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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Dieselmotoren und insbesondere
eine Steuerung von Turbinenauslasstemperaturen für Dieselmotoren
zum Minimieren von Emissionen.
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Hintergrund der Erfindung
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Wenn
in einer Umgebung mit einem Überschuss an Sauerstoff eine
Verbrennung stattfindet, nehmen Verbrennungs-Spitzentemperaturen
zu, was zu unerwünschten Emissionen führt, z.
B. zu Stickoxiden (NOx). Dieses Problem verschlimmert sich durch
die Verwendung von Turboladern, die dazu geeignet sind, den Frischluftdurchsatz
zu erhöhen, wodurch die in der Verbrennungskammer vorhandenen
Sauerstoff- und Stickstoffkonzentrationen zunehmen, wenn die Temperaturen
während oder nach dem Verbrennungsvorgang hoch sind.
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Eine
bekannte Technik zum Vermindern unerwünschter Emissionen
wie etwa NOx umfasst das Einleiten chemisch inerter Gase in den
Frischluftstrom zur anschließenden Verbrennung. Indem die
Sauerstoffkonzentration der erhaltenen zu verbrennenden Füllung
so vermindert wird, verbrennt der Kraftstoff langsamer und Verbrennungs-Spitzentemperaturen
werden entsprechend verringert, wodurch weniger NOx erzeugt wird.
In einer Verbrennungsmotorumgebung sind solche chemisch inerten
Gase in der Form von Abgasen reichlich vorhanden. Ein bekanntes
Verfahren zum Erzielen des vorstehenden Ergebnisses besteht in der
Verwendung eines sogenannten Abgasrückführ(AGR)systems,
das dazu geeignet ist, Abgas aus dem Auslasskrümmer kontrollierbar
in den zum Einlasskrümmer strömenden Frischluftstrom
einzuspeisen (d. h. rückzuführen), um dem Einlasskrümmer
steuerbar Abgas zuzuführen. Durch die Verwendung eines
bordeigenen Mikroprozessors erfolgt die Steuerung des AGR-Ventils
typischerweise als Funktion von Informationen, die von mehreren Motorbetriebszustandssensoren
geliefert werden.
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Obwohl
AGR-Systeme des vorstehenden Typs im Allgemeinen dazu geeignet sind,
unerwünschte aus dem Verbrennungsprozess stammende Emissionen
zu vermindern, bezahlt man dafür in Form eines sich daraus
ergebenden Motorwirkungsgradverlus tes. Daher wird in typischen Motorsteuerungsstrategien
ein Kompromiss zwischen der Menge des erzeugten NOx und dem Motorwirkungsgrad
gemacht, wobei die in Verbindung mit der Handhabung dieses Kompromisses
auftretenden Schwierigkeiten durch die zunehmend strengen Anforderungen
staatlich erlassener Emissionsvorschriften wesentlich größer
geworden sind.
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Um
die beiden, allerdings diametral entgegengesetzten Ziele der Begrenzung
der Erzeugung von NOx-Emissionen auf akzeptierbare niedrige Werte
und des gleichzeitigen Maximierens des Motorwirkungsgrades unter
verschiedenen Lastbedingungen zu erreichen, müssen große
Anstrengungen hinsichtlich einer sehr genauen Bestimmung der korrekten
Anteile der Luft-, Kraftstoff- und Abgasmenge unternommen werden,
die die Verbrennungsfüllung oder -ladung bilden. Zu diesem
Zweck müssen deshalb, vorzugsweise kostengünstig, korrekte
Echtzeitwerte mehrerer mit dem AGR-System in Beziehung stehender
Betriebsparameter erhalten werden. Steuerungsstrategien müssen
dann entwickelt werden, um derartige Information zum korrekten Steuern
des Motors, des AGR-Systems und/oder des Turboladers zu nutzen.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher Techniken zum Steuern des
Motorbetriebs derart, dass Motorabgastemperaturen innerhalb gewünschter Betriebsgrenzwerte
gehalten werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
werden ein Verfahren und ein System zum Steuern der Abgastemperatur
für einen Verbrennungsmotor offenbart. Das Verfahren und
das System beinhalten das Bestimmen eines Bereichs zulässiger
Füllungsdurchsätze innerhalb des Verbrennungsmotors
derart, dass eine gewünschte Abgastemperatur eingehalten
wird. Das Verfahren und das System beinhalten ferner das Steuern
der Füllungsdurchsätze so, dass sie in den Bereich
fallen.
