DE102013205590A1

DE102013205590A1 - Verbrennungsmotor und Verfahren zum Steuern der Drehzahl des Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102013205590A1
Application number: DE102013205590A
Authority: DE
Inventors: Scot A. Douglas; Michael J. Paratore Jr.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-11-14
Also published as: CN103382898A; US20130263576A1; US8875505B2

Abstract

Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern einer Drehzahl eines Verbrennungsmotors ein Abschalten einer Kraftstoffströmung in einen Zylinder hinein, um die Drehzahl des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Das Verfahren umfasst auch, dass einer Lichtmaschine des Verbrennungsmotors eine elektrische Last bereitgestellt wird, wobei die Drehzahl des Verbrennungsmotors weiter reduziert wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere Verfahren und Systeme zum Bremsen von Verbrennungsmotoren.
HINTERGRUND
Ein Motorsteuermodul eines Verbrennungsmotors steuert das Gemisch von Kraftstoff und Luft, das an Brennräume in Zylindern des Motors geliefert wird. Nachdem das Luft/Kraftstoff-Gemisch gezündet ist, findet eine Verbrennung statt und später verlassen die Verbrennungsgase die Brennräume durch die Abgasventile. Die Verbrennungsgase werden durch einen Abgaskrümmer zu einem katalytischen Wandler oder anderen Komponenten eines Abgasnachbehandlungssystems gelenkt. Einige Motoren können optional eine Aufladevorrichtung aufweisen, wie einen Turbolader, der zwischen dem Abgaskrümmer und Abgasnachbehandlungskomponenten angeordnet ist.
Hersteller von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, sehen sich der herausfordernden Aufgabe einer Einhaltung gegenwärtiger und zukünftiger Emissionsstandards für die Freisetzung von Stickoxiden, insbesondere Stickstoffmonoxid, wie auch nicht verbrannten und teilweise oxidierten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Partikelmaterial gegenüber. Um die Emissionen von Verbrennungsmotoren zu reduzieren, wird ein Abgasnachbehandlungssystem verwendet, um regulierte Bestandteile von dem Abgas zu reduzieren.
Abgasnachbehandlungssysteme weisen typischerweise eine oder mehrere Nachbehandlungsvorrichtungen auf, wie Partikelfilter, katalytische Wandler, Mischelemente und Harnstoff/Kraftstoffeinspritzeinrichtungen. Eine Steuerung der Temperatur des Abgases kann das Leistungsvermögen von Komponenten in dem Abgassystem beeinflussen. Beispielsweise kann es sein, dass Vorrichtungen für katalytische Reduktion auf einen Betriebstemperaturbereich erwärmt werden müssen, um die gewünschte katalytische Reaktion auszuführen und somit gewählte Abgasbestandteile effektiv zu behandeln.
Zusätzlich kann eine Drehzahl eines Dieselmotors (Umdrehungen pro Minute oder U/min) durch die Menge an Kraftstoff gesteuert werden, die in die Zylinder zur Verbrennung eingespritzt wird. Somit werden Reduzierungen der Motordrehzahl typischerweise durch Reduzieren oder Abschalten einer Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder erreicht. Nach einem Reduzieren der Kraftstoffversorgung an die Zylinder strömt weiterhin Luft durch die Zylinder und in das Abgassystem, wobei die Luft eine Kühlung von Abgassystemkomponenten auf Temperaturen unterhalb ihrer Betriebstemperaturen bewirken kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern einer Drehzahl eines Verbrennungsmotors ein Abschalten einer Kraftstoffströmung in einen Zylinder hinein auf, um die Drehzahl des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Das Verfahren weist auch die Bereitstellung einer elektrischen Last für eine Lichtmaschine des Verbrennungsmotors auf, wobei die Drehzahl des Verbrennungsmotors weiter reduziert wird.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist ein Verbrennungsmotor ein Abgassystem, das derart konfiguriert ist, Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen, und eine Heizvorrichtung auf, die derart konfiguriert ist, einen Anteil des Abgassystems zu heizen. Der Motor weist auch ein Steuermodul auf, das eine elektrische Last selektiv steuert, die durch die Heizvorrichtung für eine Lichtmaschine des Verbrennungsmotors bereitgestellt wird, um eine Drehzahl des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen deutlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 ein schematisches Schaubild eines beispielhaften Motorsystems ist; und
2 ein Flussdiagramm beispielhafter Schritte ist, um eine Motordrehzahl zu steuern.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und ist nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass überall in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Der hier verwendete Begriff ”Controller” oder ”Steuermodul” betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist 1 ein schematisches Schaubild eines beispielhaften Motorsystems, wie eines Dieselmotorsystems 10. Das Dieselmotorsystem 10 ist lediglich beispielhafter Natur und das Motorsteuersystem, das hier beschrieben ist, kann in verschiedenen Motorsystemen implementiert sein, die eine Heizvorrichtung und einen Partikelfilter implementieren. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird die Offenbarung im Kontext eines Dieselmotorsystems diskutiert.
