DE102013216514A1

DE102013216514A1 - Verfahren und system zur verbesserung des starts eines turboaufgeladenen motors

Info

Publication number: DE102013216514A1
Application number: DE102013216514.5A
Authority: DE
Inventors: Kevin Durand Byrd; Keith Michael Plagens; William Charles Ruona
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2014-06-12
Also published as: RU2647177C2; RU2013140085A; CN103670674A; US9714618B2; CN103670674B; US20140067227A1

Abstract

Es werden ein System und ein Verfahren zur Verbesserung von Motoremissionen beschrieben. In einem Beispiel können Motoremissionen durch Erhöhen des Drehwiderstands eines Turboladers, während eine Temperatur einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung unter einer Schwelltemperatur liegt, verbessert werden. Das System und das Verfahren können eine Zeitdauer, die die Nachbehandlungsvorrichtung benötigt, um eine Betriebstemperatur zu erreichen, verkürzen.

Description

Ein turboaufgeladener Motor bietet Leistungsvorzüge eines größeren selbstansaugenden Motors. Kaltstartemissionen eines turboaufgeladenen Motors können jedoch höher als erwünscht sein, da eine Turbine in dem Turbolader Wärmeenergie von Motorabgasen abziehen kann, bevor die Abgase eine Nachbehandlungsvorrichtung erreichen. Folglich erreicht weniger Abgasenergie die Abgasnachbehandlungsvorrichtung, und die Zeitdauer, bis die Abgasnachbehandlungsvorrichtung Betriebstemperatur erreicht, nimmt zu. Eine Art und Weise der Erhöhung der Abgasenergie, die die Nachbehandlungsvorrichtung erreicht, besteht darin, den Motorzündzeitpunkt nach spät zu verstellen und den Motorluftmassendurchsatz zu erhöhen. Nichtsdestotrotz erreicht die Nachbehandlungsvorrichtung die Betriebstemperatur möglicherweise nicht früh genug, um strengen Fahrzeugemissionshöhen zu genügen. Vergrößern des Zündverzugs und des Motorluftmassendurchsatzes erhöht des Weiteren den Kraftstoffverbrauch und ist deshalb möglicherweise unerwünscht.
Die vorliegenden Erfinder haben die oben genannten Einschränkungen erkannt und haben ein Motorsystem entwickelt, das Folgendes umfasst: einen Motor; einen mit dem Motor gekoppelten Turbolader, wobei der Turbolader eine Vorrichtung zum Erhöhen und Verringern des Drehwiderstands des Turboladers enthält; und eine Steuerung, die nichttransiente Anweisungen zur Einstellung des Drehwiderstands des Turboladers über die Vorrichtung als Reaktion darauf, dass eine Temperatur einer Nachbehandlungsvorrichtung unter einer Schwelltemperatur liegt, enthält.
Durch Erhöhen des Drehwiderstands einer Turboladerturbine kann es möglich sein, eine Zeitdauer, die eine Nachbehandlungsvorrichtung benötigt, um eine Betriebstemperatur zu erreichen, zu reduzieren. Insbesondere kann durch Erhöhen des Drehwiderstands einer Turboladerturbine die Turboladerdrehung begrenzt werden, so dass Motorabgase auf eine kleinere Oberfläche im Turbolader einwirken. Deshalb kann der Turbolader möglicherweise mit weniger Abgasenergie beaufschlagt werden, so dass ein stromabwärtig des Turboladers positionierter Katalysator mit mehr Abgasenergie beaufschlagt werden kann. Die dem Katalysator zugeführte zusätzliche Abgasenergie kann Motoremissionen reduzieren. Auf diese Weise können Motoremissionen reduziert werden, ohne dass der Zündzeitpunkt weiter nach spät verstellt werden muss und die Motordurchströmung erhöht wird.
Die vorliegende Beschreibung kann mehrere Vorteile bieten. Zum Beispiel kann der Ansatz Motoremissionen während eines Motorkaltstarts reduzieren. Des Weiteren kann der Ansatz Kraftstoffverbrauch durch Reduzieren der Katalysatoranspringzeit reduzieren, so dass eine Zeitdauer, während der der Motor weniger effizient betrieben wird, reduziert werden kann. Darüber hinaus kann der Ansatz einen Motorbetrieb mit größerer Verbrennungsstabilität während des Motorstarts gestatten, um einen rauen Motorleerlauf zu reduzieren.
Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, alleine betrachtet oder in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, leicht hervor.
Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung dazu vorgesehen ist, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, dessen Schutzbereich einzig durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem anderen Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile lösen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motors;
2 bis 5 zeigen beispielhafte Vorrichtungen zur Erhöhung des Drehwiderstands eines Turboladers;
6 zeigt eine simulierte Motorkaltstartsequenz; und
7 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Betrieb eines Motors.
Die vorliegende Beschreibung betrifft das Starten eines turboaufgeladenen Motors. In einem Beispiel kann der turboaufgeladene Motor auf eine Weise gestartet werden, die zusätzliche Abgasenergie zu einer Emissionsvorrichtung überträgt. Der Ansatz kann Kraftstoff einsparen und die Motorverbrennungsstabilität unter Kaltleerlaufbedingungen verbessern. In 1 wird ein beispielhaftes System gezeigt. Der Motor und das Auslasssystem können dahingehend betrieben werden, die Sequenz von 6 über das in 7 gezeigte Verfahren bereitzustellen. Das Verfahren umfasst Erhöhen des Drehwiderstands einer Turboladerturbine bei Motorstart, so dass weniger Abgasenergie zum Turbolader übertragen wird. Figuren 2–5 zeigen beispielhafte Vorrichtungen zur Erhöhung des Turbinendrehwiderstands.
