DE102015011180B4

DE102015011180B4 - Abgassteuerungsvorrichtung für einen Motor, Verfahren zum Steuern eines Motors und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102015011180B4
Application number: DE102015011180.9A
Authority: DE
Inventors: Kenjiro Konomi; Nobuo Yunoki; Kotaro Takahashi
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: DE102015011180A1; CN105464792A; CN105464792B; JP2016065506A; US20160090928A1; JP6098835B2; US9879595B2

Abstract

Abgassteuerungs- bzw. regelvorrichtung für einen Motor, umfassend:einen Turbolader (5) mit einer Turbine (5b), einem Verdichter (5a) und verstellbaren Schaufeln (5c), und zum Drehen der Turbine (5b) durch Abgas zum Antreiben des Verdichters (5a), um Druck von Ansaugluft zu verstärken, wobei die Turbine (5b) in einem Auslasskanal (41) des Motors (E) angeordnet ist, der Verdichter (5a) in einem Einlasskanal (1) des Motors (E) angeordnet ist, die verstellbaren Schaufeln (5c) so konfiguriert sind, dass sie einen Turboladedruck einstellen;eine Abgasrückführungs(AGR)-Hochdruckvorrichtung (43) zum Zurückführen des Abgases, innerhalb eines ersten Motorbetriebsbereichs (R1), in dem eine Motorlast und eine Motordrehzahl niedrig sind, von einer Position des Auslasskanals (41) stromaufwärts der Turbine (5b) des Turboladers (5) zu einer Position des Einlasskanals (1) stromabwärts des Verdichters (5a) des Turboladers (5);eine AGR-Niederdruckvorrichtung (48) zum Zurückführen des Abgases, innerhalb eines zweiten Motorbetriebsbereichs (R2), in dem die Motorlast und die Motordrehzahl höher als in dem ersten Motorbetriebsbereich (R1) sind, von einer Position des Auslasskanals (41) stromabwärts der Turbine (5b) des Turboladers (5) zu einer Position des Einlasskanals (1) stromaufwärts des Verdichters (5a) des Turboladers (5); undeine Schaufelsteuerung bzw. -regelung (60) zum Steuern oder Regeln der Schaufelöffnungen, welche Öffnungen der Schaufeln (5c) des Turboladers (5) sind,wobei die Schaufelsteuerung (60) die Schaufelöffnungen auf eine vorgegebene Öffnung feststellt, während die AGR-Hochdruckvorrichtung (43) das Abgas zurückführt, und die Schaufelsteuerung (60) die Schaufelöffnungen entsprechend einem Motorbetriebszustand steuert oder regelt, während die AGR-Niederdruckvorrichtung (48) das Abgas zurückführt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgassteuerungs- bzw. -regelvorrichtung für einen Motor, insbesondere eine Abgassteuerungs- bzw. -regelvorrichtung für einen Motor, welcher einen Turbolader und eine AGR-Vorrichtung hat. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Motors sowie ein Computerprogrammprodukt.
Zum Verbessern des Emissionsverhaltens von Motoren sind herkömmlicherweise Abgasrückführungs(AGR)-Vorrichtungen zum Zurückführen eines Teils des Abgases in einem Auslasskanal zu einem Einlasskanal bekannt. Um eine solche Verbesserung zu erreichen, sind auch Strukturen bekannt, die zwei AGR-Vorrichtungen verwenden, welche eine AGR-Hochdruckvorrichtung und eine AGR-Niederdruckvorrichtung enthalten. Die AGR-Hochdruckvorrichtung führt Abgas von einer Position eines Auslasskanals stromaufwärts einer Turbine eines Turboladers zu einer Position eines Einlasskanals stromabwärts eines Verdichters des Turboladers zurück, und die AGR-Niederdruckvorrichtung führt das Abgas von einer Position des Auslasskanals stromabwärts der Turbine des Turboladers zu einer Position des Einlasskanals stromaufwärts des Verdichters des Turboladers zurück. Die JP2007-303380A beispielsweise offenbart eine derartige Struktur.
Allgemein wird bei Verwendung zweier derartiger AGR-Vorrichtungen die AGR-Hochdruckvorrichtung innerhalb eines Motorbetriebsbereichs betrieben, in dem Motorlast und -drehzahl niedrig sind, und die AGR-Niederdruckvorrichtung wird innerhalb eines Motorbetriebsbereichs betrieben, in dem Motorlast und -drehzahl höher als in dem Bereich sind, in dem die AGR-Hochdruckvorrichtung betrieben wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der Motorbetriebsbereich, in dem die AGR-Hochdruckvorrichtung betrieben wird, in geeigneter Weise als der „AGR-Hochdruckbereich“ bezeichnet wird, während der Motorbetriebsbereich, in dem die AGR-Niederdruckvorrichtung betrieben wird, in geeigneter Weise als der „AGR-Niederdruckbereich“ bezeichnet wird.
Als Turbolader sind herkömmlicherweise Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG-Turbolader) bekannt, die mit mehreren verstellbaren Blättern (d.h. verstellbaren Schaufeln oder Leitschaufeln) um ihre Turbine herum ausgestattet sind. Die JPH09-280119A offenbart ein System, welches einen derartigen Turbolader und eine AGR-Vorrichtung verwendet. Das System legt mechanisch Schaufelöffnungen auf eine vorgegebene Öffnung fest, wenn das Abgas durch die AGR-Vorrichtung zurückgeführt wird.
Im Übrigen werden innerhalb des AGR-Hochdruckbereichs die Schaufelöffnungen des Turboladers vorzugsweise so gesteuert bzw. geregelt, dass höchste Priorität der Steuerbarkeit der Abgasrückführung zukommt, die durch die AGR-Hochdruckvorrichtung ausgeführt wird, um die Zündfähigkeit und das Emissionsverhalten des Motors zu verbessern. Speziell innerhalb des AGR-Hochdruckbereichs ist es nicht vorteilhaft, einen Abgasdruck durch den Betrieb des Turboladers zu verändern.
Innerhalb des AGR-Niederdruckbereichs werden dagegen die Schaufelöffnungen des Turboladers vorzugsweise so gesteuert, dass der Turbolader dazu veranlasst wird, zu einem gewissen Grad zu arbeiten, während die Steuerbarkeit der Abgasrückführung, die durch die AGR-Niederdruckvorrichtung ausgeführt wird, sichergestellt wird. Da die Wegstrecke für das durch die AGR-Niederdruckvorrichtung zurückzuführende Abgase lang ist, werden die Schaufelöffnungen vorzugsweise unter Berücksichtigung der Tatsache gesteuert, dass das Ansprechvermögen der Abgasrückführung durch die AGR-Niederdruckvorrichtung niedrig ist.
Somit werden die Schaufelöffnungen des Turboladers vorzugsweise individuell entsprechend dem AGR-Hochdruckbereich und dem AGR-Niederdruckbereich gesteuert. Eine derartige Steuerung der Schaufelöffnungen gemäß den einzelnen AGR-Bereichen ist weder in der JP2007-303380A noch in der JPH09-280119A offenbart.
US 2004 / 0 050 375 A1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem AGR System, wobei Anteile von Hochdruck- und Niederdruck-AGR abhängig von Last und Drehzahl verändert werden.
WO 2007 / 107 865 A2 beschreibt Abgasregelungssystem für Verbrennungsmotoren, wobei lastabhängig zwischen Hoch - und Niederdruck-AGR gewechselt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Situationen gemacht und zielt darauf ab, eine Abgassteuervorrichtung für einen Motor bereitzustellen, welche die Schaufelöffnungen eines Turboladers entsprechend einem AGR-Hochdruckbereich und einem AGR-Niederdruckbereich individuell steuert bzw. regelt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Abgassteuer- bzw. regelvorrichtung für einen Motor bereitgestellt. Die Abgassteuervorrichtung für den Motor enthält einen Turbolader, eine AGR-Hochdruckvorrichtung, eine AGR-Niederdruckvorrichtung und eine Schaufelsteuerung. Der Turbolader enthält eine Turbine einen Verdichter und verstellbare Schaufeln und dreht die Turbine durch Abgas, um den Verdichter so anzutreiben, dass er Ansaugluft verstärkt, wobei die Turbine in einem Auslasskanal des Motors angeordnet ist, der Verdichter in einem Einlasskanal des Motors angeordnet ist, die verstellbaren Schaufeln dafür konfiguriert sind, einen Turboladedruck einzustellen. Die AGR-Hochdruckvorrichtung führt innerhalb eines ersten Motorbetriebsbereichs, in dem eine Motorlast und eine Motordrehzahl niedrig sind, das Abgas von einer Position des Auslasskanals stromaufwärts der Turbine des Turboladers zu einer Position des Einlasskanals stromabwärts des Verdichters des Turboladers zurück. Die AGR-Niederdruckvorrichtung führt innerhalb eines zweiten Motorbetriebsbereichs, in dem die Motorlast und die Motordrehzahl höher als in dem ersten Motorbetriebsbereich sind, das Abgas von einer Position des Auslasskanals stromabwärts der Turbine des Turboladers zu einer Position des Einlasskanals stromaufwärts des Verdichters des Turboladers zurück. Die Schaufelsteuerung bzw. -regelung steuert oder regelt Schaufelöffnungen, welche Öffnungen der Schaufeln des Turboladers sind. Die Schaufelsteuerung stellt die Schaufelöffnungen auf einer vorgegebenen Öffnung fest, während die AGR-Hochdruckvorrichtung das Abgas zurückführt, und die Schaufelsteuerung stellt die Schaufelöffnung auf eine Öffnung entsprechend einem Motorbetriebszustand ein, während die AGR-Niederdruckvorrichtung das Abgas zurückführt.