Das beispielhafte Dieselmotorsystem 10 weist einen Motor 12 auf, der ein Luft- und Kraftstoffgemisch verbrennt, um Antriebsmoment über einen Rotationsabtrieb (nicht gezeigt) zu erzeugen. Luft tritt in das Dieselmotorsystem durch Strömen durch einen Luftfilter 14 und in einen Turbolader 18 ein. Der Turbolader 18 komprimiert die in das System 10 eintretende Frischluft. Je größer die Kompression der Luft allgemein ist, umso größer ist der Abtrieb der Maschine 12. Komprimierte Luft gelangt dann durch einen Luftkühler 20, bevor sie in einen Ansaugkrümmer 22 eintritt.
Luft wird in dem Ansaugkrümmer 22 an Zylinder 26 verteilt. Obwohl vier Zylinder 26 gezeigt sind, sei angemerkt, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung in Motoren mit einer Mehrzahl von Zylindern implementiert sein können, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12 Zylinder. Kraftstoff wird in die Zylinder 26 durch Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 eingespritzt. Wärme von der komprimierten Luft zündet das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches erzeugt Abgas 27. Das Abgas 27 verlässt die Zylinder 26 in das Abgassystem 29.
Das Abgassystem 29 weist einen Abgaskrümmer 30, einen Oxidationskatalysator (Dieseloxidationskatalysator oder DOC) 32 und eine Kombination aus Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion und Partikelfilter (SCR-PF) 34 auf. Optional führt ein AGR-Ventil (nicht gezeigt) einen Anteil des Abgases zurück in den Ansaugkrümmer 22. Das Abgas 27 wird in den Turbolader 18 gelenkt, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine unterstützt die Kompression der von dem Luftfilter 14 empfangenen Frischluft. Das Abgas 27 strömt von dem Turbolader 18 durch den DOC 32 und die SCR-PF 34. Der DOC 32 oxidiert Kohlenwasserstoffe (HC oder Kraftstoff) und Kohlenmonoxid (CO) in dem Abgas 27 auf Grundlage des Nachverbrennungs-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Die Oxidationsreaktion ist eine exotherme Reaktion, die die Temperatur des Abgases 27 erhöht. Die SCR-PF 34 empfängt Abgas von dem DOC 32 und filtert in dem Abgas vorhandene Partikel. Bei einer Ausführungsform sind die SCR-PF 34 separate SCR- und PF-Komponenten in separaten Kanistern. Bei einer anderen Ausführungsform sind die SCR und der PF separate Komponenten in demselben Kanister (SCR-PF 34), wobei sich der PF stromabwärts der SCR befindet. Bei Ausführungsformen kann das Abgassystem 29 nur den PF aufweisen und braucht nicht die SCR-Vorrichtung aufzuweisen.