Auf 1 Bezug nehmend, wird ein mehrere Zylinder, von denen ein Zylinder in 1 gezeigt wird, umfassender Verbrennungsmotor 10 durch eine elektronische Motorsteuerung 12 gesteuert. Der Motor 10 enthält eine Brennkammer 30 und Zylinderwände 32 mit einem darin positionierten Kolben 36, der mit einer Kurbelwelle 40 verbunden ist. Die Brennkammer 30 steht in der Darstellung über ein Einlassventil 52 bzw. ein Auslassventil 54 mit einem Einlasskrümmer 44 und einem Auslasskrümmer 48 in Verbindung. Jedes Einlass- und Auslassventil kann durch einen Einlassnocken 51 und einen Auslassnocken 53 betätigt werden. Die Position des Einlassnockens 51 kann durch einen Einlassnockensensor 55 bestimmt werden. Die Position des Auslassnockens 53 kann durch einen Auslassnockensensor 57 bestimmt werden.
In der Darstellung ist das Kraftstoffeinspritzventil 66 so positioniert, dass es den Kraftstoff direkt in den Zylinder 30 einspritzt, was dem Fachmann als Direkteinspritzung bekannt ist. Als Alternative dazu kann Kraftstoff zu einem Einlasskanal eingespritzt werden, was dem Fachmann als Einlasskanaleinspritzung bekannt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 66 liefert flüssigen Kraftstoff proportional zu einer Impulsbreite, die von der Steuerung 12 bereitgestellt wird. Kraftstoff wird von einem (nicht gezeigten) Kraftstoffsystem, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine (nicht gezeigte) Kraftstoff-Verteilerleitung enthält, an das Kraftstoffeinspritzventil 66 geliefert.
Dem Einlasskrümmer 44 wird durch den Kompressor 162 Luft zugeführt. Abgase drehen die Turbine 164, die mit der Welle 161 gekoppelt ist, wodurch der Kompressor 162 angetrieben wird. In einigen Beispielen ist ein Bypass-Kanal 77 enthalten, so dass Abgase die Turbine 164 unter gewählten Betriebsbedingungen umgehen können. Strom durch den Bypass-Kanal 77 wird durch das Wastegate 75 geregelt. Weiterhin kann in einigen Beispielen ein Kompressor-Bypass-Kanal 86 vorgesehen sein, um durch den Kompressor 162 bereitgestellten Druck zu begrenzen. Strom durch den Bypass-Kanal 86 wird über das Ventil 85 geregelt. In diesem Beispiel ist der Rotor 170 mit der Welle 161 gekoppelt, um Drehwiderstand der Welle 161, der Turbine 164 und des Kompressors 162 zu erhöhen. Ein Turbolader-Bremssattel 171 stellt dem Rotor 170 gezielt Bremskraft bereit. Darüber hinaus steht der Einlasskrümmer 44 in der Darstellung mit der zentralen Drosselklappe 62 in Verbindung, die eine Stellung einer Drosselklappenplatte 64 einstellt, um Luftstrom von dem Motorlufteinlass 42 zu steuern. Die zentrale Drosselklappe 62 kann elektrisch betrieben sein.
Eine verteilerlose Zündanlage 88 liefert einen Zündfunken zur Brennkammer 30, um als Reaktion auf die Steuerung 12 über die Zündkerze 92 ein Luftkraftstoffgemisch zu zünden. In anderen Beispielen kann der Motor ein Kompressionszündungsmotor ohne Zündanlage, wie zum Beispiel ein Dieselmotor, sein. In der Darstellung ist eine Universal-Lambdasonde 126 (UEGO-Sonde, UEGO – Universal Exhaust Gas Oxygen, Universal-Abgas-Sauerstoffgehalt) stromaufwärts eines Katalysators 70 mit dem Auslasskrümmer 48 gekoppelt. Als Alternative dazu kann anstelle der UEGO-Sonde 126 eine Zweizustands-Lambdasonde eingesetzt werden.
Der Katalysator 70 kann in einem Beispiel mehrere Katalysator-Bricks enthalten. In einem anderen Beispiel können mehrere Abgasreinigungsvorrichtungen, jede mit mehreren Bricks, verwendet werden. Der Katalysator 70 kann in einem Beispiel ein Dreiwege-Katalysator sein.
In der Darstellung von 1 ist die Steuerung 12 ein herkömmlicher Mikrocomputer, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangs-Ports (I/O) 104, einen Nurlesespeicher (ROM) 106, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 108, einen Erhaltungsspeicher (KAM) 110 und einen herkömmlichen Datenbus enthält. Die Steuerung 12 erhält in der Darstellung neben den zuvor besprochenen Signalen verschiedene Signale von mit dem Motor 10 gekoppelten Sensoren, darunter die Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von dem mit der Kühlhülse 114 gekoppelten Temperatursensor 112; einen mit einem Fahrpedal 130 gekoppelten Positionssensor 134 zur Erfassung der durch den Fuß 132 eingestellten Position des Fahrpedals; eine Messung eines Motoreinlasskrümmerabsolutdrucks (MAP) von dem mit dem Einlasskrümmer 44 gekoppelten Drucksensor 122; einen Motorpositionssensor von einem Hall-Effekt-Sensor 118, der die Stellung der Kurbelwelle 40 erfasst; eine Messung von in den Motor eintretender Luftmasse von dem Sensor 120 (zum Beispiel einem Heißdraht-Luftmengenmesser); und eine Messung der Drosselklappenstellung vom Sensor 58. Es kann auch Barometerdruck zur Verarbeitung durch die Steuerung 12 erfasst werden (Sensor nicht gezeigt). Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Beschreibung erzeugt der Motorpositionssensor 118 bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine vorbestimmte Anzahl gleichmäßig beabstandeter Impulse, aus denen die Motordrehzahl (RPM) bestimmt werden kann.