Mit der obigen Konfiguration wird, da die Schaufelöffnungen (VTG-Öffnungen) auf die vorgegebene Öffnung festgelegt sind, während die AGR-Hochdruckvorrichtung betrieben wird, ein Abluftdruck so gesteuert, dass er nicht schwankt, sodass die Steuerbarkeit der Abgasrückführung durch die AGR-Hochdruckvorrichtung effektiv sichergestellt werden kann und die Zündfähigkeit und das Emissionsverhalten des Motors verbessert werden können. Ferner werden mit der obigen Konfiguration, während die AGR-Niederdruckvorrichtung betrieben wird, die Schaufelöffnungen entsprechend dem Motorbetriebszustand gesteuert (insbesondere Vorwärtsregelung, d.h. offene Regelung), und der Abgasdruck wird durch die schrittweise Änderung der Schaufelöffnungen geregelt. Somit erfolgt eine Änderung der Last des Turboladers schrittweise, und die Steuerbarkeit der Abgasrückführung durch die AGR-Niederdruckvorrichtung kann geeignet sichergestellt werden. Folglich kann eine Sauerstoffkonzentration, welche notwendig ist, um eine erforderliche Kraftstoffeinspritzmenge zu erhalten, geeignet erreicht werden, und die Einschränkung, die auf die Kraftstoffeinspritzmenge angewendet wird, um den im Motor erzeugten Rauch zu verringern, kann gelockert werden, und auch der Kraftstoffverbrauch und das Emissionsverhalten können zudem verbessert werden.
Wenn ein Zustand, in dem das Abgas durch die AGR-Niederdruckvorrichtung zurückgeführt wird, in einen Zustand umgeschaltet wird, in dem das Abgas weder durch die AGR-Hochdruckvorrichtung noch durch die AGR-Niederdruckvorrichtung zurückgeführt wird, steuert die Schaufelsteuerung die Schaufelöffnungen vorzugsweise entsprechend dem Motorbetriebszustand (insbesondere Vorwärtsregelung), und steuert dann die Schaufelöffnungen gemäß dem Motorbetriebszustand derart, dass ein tatsächlicher Turboladedruck einen Soll-Turboladedruck erreicht (insbesondere Rückkoppelungsregelung).
Wenn der Zustand, in dem die AGR-Niederdruckvorrichtung betrieben wird in den Zustand umgeschaltet wird, in dem weder die AGR-Niederdruckvorrichtung noch die AGR-Hochdruckvorrichtung betrieben wird, wird bei der obigen Konfiguration eine Steuerung, bei der die Schaufelöffnungen dynamisch entsprechend dem Soll-Turboladedruck gesteuert werden (Turboladedruck-Rückkoppelungsregelung) nicht sofort durchgeführt, und die Schaufelöffnungen werden entsprechend dem Motorbetriebszustand gesteuert (Vorwärtssteuerung). Somit können eine lineare Beschleunigung und eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden, während die Zuverlässigkeit des Turboladers sichergestellt wird.
Während einer Zeitspanne nachdem das Zurückführen des Abgases durch die AGR-Niederdruckvorrichtung angehalten worden ist, bis ein Unterschied zwischen dem tatsächlichen Turboladedruck und dem Soll-Turboladedruck unter einen vorgegebenen Wert fällt, steuert die Schaufelsteuerung vorzugsweise weiterhin die Schaufelöffnungen entsprechend dem Motorbetriebszustand, und nachdem der Unterschied zwischen dem tatsächlichen Turboladedruck und dem Soll-Turboladedruck unter den vorgegebenen Wert gefallen ist, steuert die Schaufelsteuerung die Schaufelöffnungen vorzugsweise derart, dass der Turboladedruck den Soll-Turboladedruck erreicht.
Da die Steuerung oder Regelung der Schaufelöffnungen entsprechend dem Motorbetriebszustand (Vorwärtssteuerung) fortgeführt wird, können während der Zeitspanne, nachdem der Betrieb der AGR-Niederdruckvorrichtung angehalten worden ist, bis der Unterschied zwischen dem tatsächlichen Turboladedruck und dem Soll-Turboladedruck unter den vorgegebenen Wert fällt, die lineare Beschleunigung und die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs effektiv erreicht werden, während die Zuverlässigkeit des Turboladers sichergestellt wird.
Wenn die AGR-Niederdruckvorrichtung das Abgas zurückführt, steuert oder regelt die Schaufelsteuerung die Schaufelöffnungen vorzugsweise, wobei sie eine Änderungsrate der Schaufelöffnungen unter einen vorgegebenen Wert einschränkt.
Da die Änderungsrate der Schaufelöffnungen eingeschränkt ist, werden bei der obigen Konfiguration beim Steuern der Schaufelöffnungen entsprechend dem Motorbetriebszustand während des Betriebs der AGR-Niederdruckvorrichtung die Schaufelöffnungen schrittweise geändert, und die Steuerbarkeit der Abgasrückführung durch die AGR-Niederdruckvorrichtung kann effektiv sichergestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern eines Motors angegeben, welches die folgenden Schritte umfasst:

Turboladen bzw. Aufladen des Motors durch einen Turbolader;
Einstellen eines Turboladedrucks mittels verstellbarer Schaufeln des Turboladers;
Rückführen des Abgases mittels einer Abgasrückführungs-(AGR) Hochdruckvorrichtung, wenn ein Betriebszustand des Motors innerhalb eines ersten Motorbetriebsbereichs liegt, in dem eine Motorlast und eine Motordrehzahl niedrig sind;
Rückführen des Abgases mittels einer AGR-Niederdruckvorrichtung, wenn ein Betriebszustand des Motors innerhalb eines zweiten Motorbetriebsbereichs liegt, in dem die Motorlast und die Motordrehzahl höher als in dem ersten Motorbetriebsbereich sind;
Feststellen der Schaufelöffnungen auf eine vorgegebene Öffnung, während die AGR-Hochdruckvorrichtung das Abgas zurückführt; und
Steuern oder Regeln der Schaufelöffnungen entsprechend einem Motorbetriebszustand, während die AGR-Niederdruckvorrichtung das Abgas zurückführt.

Vorzugsweise werden die Schaufelöffnungen durch eine Vorwärtssteuerung gesteuert bzw. geregelt, wenn die AGR-Niederdruckvorrichtung das Abgas zurückführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt mit computerlesbaren Befehlen bereitgestellt, welche in der Lage sind, die Schritte eines der oben genannten Verfahren auszuführen, wenn sie auf einem geeigneten System geladen sind und ausgeführt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Konfigurationsansicht, welche ein Motorsystem darstellt, bei dem eine Abgassteuervorrichtung für einen Motor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Turbinenkammer eines Turboladers der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Diagramm zum Beschreiben eines AGR-Hochdruckbereichs, eines AGR-Niederdruckbereichs und eines Kein-AGR-Bereichs der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Flussdiagramm, welches eine Basisteuerung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
5 ist ein Flussdiagramm, welches einen VTG-Öffnungssteuerungs-Ablauf der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Abgassteuerungsvorrichtung für einen Motor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben.
< Systemkonfiguration >
Zunächst wird ein Motorsystem, bei dem eine Abgassteuervorrichtung für einen Motor nach dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, welche eine schematische Konfigurationsansicht ist, die ein Motorsystem 200 darstellt, bei dem eine Abgassteuervorrichtung für einen Motor nach dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
Wie in 1 dargestellt, enthält das Motorsystem 200 hauptsächlich einen Motor E, bei dem es sich um einen Dieselmotor handelt, ein Einlasssystem IN zum Zuführen von Einlassluft in den Motor E, ein Kraftstoffzufuhrsystem FS zum Zuführen von Kraftstoff zu dem Motor, ein Abgassystem EX zum Abgeben von Abgas des Motors E, Sensoren 99 bis 122 zum Erfassen verschiedener den Motor 200 betreffender Zustände und eine elektronische Steuereinheit (ECU, engl. electronic control unit) 60 zum Steuern des Motorsystems 200.