Ein Steuermodul 44 steuert den Motor auf Grundlage verschiedener erfasster Information. Bei einer Ausführungsform steuert das Steuermodul 44 einen Regenerationsprozess für den PF. Genauer schätzt das Steuermodul 44 eine Beladung (Partikelansammlung) der SCR-PF 34, um zu bestimmen, wann eine Regeneration ausgelöst wird. Wenn die geschätzte Beladung ein Schwellenniveau (z. B. 5 Gramm/Liter Partikelmaterial) erreicht und der Abgasdurchfluss innerhalb eines gewünschten Bereiches liegt, wird ein den Heizvorrichtungen 48 und 49 bereitgestellter Strom zu der SCR-PF 34 über eine Energiequelle 46 gesteuert, die mit der SCR-PF 34 gekoppelt ist, um den Regenerationsprozess auszulösen. Die Dauer des Regenerationsprozesses variiert auf Grundlage der Menge an Partikelmaterial in der SCR-PF 34. Um einen Regenerationsprozess zu unterstützen, weist die beispielhafte SCR-PF 34 Heizvorrichtungen 48 und 49, wie elektrische Wicklungen oder andere geeignete elektrisch betriebene Heizmechanismen auf. Bei einer Ausführungsform kann das Abgassystem nur eine der Heizvorrichtungen 48 und 49 aufweisen, um Abgas und/oder Abgassystemkomponenten zu heizen. Bei einer Ausführungsform ist die Leistungsquelle 46 mit einer Mehrzahl von Abgassystemkomponenten gekoppelt, wie der SCR-PF 34, um eine Temperatur der Komponenten zu steuern und eine Reduzierung gewählter Bestandteile zu verbessern. Zusätzlich ist bei einer beispielhaften Ausführungsform eine geeignete Kohlenwasserstoffeinspritzeinrichtung (HCI) 54 stromaufwärts des DOC 32 vorgesehen und derart konfiguriert, Kohlenwasserstoffe in einer Oxidationsreaktion bereitzustellen, um die Abgastemperatur anzuheben. Nach einem Erwärmen des Motors wird der DOC 32 auf eine gewählte Temperatur durch die Oxidation in dem DOC 32 erhitzt, wobei die katalytische Reaktion Partikel im Vergleich dazu effektiver entfernt, wenn sich der DOC 32 bei einer geringeren Temperatur (z. B. nach dem Start) befindet. Bei einer Ausführungsform kann eine Heizvorrichtung 60 derart konfiguriert sein, den DOC 32 zu heizen und eine Betriebstemperatur für die Vorrichtung beizubehalten. Die Leistungsquelle 46 ist elektrisch mit einer Lichtmaschine 50 wie auch Heizvorrichtungen 48, 49 und 60 gekoppelt, wobei eine Erregung der Vorrichtungen eine elektrische Last für die Lichtmaschine 50 bereitstellt. Im Betrieb empfängt die Lichtmaschine 50 einen mechanischen Ausgang bzw. Abtrieb von einer Kurbelwelle 52 infolge der Verbrennung eines Luft/Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern 26. Bei einer Ausführungsform wird der mechanische Abtrieb von der Kurbelwelle 52 durch die Lichtmaschine 50 in elektrische Energie umgewandelt, um elektrische Leistung zum Betrieb verschiedener Vorrichtungen bereitzustellen, wie der Leistungsquelle 46.
Bei einer Ausführungsform steuert das Steuermodul 44 eine Menge an Strom, die von der Leistungsquelle 46 an Heizvorrichtungen 48, 49 und 60 geliefert wird, wobei die Heizvorrichtungen 48, 49 und 60 eine elektrische Last bereitstellen, wenn sie auf eine Schaltung mit der Lichtmaschine 50 aufgebracht wird. In einem Szenario, bei dem das Steuermodul 44 bestimmt, dass die Drehzahl des Motors 12 reduziert werden soll (d. h. weniger Umdrehungen pro Minute), wie beispielsweise, wenn ein Fahrzeug auf einer abschüssigen Straße oder bergab fährt, bewirkt das Steuermodul 44, dass die Leistungsquelle 46, die Heizvorrichtungen 48 und/oder 49 eine elektrische Last auf die Lichtmaschine 50 aufbringen. Die elektrische Last der Leistungsquelle 46, die die Heizvorrichtungen 48 und/oder 49 durch die Lichtmaschine 50 aufheizt, übt eine Last auf den Motor 12 über die Kurbelwelle 52 aus. Somit sieht das Steuermodul 44 eine Motorbremsung oder Drehzahlreduzierung durch Zusatz der parasitären elektrischen Last über die Lichtmaschine 50 vor, die durch