In einigen Beispielen kann der Motor mit einem Elektromotor-/Batteriesystem in einem Hybridfahrzeug gekoppelt sein. Das Hybridfahrzeug kann eine Parallelkonfiguration, eine Reihenkonfiguration oder Variationen oder Kombinationen davon aufweisen. Des Weiteren können bei einigen Ausführungsformen andere Motorkonfigurationen eingesetzt werden, zum Beispiel ein Dieselmotor.
Im Betrieb erfährt jeder Zylinder im Motor 10 in der Regel einen Viertaktprozess:
der Prozess umfasst den Ansaughub, den Verdichtungshub, den Arbeitshub und den Auslasshub. Während des Ansaughubs schließt sich im Allgemeinen das Auslassventil 54 und das Einlassventil 52 öffnet sich. Über den Einlasskrümmer 44 wird Luft in die Brennkammer 30 eingeleitet, und der Kolben 36 bewegt sich zum Boden des Zylinders, um das Volumen in der Brennkammer 30 zu vergrößern. Die Position, in der sich der Kolben 36 nahe dem Boden des Zylinders und am Ende seines Hubs befindet (zum Beispiel, wenn die Brennkammer 30 ihr größtes Volumen aufweist), wird in der Regel von dem Fachmann als unterer Totpunkt (uT) bezeichnet. Während des Verdichtungshubs sind das Einlassventil 52 und das Auslassventil 54 geschlossen. Der Kolben 36 bewegt sich zum Zylinderkopf, um die Luft in der Brennkammer 30 zu komprimieren. Der Punkt, an dem sich der Kolben 36 an seinem Hubende und dem Zylinderkopf am nächsten befindet (zum Beispiel, wenn die Brennkammer 30 ihr kleinstes Volumen aufweist), wird vom Fachmann in der Regel als oberer Totpunkt (oT) bezeichnet. Bei einem im Folgenden als Einspritzung bezeichneten Vorgang wird Kraftstoff in die Brennkammer eingeleitet. Bei einem im Folgenden als Zündung bezeichneten Vorgang wird der eingespritzte Kraftstoff durch ein bekanntes Zündmittel, wie zum Beispiel eine Zündkerze 92, gezündet, was zur Verbrennung führt. Während des Arbeitshubs drücken die expandierenden Gase den Kolben 36 zum uT zurück. Die Kurbelwelle 40 wandelt Kolbenbewegung in ein Drehmoment der Drehwelle um. Schließlich öffnet sich das Auslassventil 54 während des Auslasshubs, um das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch zum Auslasskrümmer 48 abzugeben, und der Kolben kehrt zum oT zurück. Es sei darauf hingewiesen, dass Obiges nur als Beispiel beschrieben wird und dass die Zeitpunkte des Öffnens und/oder Schließens des Einlass- und Auslassventils variieren können, um eine positive oder negative Ventilüberlappung, spätes Schließen des Einlassventils oder verschiedene andere Beispiele zu liefern.
Nunmehr auf 2 Bezug nehmend, wird ein Querschnitt einer ersten Vorrichtung zur Erhöhung des Drehwiderstands eines Turboladers gezeigt. Die Turbine 164 ist in der Darstellung mit der Welle 161 mechanisch gekoppelt. Weiterhin ist der Kompressor 162 in der Darstellung mit der Welle 161 mechanisch gekoppelt. Des Weiteren ist der Rotor 170 in der Darstellung mit der Welle 161 mechanisch gekoppelt. Der Bremssattel 171 spreizt sich über den Rotor 170. Die Steuerung 12 legt den Sattel 171 an und gibt ihn frei. Die Welle 161 wird über Lager 210 gestützt.
Bei Motorbetrieb wirken Abgase auf die Turbine 164, um zu bewirken, dass sie sich dreht, wenn der Sattel nicht angelegt ist (zum Beispiel eine Klemmkraft bereitstellt wird) oder wenn an den Rotor 170 eine geringe Kraft angelegt ist. Der Drehwiderstand der Welle 161, der Turbine 164 und des Kompressors 162 können durch Anlegen einer Bremskraft an den Rotor 170 über den Sattel 171 erhöht werden. Der Sattel 171 kann elektrisch oder hydraulisch betätigt werden. Der Drehwiderstand der Welle 161, der Turbine 164 und des Kompressors 162 verringert sich, wenn eine über den Sattel 171 an den Rotor 170 angelegte Bremskraft abgebaut wird. In einem Beispiel kann der Drehwiderstand der Welle 161, der Turbine 164 und des Kompressors 162 erhöht werden, wenn eine Temperatur einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung unter einer Schwelltemperatur liegt.
Nunmehr auf 3 Bezug nehmend, wird ein Querschnitt einer alternativen Vorrichtung 300 zur Erhöhung des Drehwiderstands eines Turboladers gezeigt. Die Komponenten der Vorrichtung 300, die die gleichen Zahlen wie die Komponenten der in 2 gezeigten Vorrichtung aufweisen, entsprechen den in 2 gezeigten Komponenten, und die Komponenten funktionieren wie in der Beschreibung von 2 besprochen.
Die Vorrichtung 300 enthält eine erste Wicklung 320 und Permanentmagnete oder eine zweite Wicklung 322. die Steuerung 12 führt der Wicklung 320 gezielt Strom zu, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das den Drehwiderstand der Turbine 164, der Welle 161 und des Kompressors 162 erhöhen oder verringern kann. Das durch Versorgung der Spule 320 mit Strom erzeugte Magnetfeld wirkt mit einem durch Permanentmagnete oder Wicklungen 322 erzeugten Magnetfeld der Welle 161 zusammen. Wenn es sich bei der elektrischen Vorrichtung 322 um eine Wicklung handelt, kann der Wicklung Strom zugeführt werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das mit dem durch die Wicklung 320 erzeugten Feld zusammenwirkt. Die beiden Magnetfelder wirken zur Erhöhung des Drehwiderstands der Welle 161, der Turbine 164 und des Kompressors 162. Das Beenden oder Reduzieren des Stromflusses zur Wicklung 320 reduziert den Drehwiderstand der Welle 161.