Zunächst hat das Einlasssystem IN einen Einlasskanal 1, durch den die Einlassluft strömt. Der Einlasskanal 1 ist von der stromaufwärtigen Seite aus mit einem Luftfilter 3 zum Reinigen der von außen zugeführten Luft, einem Verdichter 5a, der zu einem Turbolader 5 gehört und dazu dient, einen Einlassluftdruck durch Verdichten der durch ihn strömenden Einlassluft zu erhöhen, einem Einlasssperrventil 7 zum Einstellen einer Strömungsrate der durch ihn strömenden Einlassluft, einer elektrischen Wasserpumpe 9 zum Regeln einer Strömungsrate eines Kühlmittels, welches einem wassergekühlten Ladeluftkühler 8 zuzuführen ist, einem Kühlmittelkanal 10, der den Ladeluftkühler 8 mit der elektrischen Wasserpumpe 9 verbindet und zum Rückführen des Kühlmittels dazwischen dient, dem wassergekühlten Ladeluftkühler 8 zum Kühlen der Einlassluft unter Verwendung des durch ihn strömenden Kühlmittels und einem Druckspeicher 12 zum vorübergehenden Speichern der dem Motor E zuzuführenden Einlassluft ausgestattet.
Ferner ist das Einlasssystem IN mit verschiedenen Sensoren 101 bis 103 und 105 bis 108 ausgestattet: Ein Luftströmungssensor 101 zum Erfassen einer Einlassluftmenge und ein Einlassluft-Temperatursensor 103 zum Erfassen einer Einlasslufttemperatur sind an einer Position des Einlasskanals 1 direkt stromabwärts des Luftfilters 3 angeordnet; ein Turbolader-Drehzahlsensor 103 zum Erfassen einer Drehzahl des Verdichters 5a ist an dem Verdichter 5a des Turboladers 5 angeordnet; ein Einlasssperrventil-Positionssensor 105 zum Erfassen einer Öffnung des Einlasssperrventils 7 ist an dem Einlasssperrventil 7 angeordnet; ein Einlassluft-Temperatursensor 106 zum Erfassen einer Einlasslufttemperatur und ein Einlassluft-Drucksensor 107 zum Erfassen eines Einlassluftdrucks sind an Positionen des Einlasskanals 1 direkt stromabwärts des Ladeluftkühlers 8 angeordnet; und ein Einlasskrümmer-Temperatursensor 108 zum Erfassen einer Einlasslufttemperatur innerhalb des Druckspeichers 12 ist an dem Druckspeicher 12 angeordnet. Die Sensoren 101 bis 103 und 105 bis 108, mit denen das Einlasssystem IN ausgestattet ist, geben den jeweils erfassten Parametern entsprechende Erfassungssignale S101 bis S103 und S105 bis S108 an die ECU 60 aus.
Weiter enthält der Motor E ein Einlassventil 15 zum Einlassen der von dem Einlasskanal 1 (insbesondere dem Einlasskrümmer) zugeführten Einlassluft in einen Brennraum 17, ein Kraftstoffeinspritzventil 20 zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum 17, eine Glühkerze 21, welche eine ergänzende Wärmequelle zum Sicherstellen der Zündfähigkeit z.B. beim Starten des Motors E darstellt, einen Kolben 23, der sich durch eine durch die Verbrennung von Gasgemisch innerhalb des Brennraums erzeugte Kraft hin und her bewegt, eine Kurbelwelle 25, die sich durch die von dem Kolben 23 erzeugte hin - und hergehende Bewegung dreht, und ein Auslassventil 27 zum Abgeben von durch die Verbrennung von Gasgemisch in dem Brennraum 17 erzeugtem Abgas an den Auslasskanal 41. Ferner ist der Motor E mit einem Generator 26 zum Erzeugen von Energie unter Verwendung der Ausgangsleistung des Motors E ausgestattet.
Außerdem ist der Motor E mit einem Kühlmitteltemperatursensor 109 zum Erfassen einer Temperatur des Kühlmittels zum Kühlen des Motors E, einem Kurbelwinkelsensor 110 zum Erfassen eines Kurbelwinkels der Kurbelwelle 25, einem Öldruck/-temperatursensor 111 zum Erfassen eines Öldrucks und/einer Öltemperatur und einem optischen Ölstandsensor 112 zum Erfassen eines Ölstands ausgestattet. Die Sensoren 109 bis 112, mit denen der Motor E ausgestattet ist, geben den jeweils erfassten Parametern entsprechende Erfassungssignale S109 bis S112 an die ECU 60 aus.
Das Kraftstoffzufuhrsystem FS enthält einen Kraftstofftank 30 zum Speichern des Kraftstoffs und einen Kraftstoffzufuhrkanal 38 zum Zuführen des Kraftstoffs von dem Kraftstofftank 30 zu dem Kraftstoffeinspritzventil 20. Der Kraftstoffzufuhrkanal 38 ist von der stromaufwärtigen Seite aus mit einer Niederdruckkraftstoffpumpe 31, einer Hochdruckkraftstoffpumpe 33 und einem Common Rail 35 ausgestattet. Außerdem ist die Niederdruckkraftstoffpumpe 31 mit einem Kraftstoffwärmer 32 ausgestattet, ist die Hochdruckkraftstoffpumpe 33 mit einem Kraftstoffdruckregler 34 ausgestattet und ist das Common Rail 35 mit einem Common Rail-Druckminderventil 36 ausgestattet.
Ferner ist in dem Kraftstoffzufuhrsystem FS ein Kraftstofftemperatursensor 114 zum Erfassen einer Kraftstofftemperatur an der Hochdruckkraftstoffpumpe 33 angeordnet, und ein Kraftstoffdrucksensor 115 zum Erfassen eines Kraftstoffdrucks ist an dem Common Rail 35 angeordnet. Die Sensoren 114 und 115, mit denen das Kraftstoffzufuhrsystem FS ausgestattet ist, geben den jeweils erfassten Parametern entsprechende Erfassungssignale S114 und S115 an die ECU 60 aus.
Das Abgassystem EX schließlich enthält den Auslasskanal 41, durch den das Abgas strömt. Der Auslasskanal 41 ist von der stromaufwärtigen Seite aus mit einer Turbine 5b, die zum dem Turbolader 5 gehört und dazu dient, den Verdichter 5a wie oben beschrieben anzutreiben, indem sie sich mit der Kraft des durch sie strömenden Abgases dreht, einem Dieseloxidationskatalysator (DOC, engl. diesel oxidation catalyst) 45 und einem Dieselpartikelfilter (DPF) 46 mit einer Reinigungsfunktion für das Abgas sowie einem Auslasssperrventil 49 zum Einstellen einer Strömungsrate des durch es hindurch strömenden Abgases ausgestattet. Der DOC 45 ist ein Katalysator zum Oxidieren von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) unter Verwendung von Sauerstoff in dem Abgas, um sie in Wasser und Kohlendioxid umzuwandeln. Der DPF 46 ist ein Filter zum Einfangen von Schwebstoffteilchen (PM, engl. particulate matter) in dem Abgas.
Ferner sind in dem Abgassystem EX ein Abgasdrucksensor 116 zum Erfassen eines Abgasdrucks und ein Abgastemperatursensor 117 zum Erfassen einer Abgastemperatur an Positionen des Auslasskanals 41 stromaufwärts der Turbine 5b des Turboladers 5 angeordnet, Abgastemperatursensoren 118 und 119 zum Erfassen einer Abgastemperatur sind direkt stromaufwärts des DOC 45 bzw. zwischen dem DOC 45 und dem DPF 46 angeordnet, ein DPF-Druckdifferenzsensor 120 zum Erfassen einer Differenz des Abgasdrucks zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des DPF 46 ist an dem DPF 46 angeordnet, ein linearer O₂-Sensor 121 zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration und ein Abgastemperatursensor 122 zum Erfassen einer Abgastemperatur sind an Positionen des Auslasskanals 41 direkt stromabwärts des DPF 46 angeordnet. Die Sensoren 116 bis 122, mit denen das Abgassystem EX ausgestattet ist, geben den jeweils erfassten Parametern entsprechende Erfassungssignale S116 bis S122 an die ECU 60 aus.