Heizen der SCR-PF 34 unter Verwendung der Heizvorrichtungen 48 und/oder 49 bewirkt wird. Es sei angemerkt, dass die Heizvorrichtungen 48, 49 und 60 in ihren jeweiligen Komponenten integriert sein können, wie Spulen, die in die Kanister eingebettet sind, oder separate Module sein können, die dem Abgassystem 29 zugeordnet sind. Ferner können die Heizvorrichtungen 48, 49 und 60 derart konfiguriert sein, die Komponenten oder das in die Komponenten eintretende Abgas zu heizen, wobei der Heizprozess ein verbessertes Leistungsvermögen der Nachbehandlungskomponente bereitstellt. Beispielsweise sind die Heizvorrichtungen 48 und 49 derart konfiguriert, den SCR- und/oder PF-Abschnitt der SCR-PF 34 auf oder über eine Betriebstemperatur von etwa 250 Grad Celsius zu heizen. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Heizvorrichtungen 48 und 49 derart konfiguriert, den SCR- und/oder PF-Abschnitt der SCR-PF 34 auf etwa 300 Grad Celsius zu heizen. Bei einer Ausführungsform ist die Heizvorrichtung 60 derart konfiguriert, den DOC 32 auf eine Betriebstemperatur von etwa 200 bis etwa 400 Grad Celsius zu heizen.
Während einer beispielhaften Drehzahlreduzierung oder -verlangsamung kann die Kraftstoffströmung zu den Zylindern 26 gestoppt werden, während weiterhin Luft in und aus den Zylindern 26 strömt, wobei die Luft einen Anteil des Abgases umfasst, das von den Zylindern an Abgassystemkomponenten geliefert wird. Aufgrund der aus den Zylindern 26 strömenden Luft ist die Temperatur des Abgases während der Verlangsamung geringer als die Abgastemperatur während des Normalbetriebs (d. h. wenn Kraftstoff und Luft in den Zylindern 26 verbrannt werden). Bei Ausführungsformen reduzieren Abgassystemkomponenten, wie der DOC 32 und der SCR-PF 34, Schmutzstoffe von dem Abgas effektiver bei erhöhten Betriebstemperaturen, bei denen die Komponenten bei der Entfernung von Bestandteilen von dem Abgas effektiv sind. Bei einer Ausführungsform heizen die Heizvorrichtungen 48, 49 und 60 Abgassystemkomponenten, die durch nicht verbranntes Abgas während der Verlangsamung gekühlt werden. Bei einer Ausführungsform kann die gezeigte Anordnung zum Heizen von Abgas 27 eine Entfernung von Abgasbestandteilen in Fällen verbessern, bei denen nach der Verlangsamung ein Normalbetrieb (d. h. Luft/Kraftstoff-Verbrennung) wieder aufgenommen wird. Demgemäß steuern das beispielhafte System und Verfahren die Temperatur einer oder mehrerer Komponenten, wie des DOC 32 und der SCR-PF 34, während der Verlangsamung, um den Systembetrieb nach der Verlangsamung zu verbessern.
2 ist ein Flussdiagramm 200 beispielhafter Schritte, um eine Motordrehzahl zu steuern, wie den Motor 10, der in 1 gezeigt ist. Bei Block 202 wird die Verlangsamung der Motordrehzahl ausgelöst. Bei Block 204 wird eine Kraftstoffströmung zu dem Motor 10 reduziert oder abgeschaltet, wodurch eine Luft/Kraftstoff-Verbrennung in dem Motor verlangsamt oder gestoppt wird. Bei einem Beispiel fährt das Fahrzeug in eine abschüssige Straße oder ein Gefälle, wo der Bediener die Motordrehzahl (U/min) verlangsamt, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu steuern. Bei Block 206 werden eine oder mehrere Heizvorrichtungen in dem Abgassystem geheizt (oder ”aktiviert”), um eine elektrische Last für die Lichtmaschine bereitzustellen, wodurch eine Last auf den Motor aufgebracht wird, um die Motordrehzahl weiter zu reduzieren. Bei Block 208 wird die Motorverlangsamung gestoppt und der ”normale” Motorbetrieb (mit einer Verbrennung von Kraftstoff-Luft in Zylindern) wird wieder aufgenommen, wobei die Heizvorrichtung(en) die Temperatur einer oder mehrerer Abgassystemkomponenten während der Verlangsamung beibehalten haben, um sicherzustellen, dass die Komponenten nach der Verlangsamung effektiv arbeiten und in den normalen Motorbetrieb zurückkehren.