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Es
werden Steuerungsstrategien offenbart, in denen der Füllungsdurchsatz
als ein Parameter zum Steuern der Turbinenauslasstemperatur verwendet
wird. Diese Strategien verwenden die Invertierung oder Umkehrung
des virtuellen Zylinderauslasstemperatursensors sowie eines neuartigen
virtuellen Turbinenauslasstemperatursensors zum Bestimmen des Füllungsdurchsatzes,
der zum Erreichen der gewünschten Turbinenauslasstemperatur
unter Berücksichtigung des aktuellen Turbineneinlass- und
-auslassdrucks, des Einspritzzeitpunkts SOI (Start of Injection),
des Ladedrucks, der Ladungstemperatur, der Kraftstoffzufuhrmenge und
der Motordrehzahl erforderlich ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Abgastemperaturprofil eines Hochleistungsmotors;
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2 zeigt
einen Graphen, der zum Korrelieren des Turbinenwirkungsgrades (ηt) mit üblicherweise gemessenen
Parametern verwendet wird;
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3 zeigt
eine gemäß Gleichung (1) erhaltene Kurve eines
mittleren Fehlers für einen virtuellen Turbinenauslasssensor;
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4 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems zum Steuern der Motorabgastemperatur;
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5 zeigt
ein Ablaufdiagramm zum Darstellen einer bevorzugten Ausführungsform
eines Softwarealgorithmus für die geeignete Abgastemperatur
(ETE) zum Steuern von Emissionen;
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6 zeigt
ein hinter einem AGR-Mischer angeordnetes Ansaug- oder Einlassdrosselventil;
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7 zeigt
ein hinter einem Ladeluftkühler angeordnetes Einlassdrosselventil;
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8 zeigt
ein hinter einer Turbine angeordnetes Auslassdrosselventil;
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9 zeigt
ein Auslasskrümmerdrosselventil; und
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10 zeigt
ein Wastegate mit einer Turbine mit verstellbarer Geometrie.
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Ausführliche Beschreibung der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Dieselmotoren und insbesondere
Turbinenauslasstemperaturen für Dieselmotoren zum Minimieren
von Emissionen. Die folgende Beschreibung soll es Fachleuten ermöglichen,
die Erfindung in die Praxis umzusetzen und zu verwenden und wird
in Verbindung mit einer Patentanmeldung und ihren Anforderungen
bereitgestellt. Für Fachleute ist anhand der hierin beschriebenen
allgemeinen Prinzipien und Merkmale ersichtlich, dass verschiedenartige
Modifikationen der bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen
werden können.
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Daher
soll die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen
beschränkt sein, sondern den weitesten Bereich der hierin
beschriebenen Prinzipien und Merkmale umfassen.
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Ein
vorgeschlagener Hochleistungsmotor mit einer Motorarchitektur mit
einer verstellbaren und/oder Wastegate-Turbinengeometrie erfordert
ein robustes Filternachbehandlungssystem zum Vermindern der Menge
von aus dem System ausgetragener Partikel derart, dass gesetzliche
Vorschriften erfüllt werden. Der robuste Filter muss periodisch
regeneriert werden, um den auf dem Filtermedium abgelagerten Ruß zu
oxidieren. Für diese Regenerierungsvorgänge muss
der Motor in der Lage sein, am Turbinenauslass Abgastemperaturen zu
erzeugen, die hoch genug sind, um eine Oxidation des Rußes
zu bewirken. Es können Turbinenauslasstemperaturen in der
Größenordnung von 300°C (572 F) oder
mehr für längere Zeiträume erforderlich
sein, um diese Regeneration zu ermöglichen. 1 zeigt
eine Abgastemperaturprofil eines Hochleistungsmotors. Wie dargestellt
ist, wird die Turbinenauslasstemperatur über einen großen
Betriebsbereich eines Hochleistungsmotors größer
sein als die zur Regeneration erforderliche Minimaltemperatur. Es
existiert jedoch ein Bereich, in dem Wärmesteuerungsstrategien
erforderlich sind, um die Turbinenauslasstemperatur derart so erhöhen, dass
eine Nachbehandlung möglich wird.