Außerdem ist bei dieser Ausführungsform der Turbolader 5 so konfiguriert, dass er eine kleine Größe hat, sodass er auch dann das Turboladen effizient durchführt, wenn die Abgasenergie gering ist und sich der Turbolader 5 mit niedriger Drehzahl dreht, und der Turbolader 5 ist mit einer Vielzahl von verstellbaren Schaufeln 5c ausgestattet, welche die Turbine 5b in Umfangsrichtung umgeben. Der Turbolader 5 ist als Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) konfiguriert, bei dem die Querschnittsfläche eines Strömungswegs des zu der Turbine 5b strömenden Abgases (Düsenquerschnittsfläche) durch die Schaufeln 5c veränderbar ist. Beispielsweise werden die Schaufeln 5c durch einen Betätiger über ein elektromagnetisches Ventil gedreht, welches durch Einwirken auf eine Membran einen Unterdruck einstellt. Außerdem ist ein VTG-Öffnungssensor 104 zum Erfassen von Öffnungen der Schaufeln 5c (d.h. Schaufelöffnungen; nachfolgend passend insgesamt als die „VTG-Öffnung“ bezeichnet) ausgehend von einer Position des Betätigers bereitgestellt. Der VTG-Öffnungssensor 104 gibt ein der erfassten VTG-Öffnung entsprechendes Signal an die ECU 60 aus.
Die Schaufeln 5c des Turboladers 5 dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind hier unter Bezugnahme auf 2 ausführlich beschrieben, welche eine vergrößerte Querschnittsansicht einer schematischen Konfiguration einer Turbinenkammer 157a des Turboladers 5 ist.
Wie in 2 dargestellt, ist die in einem Turbinengehäuse 153 ausgebildete Turbinenkammer 157a mit der Vielzahl von verstellbaren Schaufeln 5c ausgestattet, welche die Turbine 5b umgeben, die in einem im Wesentlichen mittleren Abschnitt der Turbinenkammer 157a angeordnet ist. Jede Schaufel 5c ist durch eine Spindel 5d drehbar gehalten, welche eine Seitenwand der Turbinenkammer 157a durchdringt. Die Schaufel 5c dreht sich im Uhrzeigersinn in 2 um die Spindel 5d. Zwischen den Schaufeln 5c sind jeweils Düsen 155 ausgebildet. Wenn jede Schaufel 5c sich näher zu einer ihr benachbarten Schaufel neigt, wird eine Öffnung jeder Düse 155 (Düsenquerschnittsfläche) reduziert, und hohe Turboladeeffizienz kann erzeugt werden, selbst wenn die Abgasströmungsrate niedrig ist. Wenn dagegen jede Schaufel 5c in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird, sodass sie sich von einer ihr benachbarten Schaufel weiter weg neigt, wird die Düsenquerschnittsfläche größer, und somit wird ein Luftströmungswiderstand reduziert und die Turboladeeffizienz kann verbessert werden, selbst wenn die Abgasströmungsrate hoch ist.
Ferner ist ein Ringelement 157 über einen Gestängemechanismus 158 an eine Stange 163 des Betätigers gekoppelt, und wenn der Betätiger aktiviert wird, wird jede Schaufel 5c über das Ringelement 157 gedreht. Insbesondere enthält der Gestängemechanismus 158 einen Koppelstift 158a, der in seinem einen Endteil drehbar mit dem Ringelement 157 gekoppelt ist, ein Koppelplattenelement 158b, das in seinem einen Endteil drehbar mit dem anderen Endteil des Koppelstifts 158a gekoppelt ist, ein Säulenelement 158c, das an seinem einen Endteil mit dem anderen Endteil des Koppelplattenelements 158b gekoppelt ist und eine Außenwand des Turbinengehäuses 153 durchdringt, und ein Koppelplattenelement 158d, das in seinem einen Endteil mit einem vorstehenden Endteil (d.h. dem anderen Endteil) des Säulenelements 158c gekoppelt ist. Der vorstehende Endteil steht aus dem Turbinengehäuse 153 nach außen vor. Der andere Endteil des Koppelplattenelements 158d ist durch einen (nicht dargestellten) Koppelstift drehbar mit der Stange 163 des Betätigers gekoppelt.
Wieder gemäß 1 enthält das Motorsystem 200 dieser Ausführungsform auch eine AGR-Hochdruckvorrichtung 43 und eine AGR-Niederdruckvorrichtung 48. Die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 enthält einen AGR-Hochdruckkanal 43a, welcher den Auslasskanal 41 an einer Position stromaufwärts der Turbine 5b des Turboladers 5 mit dem Einlasskanal 1 an einer Position stromabwärts des Verdichters 5a des Turboladers 5 (stromabwärts des Ladeluftkühlers 8, um genau zu sein) verbindet, und ein AGR-Hochdruckventil 43b zum Einstellen einer Strömungsrate des durch den AGR-Hochdruckkanal 43a strömenden Abgases. Die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 enthält einen AGR-Niederdruckkanal 48a, der den Auslasskanal 41 an seiner Position stromabwärts der Turbine 5b des Turboladers 5 (einer Position stromabwärts des DPF 46 und stromaufwärts des Auslasssperrventils 49, um genau zu sein) mit dem Einlasskanal 1 an einer Position stromaufwärts des Verdichters 5a des Turboladers 5 verbindet, einen AGR-Niederdruckkühler 48b zum Kühlen des durch den AGR-Niederdruckkanal 48a strömenden Abgases, ein AGR-Niederdruckventil 48c zum Einstellen einer Strömungsrate des durch den AGR-Niederdruckkanal 48a strömenden Abgases und einen AGR-Niederdruckfilter 48d.
Eine Abgasmenge, die durch die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 zu dem Einlasssystem IN zurückgeführt wird (nachfolgend als „AGR-Hochdruckgasmenge“ bezeichnet) wird im Wesentlichen ausgehend von dem Abgasdruck in dem Teil stromaufwärts der Turbine 5b des Turboladers 5, dem Einlassluftdruck, der basierend auf der Öffnung des Einlasssperrventils 7 erzeugt wird und einer Öffnung des AGR-Hochdruckventils 43b bestimmt. Ferner wird eine Abgasmenge, die durch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 zu dem Einlasssystem IN zurückgeführt wird (nachfolgend als „AGR-Niederdruckgasmenge“ bezeichnet) im Wesentlichen ausgehend von dem Einlassluftdruck in dem Teil stromaufwärts des Verdichters 5a des Turboladers 5, dem Abgasdruck, der basierend auf der Öffnung des Auslasssperrventils 49 erzeugt wird, und einer Öffnung des AGR-Niederdruckventils 48c bestimmt.
Hier werden ein Betriebsbereich des Motors E, in dem die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 betrieben wird, (AGR-Hochdruckbereich) und ein Betriebsbereich des Motors E, in dem die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird, (AGR-Niederruckbereich) unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 ist ein Diagramm, das schematisch den AGR-Hochdruckbereich, den AGR-Niederdruckbereich und einen Keine-AGR-Bereich darstellt, wobei die horizontale Achse eine Motordrehzahl angibt und die vertikale Achse eine Kraftstoffeinspritzmenge (entsprechend einer Motorlast) angibt.
Wie in 3 dargestellt, ist ein Betriebsbereich R1 des Motors E (entsprechend dem ersten Motorbetriebsbereich), in dem die Motorlast und die Motordrehzahl niedrig sind, der AGR-Hochdruckbereich, in dem die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 betrieben wird, und ein Betriebsbereich R2 des Motors E (entsprechend dem zweiten Motorbetriebsbereich), in dem die Motorlast und die Motordrehzahl höher als der AGR-Hochdruckbereich sind, ist der AGR-Niederdruckbereich, in dem die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird. Genauer gesagt ist ein Teil des AGR-Niederdruckbereichs R2 (Bereich nahe der Grenze zu dem AGR-Hochdruckbereich R1) ein Bereich, in dem nicht nur die AGR-Niederdruckvorrichtung 48, sondern auch die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 betrieben wird, mit anderen Worten: Ein Bereich der kombinierten Nutzung der AGR-Hochdruckvorrichtung 43 und der AGR-Niederdruckvorrichtung 48. Außerdem ist ein Betriebsbereich R3 des Motors E, der so definiert ist, dass er die Motorlasten und Motordrehzahl abdeckt, die höher als diejenigen innerhalb des AGR-Niederdruckbereichs R2 sind, ein Bereich, in dem weder die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 noch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird (nachfolgend geeignet als der „Keine-AGR-Bereich“ bezeichnet).