Nunmehr auf 4 Bezug nehmend, wird ein Querschnitt einer alternativen Vorrichtung 400 zur Erhöhung des Drehwiderstands eines Turboladers gezeigt. Die Komponenten der Vorrichtung 400, die die gleichen Zahlen wie die Komponenten der in 2 gezeigten Vorrichtung aufweisen, entsprechen den in 2 gezeigten Komponenten, und die Komponenten funktionieren wie in der Beschreibung von 2 besprochen.
Vorrichtung 400 enthält einen elektrischen Aktuator (zum Beispiel ein Solenoid) oder einen hydraulischen Aktuator (zum Beispiel einen Kolben) 430, der den Stift 431 gezielt in das auf der Welle 161 befindliche Loch 432 ausfährt oder daraus zurückzieht. Als Reaktion auf einen Motorstartwunsch, wenn eine Temperatur einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung unter einer Schwelltemperatur liegt, wird zum Beispiel der Stift 431 zur Welle 161 ausgefahren. Wenn der Stift 431 auf das Loch 432 ausgerichtet ist, fährt der Stift 431 in die Welle 161 aus, um Drehung der Welle 161, der Turbine 164 und des Kompressors 162 zu begrenzen. Wenn der Stift 431 anfangs nicht auf das Loch 432 ausgerichtet ist, wird die Welle 161 durch auf die Turbine 164 wirkende Abgase gedreht, bis der Stift 431 auf das Loch 432 ausgerichtet ist und sich dort hinein bewegt. Somit stellt die Vorrichtung 400 eine alternative Art und Weise der Erhöhung des Drehwiderstands gegenüber der Bewegung der Welle 161 bereit.
Nunmehr auf 5 Bezug nehmend, wird ein Querschnitt einer alternativen Vorrichtung 500 zur Erhöhung des Drehwiderstands eines Turboladers gezeigt. Die Komponenten der Vorrichtung 500, die die gleichen Zahlen wie die Komponenten der in 2 gezeigten Vorrichtung aufweisen, entsprechen den in 2 gezeigten Komponenten, und die Komponenten funktionieren wie in der Beschreibung von 2 besprochen.
Die Vorrichtung 500 enthält eine Hydraulikstromregelvorrichtung (zum Beispiel ein Ventil) 540 und eine Hydraulikpumpe 542. Die Hydraulikpumpe ist in der Welle 161 integriert und kann Flügel 543 enthalten. Der Drehwiderstand der Welle 161 wird durch Einstellung des Hydraulikfluidstroms zur Hydraulikpumpe 542 über die Hydraulikstromregelvorrichtung 540 eingestellt. In einem Beispiel wird der Drehwiderstand der Hydraulikpumpe 542 als Reaktion darauf erhöht, dass eine Temperatur des Motors oder eine Temperatur einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung unter einer Schwelltemperatur liegt.
Somit stellt das in den 1–5 beschriebene System ein Motorsystem bereit, das Folgendes umfasst: einen Motor; einen mit dem Motor gekoppelten Turbolader, wobei der Turbolader eine Vorrichtung zum Erhöhen und Verringern des Drehwiderstands des Turboladers enthält; und eine Steuerung, die nichttransiente Anweisungen zur Einstellung des Drehwiderstands des Turboladers über die Vorrichtung als Reaktion auf eine Temperatur einer Nachbehandlungsvorrichtung enthält. Durch Einstellung des Turboladerdrehwiderstands als Reaktion auf eine Temperatur einer Nachbehandlungsvorrichtung kann es möglich sein, Motoremissionen zu verbessern und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
Das System der 1–5 stellt weiterhin ein Motorsystem bereit, bei dem die Vorrichtung eine hydraulisch betätigte Vorrichtung ist und bei dem der Drehwiderstand des Turboladers als Reaktion darauf, dass die Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtung unter einer Schwelltemperatur liegt, eingestellt wird. Das Motorsystem umfasst, dass die Vorrichtung eine elektrisch betätigte Vorrichtung ist. Das Motorsystem umfasst, dass die Vorrichtung eine Bremse ist. Das Motorsystem umfasst, dass die Bremse einen Rotor enthält, der mit einer Turboladerwelle in mechanischer Verbindung steht. Des Weiteren umfasst das Motorsystem, dass die Vorrichtung eine elektrische Maschine ist. Weiterhin umfasst das Motorsystem, dass die elektrische Maschine eine Lichtmaschine ist.
In einem anderen Beispiel stellt das System der 1–5 ein Motorsystem bereit, das Folgendes umfasst: einen Motor; einen mit dem Motor gekoppelten Turbolader, wobei der Turbolader eine Vorrichtung zum Erhöhen und Verringern des Drehwiderstands des Turboladers enthält; und eine Steuerung, die nichttransiente Anweisungen zur Einstellung des Drehwiderstands des Turboladers über die Vorrichtung als Reaktion auf eine Temperatur einer Nachbehandlungsvorrichtung enthält, wobei die Steuerung weiterhin nichttransiente Anweisungen zur Einstellung des Turboladerdrehwiderstands als Reaktion auf ein Motoranforderungsdrehmoment enthält. Auf diese Weise kann der Drehwiderstand des Turboladers zur Erhöhung der einer Nachbehandlungsvorrichtung zugeführten Abgasenergie oder zur Verbesserung der abgegebenen Motorleistung eingestellt werden.