Der Betrag an Energie- oder Leistungs-”Widerstand” oder -”Abzug”, der dem Motor durch die elektrische Last von den Heizvorrichtungen 48 und/oder 49, die den SCR-PF 34 und/oder das Abgas heizen, bereitgestellt wird, kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden Q = m·C_p·ΔT (1) wobei die folgenden Werte Abgas an dem gewählten Ort entsprechen: Q = Energie, die zum Heizen des Abgases erforderlich ist (d. h. Last), m = Massendurchfluss von Abgas, C_p = spezifische Wärmekapazität des Abgases und ΔT = Temperaturanstieg des Abgases. Bei einem Beispiel werden etwa 2,5 Kilowatt als eine Last an einen 8-Zylinder-Dieselmotor durch das beispielhafte Verfahren und System zur Steuerung der Drehzahl durch elektrische Last bereitgestellt.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente derselben ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang davon abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen, die offenbart sind, beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der Anmeldung fallen.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Drehzahl eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren umfasst: Abschalten einer Kraftstoffströmung in einen Zylinder hinein, um die Drehzahl des Verbrennungsmotors zu reduzieren; und Bereitstellen einer elektrischen Last für eine Lichtmaschine des Verbrennungsmotors, wobei die Drehzahl des Verbrennungsmotors weiter reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen der elektrischen Last ein Erregen einer Heizvorrichtung, die mit der Lichtmaschine gekoppelt ist, umfasst, um einen Anteil eines Abgassystems zu heizen, das derart konfiguriert ist, Abgas von dem Zylinder aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 2, mit einem Lenken einer Luftströmung in den Zylinder hinein, wobei die Luftströmung zumindest einen Anteil des von dem Abgassystem aufgenommenen Abgases bildet, wobei der Anteil des Abgassystems, der von der Heizvorrichtung erhitzt wird, eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion umfasst, die von dem Abgas gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Heizvorrichtung eine Betriebstemperatur von zumindest einer Abgassystemkomponente beibehält, während die Drehzahl des Verbrennungsmotors reduziert wird, wobei die zumindest eine Abgassystemkomponente eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion oder einen Oxidationskatalysator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bereitstellen der elektrischen Last für die Lichtmaschine eine Rotation einer mit der Lichtmaschine gekoppelten Kurbelwelle verlangsamt und eine parasitäre Last auf den Verbrennungsmotor während eines Bremsbetriebes erhöht.
Verbrennungsmotor, umfassend: ein Abgassystem, das derart konfiguriert ist, Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen; eine Heizvorrichtung, die derart konfiguriert ist, einen Anteil des Abgassystems zu heizen; und ein Steuermodul, das eine elektrische Last, die durch die Heizvorrichtung für eine Lichtmaschine des Verbrennungsmotors bereitgestellt wird, selektiv steuert, um eine Drehzahl des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei der Zylinder derart konfiguriert ist, eine Luftströmung aufzunehmen, die zumindest einen Anteil des von dem Abgassystem empfangenen Abgases bildet.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei der Anteil des durch die Heizvorrichtung erhitzten Abgassystems zumindest eine Komponente umfasst, die von dem Abgas gekühlt wird, wobei die zumindest eine Komponente die Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion umfasst.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei die Heizvorrichtung eine Betriebstemperatur von zumindest einer Abgassystemkomponente beibehält, während die Drehzahl des Verbrennungsmotors reduziert wird, wobei die zumindest eine Abgassystemkomponente eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion oder einen Oxidationskatalysator umfasst.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei die der Lichtmaschine bereitgestellte elektrische Last eine Rotation einer Kurbelwelle, die mit der Lichtmaschine gekoppelt ist, verlangsamt und eine parasitäre Last auf den Verbrennungsmotor während eines Bremsbetriebes erhöht.