Wieder gemäß 1 steuert die ECU 60 dieser Ausführungsform die jeweiligen Komponenten des Motorsystems 200 ausgehend von Erfassungssignalen S98 bis S100, die von einem Umgebungstemperatursensor 98 zum Erfassen einer Umgebungstemperatur, einem Umgebungsluftdrucksensor 99 zum Erfassen eines Umgebungsluftdrucks und einem Beschleunigeröffnungssensor 100 zum Erfassen einer Position eines Gaspedals 95 (Beschleunigeröffnung) ausgegeben werden, zusätzlich zu den Erfassungssignalen S101 bis S122 von den verschiedenen Sensoren 101 bis 122, die oben beschrieben wurden. Insbesondere gibt die ECU 60 ein Steuersignal S130 an den Betätiger (nicht dargestellt) zum Antreiben der Schaufeln 5c aus, um die Öffnungen der Schaufeln 5c der Turbine 5b des Turboladers 5 (VTG-Öffnung) zu steuern. Ferner gibt die ECU 60 ein Steuersignal S131 an einen Betätiger (nicht dargestellt) zum Antreiben des Einlasssperrventils 7 aus, um die Öffnung des Einlasssperrventils 7 zu steuern. Außerdem gibt die ECU 60 ein Steuersignal S132 an die elektrische Wasserpumpe 9 ab, um die Strömungsrate des dem Ladeluftkühler 8 zuzuführenden Kühlmittels zu steuern. Ferner gibt die ECU 60 ein Steuersignal S133 an das Kraftstoffeinspritzventil 20 ab, um die Kraftstoffeinspritzmenge für den Motor E zu steuern etc. Außerdem gibt die ECU 60 Steuersignale S134, S135, S136 und S137 an den Generator 26, den Kraftstoffwärmer 32, den Kraftstoffdruckregler 34 und das Common Rail-Druckminderventil 36 ab, um diese jeweils zu steuern. Ferner gibt die ECU 60 ein Steuersignal S138 an einen Betätiger (nicht dargestellt) zum Antreiben des AGR-Hochdruckventils 43b aus, um die Öffnung des AGR-Hochdruckventils 43b zu steuern. Außerdem gibt die ECU 60 ein Steuersignal S139 an einen Betätiger (nicht dargestellt) zum Antreiben des AGR-Niederdruckventils 48c aus, um die Öffnung des AGR-Niederdruckventils 48c zu steuern. Darüber hinaus gibt die ECU 60 ein Steuersignal S140 an einen Betätiger (nicht dargestellt) zum Antreiben des Auslasssperrventils 49 aus, um die Öffnung des Auslasssperrventils 49 zu steuern.
< Grundlegende Steuerung >
Nachfolgend wird eine grundlegende Steuerung 200 beschrieben, die von dem Motorsystem 200 dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. 4 ist ein Flussdiagramm, das die grundlegende Steuerung dieser Ausführungsform zeigt. In diesem Ablauf wird eine Steuerung zum Erreichen beispielsweise einer Soll-Sauerstoffkonzentration und einer Soll-Ansauglufttemperatur gemäß einer angeforderten Einspritzmenge an Kraftstoff ausgeführt. Ferner wird dieser Ablauf in einem vorgegebenen Zyklus von der ECU 60 wiederholt.
Zuerst erfasst die ECU 60 bei S11 zumindest eines der Erfassungssignale S98 bis S122, die von den verschiedenen oben beschriebenen Sensoren 98 bis 122 ausgegeben werden.
Dann setzt die ECU 60 bei S12 ausgehend von der durch den Beschleunigeröffnungssensor 100 erfassten Beschleunigeröffnung (dem Erfassungssignal S100 entsprechend) ein Soll-Drehmoment, das von dem Motor E abzugeben ist.
Dann setzt die ECU 60 bei S13 ausgehend von dem bei S12 gesetzten Soll-Drehmoment die angeforderte Einspritzmenge, die von dem Kraftstoffeinspritzventil 20 einzuspritzen ist, und die Motordrehzahl.
Ausgehend von der bei S13 gesetzten angeforderten Einspritzmenge und der Motordrehzahl bestimmt die ECU 60 danach bei S14 ein Kraftstoffeinspritzmuster, einen Kraftstoffdruck, die Soll-Sauerstoffkonzentration, die Soll-Ansauglufttemperatur und einen AGR-Steuermodus (einen Modus, in dem eine oder beide der AGR-Hochdruck- bzw. -Niederdruckvorrichtungen 43 und 48 betrieben werden, oder einen Modus, in dem weder die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 noch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben werden).
Bei S15 bestimmt dann die ECU 60 Statusmengen zum Erreichen der bei S14 gesetzten Soll-Sauerstoffkonzentration und Soll-Ansauglufttemperatur. Beispielweise enthalten die Statusmengen die Abgasmenge, die durch die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 zu dem Einlasssystem IN zurückgeführt wird (AGR-Hochdruckgasmenge), die Abgasmenge, die durch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 zu dem Einlasssystem IN zurückgeführt wird (AGR-Niederdruckgasmenge) und den von dem Turbolader 5 erzeugten Turboladedruck.
Danach steuert die ECU 60 bei S16 die Betätiger zum Antreiben der jeweiligen Komponenten des Motorsystems 200 ausgehend von den bei S15 gesetzten Statusmengen. In diesem Fall setzt die ECU 60 Begrenzungswerte oder begrenzte Bereiche gemäß den Statusmengen, setzt Steuerbeträge der Betätiger derart, dass die Statuswerte den Begrenzungen innerhalb der Begrenzungswerte oder Begrenzungsbereiche jeweils folgen und führt die Steuerungen aus.
< VTG-Öffnungssteuerung >
Nachfolgend wir eine VTG-Öffnungssteuerung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Zuerst wird ein Überblick der VTG-Öffnungssteuerung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. In dieser Ausführungsform steuert die ECU 60 die Öffnungen der Schaufeln 5c des Turboladers 5 (VTG-Öffnung) jeweils unterschiedlich in dem Fall, in dem die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 betrieben wird (AGR-Hochdruckbereich R1), dem Fall, in dem die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird (AGR-Niederdruckbereich R2) und in dem Fall, in dem weder die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 noch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird (Keine-AGR-Bereich R3). Es sei darauf hingewiesen, dass die ECU 60 als die „Schaufelsteuerung“ bezeichnet werden kann.
Insbesondere stellt die ECU 60 während des Betriebs der AGR-Hochdruckvorrichtung 43 die VTG-Öffnung auf eine vorgegebene Öffnung fest, mit anderen Worten: die VTG-Öffnung wird auf eine unveränderliche Öffnung festgelegt. Auf diese Weise wird der Auslassluftdruck so gesteuert, dass er nicht variiert, sodass die Steuerbarkeit der Abgasrückführung durch die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 sichergestellt ist (Steuerbarkeit bedeutet hier das Ausführen der Steuerung, um eine gewünschte AGR-Hochdruckgasmenge durch Steuern des AGR-Hochdruckventils 43b, des Einlasssperrventils 7, etc. zu erreichen). Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn die VTG-Öffnung wie oben gesteuert wird, der Turbolader 5 einfach wie ein Abgaswiderstand arbeitet und kaum Turboladung durchführt. Ferner ist der Abgaswiderstand in diesem Fall im Wesentlichen gleichbleibend.
In einem anderen Fall, wenn die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird, ohne dass die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 betrieben wird, steuert die ECU 60 die VTG-Öffnung auf eine Öffnung in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Motors E. Insbesondere bezieht sich die ECU 60 auf einen Plan in Verbindung mit der VTG-Öffnung, die hinsichtlich der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge einzustellen ist, und stellt die VTG-Öffnung auf eine Öffnung ein, die einer aktuellen Motordrehzahl und einer aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge entspricht. In diesem Fall, stellt die ECU 60 die VTG-Öffnung gemäß der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge ein und ändert die VTG-Öffnung nicht in Abhängigkeit eines Soll-Turboladedrucks. Insbesondere ändert die ECU 60 ausgehend von Motordrehzahl und Kraftstoffeinspritzmenge die VTG-Öffnung durch eine F/F-Steuerung (Feedforward-Steuerung bzw. Vorwärtssteuerung, d.h. offene Steuerung) und ändert die VTG-Öffnung nicht dynamisch durch eine Turboladedruck-F/B-Regelung (Feedback-Regelung bzw. Rückkoppelungsregelung), bei der ein tatsächlicher Turboladedruck auf den Soll-Turboladedruck gebracht wird. Ferner ändert die ECU 60 die VTG-Öffnung, während sie eine Änderungsrate einer VTG-Öffnung unter einen vorgegebenen Wert begrenzt.