Des Weiteren umfasst das Motorsystem der 1–5, dass die Vorrichtung mit einer Turboladerwelle in mechanischer Verbindung steht. Weiterhin umfasst das Motorsystem ein Turbolader-Wastegate und zusätzliche nichttransiente Anweisungen zum Öffnen des Wastegate als Reaktion darauf, dass der Motorluftstrom unter einer Sollhöhe liegt. In einigen Beispielen umfasst das Motorsystem weiterhin zusätzliche nichttransiente Anweisungen zur Einstellung des Turboladerdrehwiderstands als Reaktion auf Barometerdruck. Das Motorsystem umfasst, dass die Vorrichtung eine Scheibenbremse ist. Das Motorsystem umfasst, dass die Vorrichtung eine Hydraulikpumpe ist. Weiterhin umfasst das Motorsystem zusätzliche Anweisungen zur Erhöhung des Drehwiderstands des Turboladers nach einer vorbestimmten Anzahl von Verbrennungsereignissen seit Motorstopp.
Nunmehr auf 6 Bezug nehmend, wird eine simulierte Motorkaltstartsequenz gezeigt. Die Sequenz von 6 kann durch das das Verfahren von 7 ausführende in 1 gezeigte System bereitgestellt werden. Die vertikalen Markierungen T₀–T₃ stellen bestimmte Zeitpunkte dar, die in der Sequenz von Interesse sind.
Das erste Diagramm von oben in 6 stellt die Motordrehzahl als Funktion der Zeit dar. Die Y-Achse stellt die Motordrehzahl dar, und die Motordrehzahl nimmt in Richtung des Pfeils der Y-Achse zu. Die X-Achse stellt Zeit dar, und die Zeit nimmt von der linken Seite der Figur zur rechten Seite der Figur zu.
Das zweite Diagramm von oben in 6 stellt die Katalysatortemperatur als Funktion der Zeit dar. Die Y-Achse stellt die Katalysatortemperatur dar, und die Katalysatortemperatur nimmt in Richtung des Pfeils der Y-Achse zu. Die X-Achse stellt Zeit dar, und die Zeit nimmt von der linken Seite der Figur zur rechten Seite der Figur zu. Die horizontale Linie 602 stellt einen Nachbehandlungsvorrichtungstemperaturschwellwert dar. Der Drehwiderstand des Turboladers kann als Reaktion darauf, dass die Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtung unter der Schwelltemperatur liegt, erhöht werden. Der Drehwiderstand des Turboladers kann als Reaktion darauf, dass die Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtung über der Schwelltemperatur liegt, verringert werden. Linie 603 stellt die Katalysatortemperatur dar, wenn der Turboladerdrehwiderstand erhöht ist. Linie 604 stellt die Katalysatortemperatur unter einer ähnlichen Bedingung dar, wobei sich aber der Turboladerdrehwiderstand auf einer geringen Höhe befindet.
Das dritte Diagramm von oben in 6 stellt Motordrehmomentanforderung als Funktion der Zeit dar. Die Y-Achse stellt die Motordrehmomentanforderung dar, und die Motordrehmomentanforderung nimmt in Richtung des Pfeils der Y-Achse zu. Die X-Achse stellt Zeit dar, und die Zeit nimmt von der linken Seite der Figur zur rechten Seite der Figur zu.
Das vierte Diagramm von oben in 6 stellt einen Turboladerdrehwiderstand (zum Beispiel Widerstand gegenüber Bewegung) als Funktion der Zeit dar. Die Y-Achse stellt den Turboladerdrehwiderstand dar, und der Drehwiderstand nimmt in Richtung des Pfeils der Y-Achse zu. Die X-Achse stellt Zeit dar, und die Zeit nimmt von der linken Seite der Figur zur rechten Seite der Figur zu. Der Verlauf 608 zeigt den zunehmenden Drehwiderstand des Turboladers bei anderem Zeitverlauf.
Zum Zeitpunkt T₀ ist der Motor angehalten, die Katalysatortemperatur ist gering, die Drehmomentanforderung ist null, und der Turboladerdrehwiderstand befindet sich auf einer großen Höhe. Der Turboladerdrehwiderstand kann nach einem Motorstopp oder bei einem Motorstartwunsch erhöht werden.
Zwischen dem Zeitpunkt T₀ und dem Zeitpunkt T₁ wird der Motor gestartet, wie durch die Zunahme der Motordrehzahl gezeigt. Die Katalysatortemperatur beginnt auch anzusteigen, und die Motordrehmomentanforderung ist gering. Da der Drehwiderstand des Turboladers erhöht ist, und die Turbinendrehung begrenzt ist, sind Abgase mit weniger Turbinenschaufeln in Kontakt, als wenn der Drehwiderstand des Turboladers gering ist. Indem die Abgase auf weniger Turbinenschaufeln einwirken, kann es möglich sein, mehr Energie in Abgasen, die eine stromabwärtige Nachbehandlungsvorrichtung erreichen, zu halten.
Der Verlauf 608 zeigt den zunehmenden Turboladerdrehwiderstand nach Start des Motors. In einigen Beispielen wird der Turbinendrehwiderstand nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder Anzahl von Verbrennungsereignissen seit Motorstopp erhöht, so dass Abgasgegendruck nicht so schnell erhöht wird, dass er die Verbrennungsstabilität beeinträchtigen könnte. Somit kann der Turbine in einigen Beispielen gestattet werden, sich zum Beispiel für eine kurze Zeitdauer nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl durch den Motor zu drehen.
