin eine Sekundärlufteinblasung vorgesehen, kann diese verwendet werden. Moderne, aufgeladene und direkteinspritzende Brennkraftmaschinen können darüber hinaus auch auf eine Sekundärlufteinblasung verzichten, da sie in der Lage sind, auch bei einer fetten Gemischeinstellung dem Abgas noch genügend Sauerstoff für eine thermische Reaktion zuzuführen. Folglich wird auch bei dieser Variante allein durch die erfindungsgemäße Regelungstechnik eine Optimierung von Tein erreicht, ohne zusätzliche Systemkomponenten wie einen Brenner oder eine elektrische Heizung installieren zu müssen. Das in der Motorsteuerung hinterlegte beschreibende Modell des Katalysators berücksichtigt dabei ebenfalls eine zu einer Temperaturerhöhung führende Reaktionskinetik, so dass Tein auch bei Heizmaßnahmen über den Katalysator anhand von Ta über das thermische Modell zutreffend modelliert werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit, die gewünschte thermische Reaktion im Katalysator auszulösen, besteht darin, auf einen Sauerstoffspeicher eines Katalysators zurückzugreifen. Zur Einhaltung von Schadstoffgrenzen und insbesondere zur Überwachung der emittierten Schadstoffe wird durch moderne Steuergeräte heute schon die im Katalysator befindliche Sauerstoffmenge ermittelt, der sogenannte OSC-Wert (oxygen storage capacity). Hier bietet die Kenntnis des Katalysatorzustandes grundsätzlich die Möglichkeit, über eine entsprechend unterstöchiometrisch eingestellte Verbrennung, den Sauerstoffspeicher des Katalysators gezielt zu entleeren. Dies führt durch die Reaktion des Sauerstoffs mit im Abgas befindlichem Kraftstoff zu einer kurzfristigen Temperaturerhöhung im und damit auch nach dem Katalysator, also auch vor dem Druckwellenlader. Dieses Vorgehen hilft insbesondere im Transitbetrieb, also bei Lastwechseln. Um das oben beschriebene Prinzip für den Einsatz einer mit einem Druckwellenlader ausgestatteten Brennkraftmaschine zu nutzen, kann die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators gezielt erhöht werden. Das bedeutet, dass im Vorfeld die Sauerstoffmenge ermittelt werden muss, die für einen Heizleistungsbedarf zur Erhöhung von Tein notwendig ist, um einen optimalen Betrieb von Druckwellenlader und Brennkraftmaschine zu erreichen. Sodann wird von vornherein in das Fahrzeug ein Katalysator eingebaut, der eine entsprechende Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist, um im Bedarfsfall bei einer Entleerung genügend Sauerstoff für die erforderliche thermische Reaktion bereitzustellen. Folglich wird erfindungsgemäß vor dem Druckwellenlader ein Katalysator verwendet, dessen Sauerstoffspeicherkapazität so ausreichend ausgelegt wird, dass die Abgastemperatur TKAT aufgrund der thermischen Reaktion im Katalysator durch eine gezielte Entleerung des Sauerstoffspeichers mindestens auf den Wert von Tgrenz erhöht werden kann.