Gemäß einer derartigen VTG-Öffnungssteuerung kann der Abgasdruck durch schrittweises Änderung der VTG-Öffnung gesteuert werden. Somit erfolgt die Änderung der Last des Turboladers: 5 (d.h. die Änderung des Abgasdrucks) schrittweise, während der Turbolader; 5 in Betrieb bleibt (Turboladen), und die Steuerbarkeit der Abgasrückführung durch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 kann geeignet sichergestellt werden (Steuerbarkeit bedeutet hier das Ausführen der Steuerung, um eine gewünschte AGR-Niederdruckgasmenge durch Steuern des AGR-Niederdruckventils 48c, des Auslasssperrventils 49, etc. zu erreichen). Zwar hat die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 eine Eigenheit dahingehend, dass sie ein geringes Ansprechvermögen hat, da die Länge der Strecke für das durch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 zurückzuführende Abgas lang ist, doch wenn die VTG-Öffnung wie oben beschrieben gesteuert wird, kann die Steuerbarkeit der AR-Niederdruckvorrichtung 48 geeignet sichergestellt werden, da die Änderung der Last des Turboladers 5 schrittweise erfolgt. Folglich kann dem Motor E eine gewünschte Menge Sauerstoff geeignet zugeführt werden, insbesondere kann eine Sauerstoffkonzentration, welche nötig ist, um die angeforderte Kraftstoffeinspritzmenge anzuwenden, geeignet erreicht werden, und die Einschränkung, die auf die Kraftstoffeinspritzmenge ausgeübt wurde, um den in dem Motor E erzeugten Rauch zu reduzieren, kann gelockert werden, und ferner können auch der Kraftstoffverbrauch und das Emissionsverhalten verbessert werden.
In einem weiteren Fall, wenn weder die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 noch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird, regelt die ECU 60 die VTG-Öffnung unter Verwendung der Turboladedruck-F/B-Regelung, bei welcher der tatsächliche Turboladedruck auf den Soll-Turboladedruck gebracht wird. Insbesondere verwendet die ECU 60 den von dem Einlassluftdrucksensor 107 erfassten Einlassluftdruck als den tatsächlichen Turboladedruck und ändert die VTG-Öffnung dynamisch derart, dass der tatsächliche Turboladedruck auf dem Soll-Turboladedruck gehalten wird, während der tatsächliche Turboladedruck überwacht wird. Auf diese Weise kann der tatsächliche Turboladedruck veranlasst werden, dem Soll-Turboladedruck geeignet zu folgen.
Bei einem Übergang von dem Zustand, in dem die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird, zu dem Zustand, in dem durch Beenden des Betriebs der AGR-Niederdruckvorrichtung 48 weder die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 noch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird, also in einem Zustand des Übergangs von dem AGR-Niederdruckbereich R2 zu dem Keine-AGR-Bereich R3, führt bei der vorliegenden Ausführungsform die ECU 60 ferner zuerst die VTG-Öffnungssteuerung ähnlich wie in dem Fall aus, in dem die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 betrieben wird. Insbesondere, bezieht sich die ECU 60 beim Übergang von dem AGR-Niederdruckbereich R2 zu dem Keine-AGR-Bereich R3 auf den Plan in Verbindung mit der VTG-Öffnung, die hinsichtlich der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge einzustellen ist, stellt die VTG-Öffnung auf eine Öffnung ein, die einer aktuellen Motordrehzahl und einer aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge entspricht (d.h. ändert die VTG-Öffnung durch eine F/F-Steuerung) und führt nicht sofort die Turboladedruck-F/B-Regelung aus, bei der die VTG-Öffnung ausgehend von dem Turboladedruck dynamisch geregelt wird. Auf diese Weise können eine Minderung der Zuverlässigkeit des Turboladers 5, abruptes Beschleunigen und Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs aufgrund der abrupten Änderung des Turboladedrucks (besonders deutlich, wenn der Turbolader 5 in einer kleinen Größe ausgebildet ist), die hervorgerufen werden, wenn die Turboladedruck-F/B-Regelung sofort durchgeführt wird, reduziert werden.
Genauer gesagt: Während einer Zeitdauer, nachdem der Betrieb der AGR-Niederdruckvorrichtung 48 beendet ist, führt die ECU 60 die VTG-Öffnungssteuerung durch eine derartige F/F-Steuerung fort, bis der Unterschied zwischen dem von dem Einlassluftdrucksensor 107 erfassten tatsächlichen Turboladedruck und dem Soll-Ladedruck unter einen vorgegebenen Wert fällt. Dann, nachdem der Unterschied zwischen dem tatsächlichen Turboladedruck und dem Soll-Ladedruck unter einen vorgegebenen Wert gefallen ist, führt die ECU 60 die Turboladedruck-F/B-Regelung durch, bei welcher der tatsächliche Turboladedruck auf dem Soll-Turboladedruck gehalten wird.
Nachfolgend wird der gesamte Ablauf der VTG-Öffnungssteuerung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf 5 beschrieben, welche ein Flussdiagramm ist, das eine VTG- Öffnungssteuerung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die VTG-Öffnungssteuerung wird von der ECU 60 in einem vorgegebenen Zyklus wiederholt. Außerdem wird die VTG-Öffnungssteuerung durchgeführt, wenn der Betriebszustand des Motors E ein Zustand ist, in dem der Betrieb der AGR-Hochdruckvorrichtung 43 und der Betrieb der AGR-Niederdruckvorrichtung 48 erlaubt sind.
Zunächst bestimmt die ECU 60 bei S21 ob die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 in Betrieb ist. In einem Beispiel führt die ECU 60 die Bestimmung bei S21 dadurch aus, dass sie ausgehend von einer aktuellen Motordrehzahl und einer aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge bestimmt, ob ein aktueller Betriebszustand des Motors E innerhalb des in 3 dargestellten AGR-Hochdruckbereichs R1 liegt (einschließlich eines Teils des AGR-Niederdruckbereichs R2, in dem die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 und die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 beide benutzt werden, um genau zu sein). Bei einem anderen Beispiel führt die ECU 60 die Bestimmung bei S21 dadurch aus, dass sie bestimmt, ob das AGR-Hochdruckventil 43b der AGR-Hochdruckvorrichtung 43 geöffnet ist.
Wenn als Ergebnis der Bestimmung festgestellt wird, dass die AGR-Hochdruckvorrichtung in Betrieb ist (S21: JA), geht der Ablauf weiter zu S22, in dem die ECU 60 die VTG-Öffnung auf eine vorgegebene Öffnung einstellt. Beispielsweise stellt die ECU 60 die VTG-Öffnung auf eine vorgegebene Öffnung ein, die kleiner als die VTG-Öffnung bei der Bestimmung bei S21 ist. In diesem Fall steuert die ECU 60 den Betätiger zum Antreiben der Schaufeln 5c des Turboladers 5 derart, dass die tatsächliche VTG-Öffnung auf die vorgegebene Öffnung festgestellt wird, während die von dem VTG-Öffnungssensor 104 erfasste VTG-Öffnung überwacht wird. Es darauf hingewiesen, dass die Steuerung des Betätigers nicht darauf beschränkt ist, die VTG-Öffnung exakt auf die vorgegebene Öffnung, welche ein Wert ist, einzustellen, sondern dass die VTG-Öffnung auf eine Öffnung innerhalbe eines gewissen kleinen Bereichs eingestellt werden kann, der basierend auf der vorgegebenen Öffnung festgelegt ist.
Wenn dagegen festgestellt wird, dass die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 nicht in Betrieb ist (S21: NEIN), geht der Ablauf weiter zu S23, wo die ECU 60 bestimmt, ob die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 in Betrieb ist. Bei einem Beispiel führt die ECU 60 die Bestimmung bei S23 dadurch durch, dass sie ausgehend von der aktuellen Motordrehzahl und der aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge bestimmt, ob der aktuelle Betriebszustand des Motors E innerhalb des in 3 dargestellten AGR-Niederdruckbereichs R2 liegt (ausschließlich des Bereichs der kombinierten Verwendung von AGR-Hochdruckvorrichtung und AGR-Niederdruckvorrichtung 43 und 48, um genau zu sein). Bei einem anderen Beispiel führt die ECU 60 die Bestimmung bei S23 dadurch aus, dass sie bestimmt, ob das AGR-Hochdruckventil 43b der AGR-Hochdruckvorrichtung 43 geschlossen ist und das AGR-Niederdruckventil 48c der AGR-Niederdruckvorrichtung 48 geöffnet ist.