Zum Zeitpunkt T₁ erhöht sich die Motordrehmomentanforderung zu einem Zeitpunkt, zu dem die Katalysatortemperatur unter der Schwelltemperatur 602 liegt. In einigen Beispielen kann es wünschenswert sein, das angeforderte Motordrehmoment bereitzustellen, obgleich die Katalysatortemperatur nicht über der Solltemperatur liegt, so dass ein Fahrzeug, mit dem der Motor gekoppelt ist, auf gewünschte Weise beschleunigt. Der Turboladerdrehwiderstand wird als Reaktion auf die Zunahme der Motordrehmomentanforderung reduziert. In einigen Beispielen wird der Turboladerdrehwiderstand erst dann reduziert, wenn die Motordrehmomentanforderung eine Schwellmotordrehmomentanforderung übersteigt. Die Motordrehzahl nimmt zu, wenn die Motordrehmomentabgabe zunimmt, und die Katalysatortemperatur steigt weiter an.
Zum Zeitpunkt T₂ verringert sich die Motordrehmomentanforderung. Des Weiteren erhöht sich der Turboladerdrehwiderstand als Reaktion auf die Verringerung der Motordrehmomentanforderung. Durch Erhöhen des Turboladerdrehwiderstands wird wieder die Anzahl der Turbinenschaufeln begrenzt, auf die Abgase einwirken, so dass mehr Abgasenergie zum Katalysator übertragen werden kann.
Zwischen dem Zeitpunkt T₂ und dem Zeitpunkt T₃ steigt die Katalysatortemperatur weiter an, und die Motordrehmomentansteuerung nimmt nach einer Zeitdauer, während der sie sich auf einer geringen Höhe befand, auch zu. Der Turboladerdrehwiderstand wird allmählich verringert. In einigen Beispielen kann der Turboladerdrehwiderstand jedoch auf einem konstant hohen Wert bleiben, bis der Katalysator die Schwelltemperatur erreicht oder bis die Motordrehmomentanforderung eine Schwellmotordrehmomentanforderung übersteigt.
Zum Zeitpunkt T₃ wird der Turboladerdrehwiderstand als Reaktion darauf, dass die Katalysatortemperatur eine Schwelltemperatur erreicht, auf eine geringe Höhe reduziert. Die Motordrehmomentanforderung und -drehzahl nehmen als Reaktion auf eine Bedieneranforderung zu.
Auf diese Weise kann die Leistung eines Katalysators oder einer Nachbehandlungsvorrichtung nach einem Motorkaltstart verbessert werden. Wie gezeigt kann des Weiteren die Motorleistung durch gezieltes Verringern des Turboladerdrehwiderstands aufrechterhalten werden.
Nunmehr auf 7 Bezug nehmend, wird ein Verfahren zur Verbesserung des Startens eines turboaufgeladenen Motors gezeigt. Das Verfahren von 7 kann in dem in 1 gezeigten System durch Ausführung von in einem nichtflüchtigen Speicher der Steuerung 12 gespeicherten Anweisungen durchgeführt werden.
Bei 702 bestimmt das Verfahren 700 die Betriebsbedingungen. Die Betriebsbedingungen können Motordrehzahl, Motorlast, Katalysatortemperatur, Motortemperatur, Motordrehmomentanforderung und Turboladerdrehwiderstand umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Nach Bestimmung der Betriebsbedingungen geht das Verfahren 700 zu 703 über.
Bei 703 beurteilt das Verfahren 700, ob eine bestimmte Dauer seit Motorstart abgelaufen ist oder nicht. In einigen Beispielen ist die bestimmte Dauer eine Zeitdauer, seitdem sich der Motor in einem angehaltenen Zustand befand. In anderen Beispielen ist die bestimmte Dauer eine Anzahl von Verbrennungsereignissen seit dem Motorstopp. In anderen Beispielen ist die bestimmte Dauer sofort zu einem Zeitpunkt eines Motorstartwunsches. Wenn das Verfahren 700 urteilt, dass die bestimmte Dauer nach Motorstart erfüllt worden ist, ist die Antwort ja, und das Verfahren 700 geht zu 704 über. Ansonsten ist die Antwort nein, das Verfahren 700 geht zu 720 über.
Bei 704 beurteilt das Verfahren 700, ob eine Temperatur des Motors und/oder einer Nachbehandlungsvorrichtung (zum Beispiel eines Katalysators oder Partikelfilters) größer als eine Schwelltemperatur ist oder nicht. In einem Beispiel wird die Temperatur eines Katalysators mit einer Katalysatoranspringtemperatur (zum Beispiel einer Temperatur, bei der ein Katalysator einen gewissen Schwellwirkungsgrad hat) verglichen. Wenn das Verfahren 700 urteilt, dass die Temperatur des Motors und/oder der Nachbehandlungsvorrichtung über einer Schwelltemperatur liegt, ist die Antwort ja, und das Verfahren 700 geht zu 720 über. Ansonsten ist die Antwort nein, und das Verfahren 700 geht zu 706 über.
Bei 720 reduziert das Verfahren 700 den Turboladerdrehwiderstand auf eine geringe Höhe, so dass der Turboladerdrehwiderstand erhöht werden kann. Der Turboladerdrehwiderstand kann durch Lösen einer Bremse, Reduzieren des einer Schaltung zugeführten Stroms oder Einstellen eines hydraulischen Aktuators verringert werden. Der Drehwiderstand der in den 2–5 gezeigten Vorrichtungen kann auf eine geringere Höhe eingestellt werden, wie zuvor beschrieben. Das Verfahren 700 geht nach Verringerung des Drehwiderstands auf eine geringere Höhe zum Ende.
Bei 706 beurteilt das Verfahren 700, ob die Motordrehmomentanforderung größer ist als eine Schwelldrehmomentanforderung oder nicht. Ist dies der Fall, dann geht das Verfahren 700 zu 718 über, ansonsten geht das Verfahren 700 zu 708 über.