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Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit zur Erhöhung der erfindungsgemäß angenommenen Abgastemperatur Tein besteht darin, als Heizmaßnahme zur Erhöhung der angenommenen Abgastemperatur Tein einen Betriebszustand des Druckwellenladers derart zu verändern, dass sich eine Abgastemperatur Tein aufgrund einer veränderten gasdynamischen Situation erhöht. Dabei sind der Druck p, die absolute Temperatur T und das Volumen V eines idealen Gases durch eine einfache Zustandsgleichung miteinander verknüpft. Für m Kilogramm eines idealen Gases gilt pV mRT. Dabei ist R eine spezifische Gaskonstante, deren Zahlenwert vom Gas abhängt. Die Einheit von R ist Joule pro Grad K pro Kilogramm. Aus der Gleichung pV = mRT ergibt sich, dass auch eine Volumenänderung Einfluss auf die Temperatur hat. Eine Volumenänderung des Abgasstroms am Eintritt des Druckwellenladers kann durch die Laderstellgrößen direkt beeinflusst werden. Hierzu stehen beim Druckwellenlader die typischen Laderstellgrößen wie Steuerwalzen- und Kantenschieberposition sowie Rotordrehzahl zur Verfügung. Wird der gasdynamische Zustand im Druckwellenlader verändert, wird damit auch der thermodynamische Zustand vor dem Druckwellenlader beeinflusst. Mit einer entsprechenden regelungstechnischen Auslegung kann Tein daher erfindungsgemäß auch über eine Änderung eines Betriebszustandes des Druckwellenladers gezielt erhöht werden.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren genauer beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung von Brennkraftmaschine (1), Katalysator (3, 4, 5) und Druckwellenlader (2) und
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2 einen Modellaufbau zur Temperaturregelung am Eintritt in den Druckwellenlader.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung der Anordnung von Brennkraftmaschine (1), Katalysator (3, 4, 5) und Druckwellenlader (2). Im Abgasstrang (10) einer Brennkraftmaschine (1) befindet sich nah der Brennkraftmaschine (1) ein Katalysator (3). Hinter dem Katalysator (3) ist ein Druckwellenlader (2) angeordnet. Der Druckwellenlader (2) verfügt über eine Kaltgasseite (20), in die Umgebungsluft in Pfeilrichtung eintritt, durch die Kaltgasseite (20) durchfließt und in Pfeilrichtung aus der Kaltgasseite (20) wieder austritt. Zudem verfügt der Druckwellenlader (2) über eine Heißgasseite (21), in die Abgas aus dem Abgasstrang (10) eintritt, nachdem es den Katalysator (3) durchlaufen hat. Das heilte Abgas fließt in Pfeilrichtung durch die Heißgasseite (21) des Druckwellenladers (2) hindurch und verlässt die Heißgasseite (21) in Pfeilrichtung wieder. Das Abgas fließt dann weiter im Abgasstrang (10) und kann nach dem Druckwellenlader (2) noch durch einen oder mehrere Katalysatoren (4, 5) hindurch fließen, bevor es in nicht näher dargestellter Weise den Abgasstrang (10) in die Umgebungsluft verlässt. Die weiteren Katalysatoren (4, 5) sind fakultativ und nur der Vollständigkeit halber dargestellt. Im Abgasstrang (10) sitzt zwischen Brennkraftmaschine (1) und dem ersten motornahen Katalysator (3) ein nicht dargestellter Temperatursensor, der eine Abgastemperatur Ta misst und an ein ebenfalls nicht dargestelltes Motorsteuergerät weiterleitet. Alternativ wird die Abgastemperatur Ta über bereits in dem Motorsteuergerät vorhandene Temperaturmodelle anhand von Betriebsparametern des Fahrzeugs modelliert. Auf dieser vom Motorsteuergerät bereitgestellten Abgastemperatur Ta beruht im Folgenden die gesamte erfindungsgemäße Regelungstechnik, die in der 2 näher beschrieben ist. Für den Betrieb des Druckwellenladers (2) entscheidend ist die direkt am Eingang des Druckwellenladers (2) vorherrschende Temperatur Tein. Je höher Tein desto mehr Energie kann der Druckwellenlader (2) in eine Drehbewegung umsetzen. Zwischen Ta und Tein liegen noch ein Teil des Abgasstrangs (10) und der Katalysator (3). Beide nehmen Einfluss auf einen Temperaturunterschied zwischen Ta und Tein, zum einen weil über den Weg und die zu erwärmenden thermischen Massen das Abgas Wärme an seine Umgebung abgibt und zum anderen, weil Abgaswärme durch im Katalysator (3) ablaufende chemische Prozesse in andere Energie umgewandelt wird. Folglich stimmen die bereitgestellte Temperatur Ta und Tein nicht überein. Tein wird anhand von der bereitgestellten Temperatur Ta erfindungsgemäß in der Motorsteuerung über ein thermisches Modell ermittelt, welches ebenfalls den zwischen Ta und Tein liegenden Abgasstrang (10) und den Katalysator (3) berücksichtigt, letzteren über ein beschreibendes Modell. Sinkt die modellierte Temperatur Tein, nun unter eine in der Motorsteuerung entweder absolut oder in Form eines Kennfeldes hinterlegte Grenztemperatur Tgrenz, leitet die Motorsteuerung Heizmaßnahmen ein. Diese Maßnahmen können sich entweder in der Brennkraftmaschine (1) auf die Temperatur Taus auswirken, mit der das Abgas die Brennkraftmaschine (1) verlässt. Alternativ oder kumulativ können sich die Heizmaßnahmen auch auf die Temperatur TKAT im Katalysator (3) auswirken, die sich durch die Reaktionskinetik im Katalysator (3) einstellt. Eine dritte Möglichkeit zum Heizen ohne zusätzlich zu installierende Systemkomponenten besteht darin, Tein direkt am Eingang des Druckwellenladers (2) über eine Änderung der typischen Laderstellgrößen wie zum Beispiel Steuerwalzen- und Kantenschieberposition sowie Rotordrehzahl zu beeinflussen.
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2 zeigt einen Modellaufbau zur Temperaturregelung am Eintritt in den Druckwellenlader. Ta wird durch das Motorsteuergerät bereitgestellt. Erfindungsgemäß berechnet das Motorsteuergerät über ein thermisches Modell anhand von Ta die Temperatur Tein am Eingang zum Druckwellenlader. Das Motorsteuergerät modelliert daher Tein anhand eines echten abgelesenen Wertes oder eines bereits modellierten Wertes über ein thermisches Modell, das sämtliche Besonderheiten der konkreten Abgasanlage berücksichtigen muss. Dazu wird das Modell vorab mit Messwerten gefüllt, die beispielsweise an einem Motorprüfstand anhand der konkreten Abgasanlage ermittelt werden. Ebenfalls in der Motorsteuerung hinterlegt ist die minimale Temperatur, die der Druckwellenlader benötigt, um seine erforderliche Leistung zu erbringen, die Temperatur Tgrenz. Erfindungsgemäß ist dabei die in der Motorsteuerung hinterlegte Grenztemperatur Tgrenz ≥ 500°C. Das Motorsteuergerät vergleicht nun Tein, (Minuend) mit Tgrenz (Subtrahend) und bildet die Differenz. ist die Differenz null oder positiv, leitet das Motorsteuergerät keine Maßnahmen ein. Ist die Differenz negativ, bestimmt das Motorsteuergerät den Heizleistungsbedarf ebenfalls anhand des thermischen Modells und leitet applikative Heizmaßnahmen ein, die sich auf Tein auswirken. Dies macht das Motorsteuergerät so lange, bis Tein nicht mehr kleiner Tgrenz ist, also bis die Differenz null oder positiv ist. Fällt die Temperatur von Tein wieder, dies ermittelt das Motorsteuergerät anhand von Ta und des thermischen Modells, und unterschreitet Tein Tgrenz, leitete das Motorsteuergerät wieder applikative Heizmaßnahmen ein. Das kann dazu führen, dass bei einem für den Druckwellenlader ungünstigen Fahrprofil, die Abgastemperatur über einen längeren Zeitraum durch Heizmaßnahmen erhöht wird. Hierbei muss anhand des thermischen Modells der bestmögliche Kompromiss zwischen zusätzlichem Kraftstoffverbrauch und optimalen Wirkungsgrad von Brennkraftmaschine, Katalysator und Druckwellenlader gefunden werden. Dabei wird der Heizleistungsbedarf online bestimmt, das heißt, dass alle zugrunde gelegten Modelle echtzeitfähig sind. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine könne dabei unterschiedliche der genannten Heizmaßnahmen zielführend sein.