Wenn als Ergebnis der Bestimmung festgestellt wird, dass die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 in Betrieb ist (S23: JA), geht der Ablauf weiter zu S24, in dem die ECU 60 die VTG-Öffnung durch die F/F-Steuerung steuert. Insbesondere bezieht sich die ECU 60 auf den Plan in Verbindung mit der VTG-Öffnung, die hinsichtlich der aktuellen Motordrehzahl und der aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge einzustellen ist, und stellt die VTG-Öffnung auf eine Öffnung ein, die einer aktuellen Motordrehzahl und einer aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge entspricht. Auch in diesem Fall steuert die ECU 60 den Betätiger zum Antreiben der Schaufeln 5c des Turboladers 5, sodass die tatsächliche VTG-Öffnung auf die der aktuellen Motordrehzahl und der aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge entsprechende Öffnung eingestellt wird, während die von dem VTG-Öffnungssensor 104 erfasste VTG-Öffnung überwacht wird. Zudem wird der oben beschriebene Plan auf der Basis von einem Experiment bzw. Experimenten und/oder (einer) vorgegebenen Formel(n) vorab erzeugt und stellt eine VTG-Öffnung bereit, mit der für jedes Paar aus Motordrehzahl und Kraftstoffeinspritzmenge ein Turboladedruck nahe dem Soll-Turboladedruck erreicht werden kann, ohne den Kraftstoffverbrauch zu verschlechtern und ohne dass sich die Turbine 5b des Turboladers 5 mit zu hoher Drehzahl dreht. Beispielsweis ist in diesem Plan ein bestimmter VTG-Öffnungsbereich definiert, und die durch die F/F-Steuerung festgelegte VTG-Öffnung ist innerhalb dieses Bereichs begrenzt.
Ferner beschränkt die ECU 60 beim Steuern der VTG-Öffnung durch die F/F-Steuerung die Änderungsrate der VTG-Öffnung. Insbesondere beschränkt die ECU 60 die Änderungsrate der VTG-Öffnung auf unterhalb des vorgegebenen Werts, sodass die VTG-Öffnung schrittweise geändert wird. Da das Ansprechvermögen auf die Änderung der VTG-Öffnung aufgrund der langen Strecke des Wegs für das durch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 zurückzuführende Abgas gering ist, ist die Änderungsrate der VTG-Öffnung beschränkt, um das geringe Ansprechvermögen zu kompensieren.
Wird dagegen festgestellt, dass die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 nicht in Betrieb ist (S23: NEIN), also dass weder die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 noch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 in Betrieb ist, geht der Ablauf weiter zu S25, in dem die ECU 60 bestimmt, ob eine Zulassungsbedingung der Turboladedruck-F/B-Regelung erfüllt ist. Insbesondere verwendet die ECU 60 als Zulassungsbedingung der Turboladedruck-F/B-Regelung eine der folgenden Bedingungen: (1) eine Differenz (absoluter Wert) zwischen dem von dem Einlassluftdrucksensor 107 erfassten tatsächlichen Turboladedruck und dem Soll-Turboladedruck ist keiner als ein vorgegebener Wert; (2) ein Änderungsbetrag des von dem Einlassluftdrucksensor 107 erfassten tatsächlichen Turboladedrucks ist kleiner als ein vorgegebener Wert; und (3) ein Betätigungsbetrag des Gaspedals 95 (genauer gesagt, ein Änderungsbetrag der durch den Beschleunigeröffnungssensor 100 erfassten Beschleunigeröffnung) ist kleiner als ein vorgegebener Wert.
Wenn als Ergebnis der Bestimmung festgestellt wird, dass die Zulassungsbedingung der Turboladedruck-F/B-Regelung erfüllt ist (S25: JA), geht der Ablauf weiter zu S26, in dem die ECU 60 die VTG-Öffnung durch die Turboladedruck-F/B-Regelung regelt. Insbesondere regelt die ECU 60 die VTG-Öffnung dynamisch, sodass der tatsächliche Turboladedruck auf dem Soll-Turboladedruck gehalten wird, während der durch den Einlassluftdrucksensor 107 erfasste tatsächliche Turboladedruck überwacht wird. In diesem Fall legt die ECU 60 den Soll-Turboladedruck ausgehend von der Motordrehzahl, der Kraftstoffeinspritzmenge etc. fest und führt die F/B-Regelung an der VTG-Öffnung durch, um den Soll-Turboladedruck zu erreichen.
Wenn dagegen festgestellt wird, dass die Zulassungsbedingung der Turboladedruck-F/B-Regelung nicht erfüllt ist (S25: NEIN), geht der Ablauf weiter zu S27, in dem die ECU 60 die VTG-Öffnung durch die F/F-Steuerung steuert, ohne die Turboladedruck-F/B-Regelung durchzuführen. Insbesondere bezieht sich die ECU 60 auf den Plan in Verbindung mit der VTG-Öffnung, die hinsichtlich der aktuellen Motordrehzahl und der aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge einzustellen ist, stellt die VTG-Öffnung auf eine Öffnung ein, die einer aktuellen Motordrehzahl und einer aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge entspricht. Dieser Plan wird auf der Basis von einem Experiment bzw. Experimenten und/oder (einer) vorgegebenen Formel(n) vorab erzeugt und, anders als der Plan, welcher beim Betrieb der AGR-Niederdruckvorrichtung 48 verwendet wird, ist jedem Paar aus Motordrehzahl und Kraftstoffeinspritzmenge eine VTG-Öffnung zugeordnet, mit der eine lineare Beschleunigung erreicht werden kann, ohne den Kraftstoffverbrauch zu verschlechtern (d.h. eine abrupte Beschleunigung tritt nicht auf).
Es sei darauf hingewiesen, dass beim Steuern der VTG-Öffnung durch die F/F-Steuerung bei S27, wie in dem Fall des Steuern der VTG-Öffnung durch die F/F-Steuerung bei S24, die ECU 60 ebenfalls die Änderungsrate der VTG-Öffnung so begrenzt, dass die VTG-Öffnung schrittweise geändert wird.
< Funktionen und Wirkungen >
Nachfolgend werden die Abläufe und Wirkungen der Abgassteuerungsvorrichtung des Motors nach dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Da die VTG-Öffnung während des Betriebs der AGR-Hochdruckvorrichtung 43 auf die vorgegebene Öffnung festgestellt ist, ist gemäß dieser Ausführungsform die Schwankung des Abgasdrucks verringert, kann die Steuerbarkeit der Abgasrückführung durch die AGR-Hochdruckvorrichtung 43 sichergestellt werden und können die Zündbarkeit und das Emissionsverhalten des Motors E verbessert werden. Ferner wird gemäß dieser Ausführungsform während des Betriebs der AGR-Niederdruckvorrichtung 48 die F/F-Steuerung, bei der die VTG-Öffnung auf die dem Betriebszustand des Motors E entsprechende Öffnung eingestellt wird, durchgeführt, und der Abgasdruck wird durch die schrittweise Änderung der VTG-Öffnung gesteuert. Somit erfolgt die Änderung der Last des Turboladers 5 schrittweise, während der Turbolader 5 das Turboladen weiter betreibt, und die Steuerbarkeit der Abgasrückführung durch die AGR-Niederdruckvorrichtung 43 kann sichergestellt werden. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration, die zum Anwenden der angeforderten Einspritzmenge erforderlich ist, geeignet erreicht werden, und die Beschränkung, die zum Reduzieren des in dem Motor E erzeugten Rauchs auf die Kraftstoffmenge angewendet wurde, kann gelockert werden (was die Zufuhr der angeforderten Einspritzmenge zu dem Motor sicher ermöglicht), und ferner können auch Kraftstoffverbrauch und Emissionsverhalten verbessert werden. Außerdem kann durch Steuern der VTG-Öffnung mit dem Plan zum Verhindern, dass die Turbine 5b des Turboladers 5 mit zu hoher Drehzahl dreht, auf geeignete Weise verhindert werden, dass die Turbine 5b mit zu hoher Drehzahl dreht.
Da die ECU 60 die Änderungsrate der VTG-Öffnung begrenzt, wird bei dieser Ausführungsform beim Steuern der VTG-Öffnung durch die F/F-Steuerung die VTG-Öffnung insbesondere schrittweise geändert, und die Steuerbarkeit der Abgasrückführung durch die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 kann effektiv sichergestellt werden.
In dieser Ausführungsform können beim Übergang von dem AGR-Niederdruckbereich R2 zu dem Keine-AGR-Bereich R3, da die F/F-Steuerung, bei der die VTG-Öffnung auf die dem Betriebszustand des Motors E entsprechende Öffnung eingestellt wird, anstatt sofort die Turboladedruck-F/B-Regelung durchzuführen, ferner die Herabsetzung der Zuverlässigkeit des Turboladers 5 (z.B. Bruch des Turboladers 5), die abrupte Beschleunigung und die Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs aufgrund der abrupten Änderung des Turboladedrucks, welche auftritt, wenn die Turboladedruck-F/B-Regelung sofort ausgeführt wird, reduziert werden. Mit anderen Worten: Gemäß dieser Ausführungsform können die lineare Beschleunigung und die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden, während die Zuverlässigkeit des Turboladers 5 sichergestellt wird.