Bei 718 stellt das Verfahren 700 den Drehwiderstand als Reaktion auf die Motordrehmomentanforderung ein. In einem Beispiel wird der Turboladerdrehwiderstand proportional zu einer zunehmenden Motordrehmomentanforderung reduziert. Zum Beispiel kann als Reaktion auf einen zunehmenden Motordrehmomentwunsch ein an einen mit einer Turboladerwelle gekoppelten Rotor festklemmenden Sattel angelegtes Drehmoment verringert werden. In anderen Beispielen kann der Turboladerdrehwiderstand als Reaktion darauf, dass ein Sollmotordrehmoment größer ist als ein Schwellmotordrehmoment, eingestellt werden. Das Verfahren 700 geht nach Einstellung des Turboladerdrehwiderstands zu 708 über.
Bei 708 stellt das Verfahren 700 den Turboladerdrehwiderstand gemäß dem Barometerdruck ein. In einem Beispiel wird der Drehwiderstand des Turboladers mit abnehmendem Barometerdruck verringert, so dass der Turboladerkompressor dem Motor nach Motorstart eine gewisse Druckluft zuführen kann, wenn der Motor auf größeren Höhenlagen gestattet wird. Die Einstellung des Turboladerdrehwiderstands kann empirisch bestimmt und im Speicher gespeichert werden. Nach Einstellung des Turboladerdrehwiderstands gemäß dem Barometerdruck geht das Verfahren 700 zu 710 über.
Bei 710 stellt das Verfahren 700 den Turboladerdrehwiderstand als Reaktion auf die Motor- und/oder Nachbehandlungsvorrichtungstemperatur ein. In einem Beispiel kann der Turboladerdrehwiderstand mit zunehmender Motor- und/oder Nachbehandlungsvorrichtungstemperatur verringert werden. Das Ausmaß der Verringerung des Drehwiderstands kann empirisch bestimmt und, indexiert über Motor- und/oder Nachbehandlungsvorrichtungstemperatur, im Speicher gespeichert werden. Des Weiteren kann der anfängliche Turboladerdrehwiderstand beim Start gemäß der Motor- und/oder Nachbehandlungsvorrichtungstemperatur eingestellt werden. Zum Beispiel wird mit abnehmender Motor- und/oder Nachbehandlungsvorrichtungstemperatur der Drehwiderstand des Turboladers erhöht. In einem Beispiel wird der Drehwiderstand erhöht, so dass die Turboladerturbinendrehzahl im Wesentlichen null (zum Beispiel weniger als 2 RPM) ist. In einem anderen Beispiel wird der Drehwiderstand erhöht, so dass die Turbinendrehzahl unter einer Schwellturbinendrehzahl, zum Beispiel 100 RPM, liegt. Nach Einstellung des Turboladerdrehwiderstands geht das Verfahren 700 zu 712 über.
Bei 712 beurteilt das Verfahren 700, ob der Motorluftstrom unter einem Sollmotorluftstrom liegt oder ob der Abgasgegendruck größer als ein Sollgegendruck beim aktuellen Drehwiderstand des Turboladers ist oder nicht. Wenn der Motorluftstrom geringer als gewünscht ist oder wenn der Abgasgegendruck größer als gewünscht ist, ist die Antwort ja, und das Verfahren 700 geht zu 714 über. Ansonsten ist die Antwort nein, und das Verfahren 700 kehrt zu 704 zurück.
Bei 714 öffnet das Verfahren 700 das Turbolader-Wastegate zum Vergrößern des Abgasstroms, wodurch der Motorluftstrom vergrößert und der Abgasgegendruck verringert wird. Das Wastegate kann über Unterdruck oder elektrisch betätigt werden. In einem Beispiel wird das Öffnungsausmaß des Wastegate proportional zu der Sollabgasgegendruckverringerung oder proportional zu der Sollerhöhung des Motorluftstroms vergrößert. Nach Öffnen des Wastegate geht das Verfahren 700 zu 716 über.
Bei 716 vergrößert das Verfahren 700 den Motorluftstrom durch Öffnen eines Kompressor-Bypass-Ventils. Da durch Vergrößern des Turboladerdrehwiderstands die Kompressordrehung begrenzt wird, kann dem Motor durch Umgehen des Kompressors zusätzliche Luft zugeführt werden. Das Kompressor-Bypass-Ventil kann vollständig oder teilweise geöffnet werden, um Motorluftstrom zu vergrößern. Nach dem Öffnen des Kompressor-Bypasses geht das Verfahren 700 zu 704 zurück.
Auf diese Weise kann der Turboladerdrehwiderstand über einen sich aus Lagerwiderstand und Turboladerträgheit ergebenden Nenndrehwiderstand erhöht werden. Der erhöhte Drehwiderstand kann die Aktivierungszeit der Nachbehandlungsvorrichtung reduzieren und deshalb den Kraftstoffverbrauch reduzieren.
Somit stellt das Verfahren von 7 ein Motorsteuerverfahren bereit, das Folgendes umfasst: Einstellen eines Drehwiderstands eines Turboladers als Reaktion auf eine Temperatur einer Motorabgasnachbehandlungsvorrichtung, so dass eine Turbinendrehzahl des Turboladers im Wesentlichen null ist, während ein Motor dem Turbolader Abgas zuführt. Auf diese Weise kann zusätzliche Abgasenergie zu einer Nachbehandlungsvorrichtung übertragen werden, so dass der Motor bei Erwärmung der Nachbehandlungsvorrichtung effizienter arbeiten kann. Weiterhin umfasst das Motorsteuerverfahren Einstellen des Drehwiderstands des Turboladers als Reaktion auf Barometerdruck.
In einem anderen Beispiel umfasst das Motorsteuerverfahren weiterhin Einstellen des Drehwiderstands des Turboladers als Reaktion auf eine Motordrehmomentanforderung. Weiterhin umfasst das Motorsteuerverfahren Öffnen eines Wastegate als Reaktion auf eine Motorluftstromhöhe, während der Drehwiderstand größer ist als ein Schwellwert. Das Motorsteuerverfahren umfasst, dass das Erhöhen des Drehwiderstands des Turboladers Erhöhen des Drehwiderstands einer Turboladerwelle umfasst. Das Motorsteuerverfahren umfasst, dass der Drehwiderstand als Reaktion darauf, dass die Temperatur der Motorabgasnachbehandlungsvorrichtung unter einer Schwelltemperatur liegt, erhöht wird.