Solche Wirkungen können erzielt werden, da bei dieser Ausführungsform, nachdem der Betrieb der AGR-Niederdruckvorrichtung 48 angehalten ist, insbesondere die VTG-Öffnungssteuerung durch die F/F-Steuerung andauert, bis die Differenz zwischen dem tatsächlichen Turboladedruck und dem Soll-Turboladedruck unter den vorgegebenen Wert fällt.
< Modifikationen >
Bei der obigen Ausführungsform wird die VTG-Öffnung ausgehend von der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge bei der F/F-Steuerung der VTG-Öffnung eingestellt; jedoch kann die so eingestellte VTG-Öffnung entsprechend der Umgebungslufttemperatur, dem Umgebungsluftdruck, einer Motor-Wassertemperatur etc. korrigiert werden.
Zudem wird bei der obigen Ausführungsform das Beispiel beschrieben, bei dem die durchzuführende VTG-Öffnungssteuerung basierend auf dem in 3 dargestellten Plan umgeschaltet wird, d.h. das Beispiel wird beschrieben, bei dem die VTG-Öffnungssteuerung umgeschaltet wird, je nachdem, in welchen der Bereiche AGR-Hochdruckbereich, AGR-Niederdruckbereich und Keine-AGR-Bereich der Betriebszustand des Motors fällt; jedoch ist sie nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann angesichts der Zuverlässigkeit der AGR-Niederdruckvorrichtung 48, ungeachtet des in 3 dargestellten Plans, die Verwendung der AGR-Niederdruckvorrichtung 48 unterbunden werden, d.h. es ist möglich, die AGR-Niederdruckvorrichtung 48 nicht zu betreiben, selbst wenn der Betriebszustand des Motors E innerhalb des AGR-Niederdruckbereichs liegt, und in einem solchen Fall kann die VTG-Öffnung durch die Turboladedruck-F/B-Regelung anstatt durch die F/F-Steuerung geregelt bzw. gesteuert werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegenden Ausführungsformen erläuternd und nicht einschränkend sind, da der Umfang der Erfindung durch die angefügten Ansprüche und nicht durch die ihnen vorangehende Beschreibung definiert ist, und alle Änderungen, die innerhalb Maß und Ziel der Ansprüche oder Entsprechungen von derartigem Maß und Ziel derselben liegen, sind daher als von den Ansprüchen eingeschlossen gedacht.
Bezugszeichenliste

1: Einlasskanal
5: Turbolader
5a: Verdichter
5b: Turbine
5c: Schaufel
41: Auslasskanal
43: AGR-Hochdruckvorrichtung
43b: AGR-Hochdruckventil
48: AGR-Niederdruckvorrichtung
48c: AGR-Niederdruckventil
60: ECU
200: Motorsystem
E: Motor

Claims

Abgassteuerungs- bzw. regelvorrichtung für einen Motor, umfassend: einen Turbolader (5) mit einer Turbine (5b), einem Verdichter (5a) und verstellbaren Schaufeln (5c), und zum Drehen der Turbine (5b) durch Abgas zum Antreiben des Verdichters (5a), um Druck von Ansaugluft zu verstärken, wobei die Turbine (5b) in einem Auslasskanal (41) des Motors (E) angeordnet ist, der Verdichter (5a) in einem Einlasskanal (1) des Motors (E) angeordnet ist, die verstellbaren Schaufeln (5c) so konfiguriert sind, dass sie einen Turboladedruck einstellen; eine Abgasrückführungs(AGR)-Hochdruckvorrichtung (43) zum Zurückführen des Abgases, innerhalb eines ersten Motorbetriebsbereichs (R1), in dem eine Motorlast und eine Motordrehzahl niedrig sind, von einer Position des Auslasskanals (41) stromaufwärts der Turbine (5b) des Turboladers (5) zu einer Position des Einlasskanals (1) stromabwärts des Verdichters (5a) des Turboladers (5); eine AGR-Niederdruckvorrichtung (48) zum Zurückführen des Abgases, innerhalb eines zweiten Motorbetriebsbereichs (R2), in dem die Motorlast und die Motordrehzahl höher als in dem ersten Motorbetriebsbereich (R1) sind, von einer Position des Auslasskanals (41) stromabwärts der Turbine (5b) des Turboladers (5) zu einer Position des Einlasskanals (1) stromaufwärts des Verdichters (5a) des Turboladers (5); und eine Schaufelsteuerung bzw. -regelung (60) zum Steuern oder Regeln der Schaufelöffnungen, welche Öffnungen der Schaufeln (5c) des Turboladers (5) sind, wobei die Schaufelsteuerung (60) die Schaufelöffnungen auf eine vorgegebene Öffnung feststellt, während die AGR-Hochdruckvorrichtung (43) das Abgas zurückführt, und die Schaufelsteuerung (60) die Schaufelöffnungen entsprechend einem Motorbetriebszustand steuert oder regelt, während die AGR-Niederdruckvorrichtung (48) das Abgas zurückführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der, wenn ein Zustand, in dem das Abgas durch die AGR-Niederdruckvorrichtung (48) zurückgeführt wird, in einen Zustand umgestellt wird, in dem das Abgas weder durch die AGR-Hochdruckvorrichtung noch durch die AGR-Niederdruckvorrichtung zurückgeführt wird, die Schaufelsteuerung (60) die Schaufelöffnungen entsprechend dem Motorbetriebszustand steuert und dann die Schaufelöffnungen derart steuert oder regelt, dass ein tatsächlicher Turboladedruck einen dem Motorbetriebszustand entsprechenden Soll-Turboladedruck erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der während einer Zeitspanne nachdem die Rückführung des Abgases durch die AGR-Niederdruckvorrichtung (48) angehalten worden ist, bis eine Differenz zwischen dem tatsächlichen Turboladedruck und dem Soll-Turboladedruck unter einen vorgegebenen Wert fällt, die Schaufelsteuerung (60) die Schaufelöffnungen weiter entsprechend dem Motorbetriebszustand steuert, und nachdem die Differenz zwischen dem tatsächlichen Turboladedruck und dem Soll-Turboladedruck unter den vorgegebenen Wert gefallen ist, die Schaufelsteuerung (60) die Schaufelöffnungen so steuert oder regelt, dass der tatsächliche Turboladedruck den Soll-Turboladedruck erreicht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in einem Fall, in dem die AGR-Niederdruckvorrichtung (48) das Abgas zurückführt, die Schaufelsteuerung (60) die Schaufelöffnungen steuert oder regelt, während sie eine Änderungsrate der Schaufelöffnungen unter einen vorgegebenen Wert begrenzt.
Verfahren zum Steuern eines Motors, umfassend die folgenden Schritte: Turboladen bzw. Aufladen des Motors durch einen Turbolader (5), Einstellen eines Turboladedrucks mittels verstellbarer Schaufeln (5c) des Turboladers (5); Zurückführen des Abgases mittels einer Abgasrückführungs (AGR)-Hochdruckvorrichtung (43), wenn ein Betriebszustand des Motors (E) innerhalb eines ersten Motorbetriebsbereichs (R1) liegt, in dem eine Motorlast und eine Motordrehzahl niedrig sind; Zurückführen des Abgases mittels einer AGR-Niederdruckvorrichtung (48), wenn ein Betriebszustand des Motors (E) innerhalb eines zweiten Motorbetriebsbereichs (R2) liegt, in dem die Motorlast und die Motordrehzahl höher als in dem ersten Motorbetriebsbereich (R1) sind; Feststellen der Schaufelöffnungen auf eine vorgegebene Öffnung, während die AGR-Hochdruckvorrichtung (43) das Abgas zurückführt; und Steuern oder Regeln der Schaufelöffnungen entsprechend einem Motorbetriebszustand, während die AGR-Niederdruckvorrichtung (48) das Abgas zurückführt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Schaufelöffnungen durch eine Vorwärts(F/F)-Steuerung (S24) gesteuert werden, wenn die AGR-Niederdruckvorrichtung (48) das Abgas zurückführt.
Computerprogrammprodukt, umfassend computerlesbare Befehle, die, wenn sie auf einem geeigneten System geladen sind und ausgeführt werden, in der Lage sind, die Schritte nach einem der Ansprüche 5 oder 6 auszuführen.