Wie für einen Durchschnittsfachmann offensichtlich ist, kann das in 7 beschriebene Verfahren eine oder mehrere einer Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie zum Beispiel ereignisgesteuert, interrupt-gesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Somit können verschiedene dargestellte Schritte oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge oder parallel durchgeführt werden oder in einigen Fällen weggelassen werden. Ebenso muss die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwangsweise die hier beschriebenen Aufgaben, Merkmale und Vorteile erreichen, sondern ist zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Obgleich dies nicht explizit dargestellt wird, liegt für einen Durchschnittsfachmann auf der Hand, dass eine(r) oder mehrere der dargestellten Schritte oder Funktionen in Abhängigkeit von der verwendeten bestimmten Strategie wiederholt durchgeführt werden kann/können.
Dies schließt die Beschreibung ab. Ihre Lektüre durch den Fachmann würde viele Änderungen und Modifikationen ohne Verlassen des Gedankens und Schutzbereichs der Beschreibung erkennen lassen. Zum Beispiel könnten Einzylinder-, I2-, I3-, I4-, I5-, V6-, V8-, V10-, V12- und V16-Motoren, die mit Erdgas, Benzin, Diesel oder mit alternativen Kraftstoffkonfigurationen betrieben werden, die vorliegende Beschreibung vorteilhaft nutzen.

Claims

Motorsystem, das Folgendes umfasst: einen Motor; einen mit dem Motor gekoppelten Turbolader, wobei der Turbolader eine Vorrichtung zum Erhöhen und Verringern des Drehwiderstands des Turboladers enthält; und eine Steuerung, die nichttransiente Anweisungen zur Einstellung des Drehwiderstands des Turboladers über die Vorrichtung als Reaktion auf eine Temperatur einer Nachbehandlungsvorrichtung enthält.
Motorsystem nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine hydraulisch betätigte Vorrichtung ist und wobei der Drehwiderstand des Turboladers als Reaktion darauf, dass die Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtung unter einer Schwelltemperatur liegt, eingestellt wird.
Motorsystem nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine elektrisch betätigte Vorrichtung ist.
Motorsystem nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Bremse ist.
Motorsystem nach Anspruch 4, wobei die Bremse einen Rotor enthält, der mit einer Turboladerwelle in mechanischer Verbindung steht.
Motorsystem nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine elektrische Maschine ist.
Motorsystem nach Anspruch 6, wobei die elektrische Maschine eine Lichtmaschine ist.
Motorsystem, das Folgendes umfasst: einen Motor; einen mit dem Motor gekoppelten Turbolader, wobei der Turbolader eine Vorrichtung zum Erhöhen und Verringern des Drehwiderstands des Turboladers enthält; und eine Steuerung, die nichttransiente Anweisungen zur Einstellung des Drehwiderstands des Turboladers über die Vorrichtung als Reaktion auf eine Temperatur einer Nachbehandlungsvorrichtung enthält, wobei die Steuerung weiterhin nichttransiente Anweisungen zur Einstellung des Turboladerdrehwiderstands als Reaktion auf ein Motoranforderungsdrehmoment enthält.
Motorsystem nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung mit einer Turboladerwelle in mechanischer Verbindung steht.
Motorsystem nach Anspruch 8, das weiterhin ein Turbolader-Wastegate und zusätzliche nichttransiente Anweisungen zum Öffnen des Wastegate als Reaktion darauf, dass der Motorluftstrom unter einer Sollhöhe liegt, umfasst.
Motorsystem nach Anspruch 8, das weiterhin zusätzliche nichttransiente Anweisungen zur Einstellung des Turboladerdrehwiderstands als Reaktion auf Barometerdruck umfasst.
Motorsystem nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung eine Scheibenbremse ist.
Motorsystem nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung eine Hydraulikpumpe ist.
Motorsystem nach Anspruch 9, das weiterhin zusätzliche Anweisungen zur Erhöhung des Drehwiderstands des Turboladers nach einer vorbestimmten Anzahl von Verbrennungsereignissen seit Motorstopp umfasst.
Motorsteuerverfahren, das Folgendes umfasst: Einstellen eines Drehwiderstands eines Turboladers, so dass eine Turbinendrehzahl des Turboladers im Wesentlichen null ist, als Reaktion auf eine Temperatur einer Motorabgasnachbehandlungsvorrichtung, während ein Motor dem Turbolader Abgas zuführt.
Motorsteuerverfahren nach Anspruch 15, das weiterhin Einstellen des Drehwiderstands des Turboladers als Reaktion auf Barometerdruck umfasst.
Motorsteuerverfahren nach Anspruch 16, das weiterhin Einstellen des Drehwiderstands des Turboladers als Reaktion auf eine Motordrehmomentanforderung umfasst.
Motorsteuerverfahren nach Anspruch 15, das weiterhin Öffnen eines Wastegate als Reaktion auf eine Motorluftstromhöhe, während der Drehwiderstand größer ist als ein Schwellwert, umfasst.
Motorsteuerverfahren nach Anspruch 15, wobei Erhöhen des Drehwiderstands des Turboladers Erhöhen des Drehwiderstands einer Turboladerwelle umfasst.
Motorsteuerverfahren nach Anspruch 15, wobei der Drehwiderstand als Reaktion darauf, dass die Temperatur der Motorabgasnachbehandlungsvorrichtung unter einer Schwelltemperatur liegt, erhöht wird.