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Grundsätzlich
wird ein Teil der Kraftstoffenergie zum Erwärmen des Abgases
verwendet. Für ein festes Expansionsverhältnis
(feste Ventilsteuerzeit) kann dieser Teil durch Manipulieren des
thermischen Brutto-Wirkungsgrades des Verbrennungsprozesses durch
den Einspritzzeitpunkt und den Einspritzdruck, Ansaugbedingungen,
die Inertgaskonzentration durch AGR und das Äquivalenzverhältnis über
die Kraftstoffmenge und/oder die Füllungsmasse geändert
werden. Zum Erhöhen der Abgastemperatur muss der verbrauchte Kraftstoff
erhöht und/oder der zum Abgas übertragene Energieanteil
geändert werden. Ein erfindungsgemäßes
Verfahren und System ist darauf gerichtet, die Abgastemperatur in
einer Hochleistungsmotorarchitektur so zu modulieren, dass sie auf
einen geeigneten Wert gebracht wird, um Emissionen minimieren zu
können.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren und System nutzen
zwei virtuelle Sensoren in einem Motorsteuergerät – einen
für die Turbinenauslasstemperatur und einen zweiten für
die Turbineneinlasstemperatur, um zu ermöglichen, dass
die Temperatur auf den geeigneten Wert geregelt werden kann. Ein
virtueller Turbineneinlasstemperatursensor, der dazu geeignet ist,
die Abgastemperatur zu modulieren, ist beschrieben im
US-Patent Nr. 6,550,464 mit dem Titel
"System
for Controlling Engine Exhaust Temperature", erteilt am 22. April
2003 und übertragen auf den Anmelder der vorliegenden
Patentanmeldung. Ein virtueller Turbinenauslasstemperatursensor
ist eine Erweiterung des virtuellen Turbineneinlasstemperatursensors.
Es ist bekannt, dass die Turbinenauslasstemperatur basierend auf
der Turbineneinlasstemperatur, den Turbineneinlassdrücken,
den Turbinenauslassdrücken und dem Massendurchsatz geschätzt
werden kann. Es ist außerdem festgestellt worden, dass
die Turbinenauslasstemperatur durch die folgende Gleichung 1 mit
der Turbineneinlasstemperatur in Beziehung steht.
mit T
out =
Turbinenauslasstemperatur, T
in = Turbineneinlasstemperatur, η
t = Turbinenwirkungsgrad, P
r =
Turboeinlassdruck/Turboauslassdruck, 0,252 = (Gamma – 1)/Gamma,
wobei Gamma ~ 1,337 beträgt, und F
c = Korrekturfaktor
zum Korrigieren der Steigung des Endergebnisses.
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Es
ist klar, dass der Turbinenwirkungsgrad ηt durch
eine Polynomanpassung zweiter Ordnung des in 2 dargestellten
Plots (mit der Zwangsbedingung eines Nulldurchgangs) gefunden werden
kann, wobei:
m = Gesamtmassendurchsatz (Luft plus Kraftstoff)
und
alle anderen Parameter wie vorstehend erwähnt definiert
sind.
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Diese
Polynomanpassung zweiter Ordnung wird eine Korrelation für ηt mit der in Gleichung 2 dargestellten Form
erzeugen. ηt =
axx2 + bxx + c(Beachte, dass c = 0
ist)
wobei
x = Massenwert von der Abszisse in 2;
und
alle anderen Parameter wie in Gleichung (1) definiert sind.
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Obwohl ηt nun eine Funktion leicht messbarer Parameter
ist, könnte ηt mit minimalem
Einfluss auf den Algorithmus alternativ auch eine den Wirkungsgrad
der Turbine darstellende feste Konstante sein. Gleichung 2 kann
in Gleichung 1 eingesetzt werden, um die Turbinenauslasstemperatur
als Funktion von "Standard"-Eingaben zu liefern. In der Praxis können
die Kurven durch Ändern des Parameters Fc korrigiert
werden. Die Kurve des mittleren Fehlers nach einer solchen Einstellung
ist in 3 dargestellt.
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Demgemäß wird
der virtuelle Turbinenauslasssensor basierend auf den dargestellten
Turbinenauslasstemperaturanforderungen invertiert und nach der Turbineneinlasstemperatur
aufgelöst. Sobald die gewünschte Turbineneinlasstemperatur
bekannt ist, wird ein im
US-Patent
Nr. 6550464 beschriebener virtueller Turbineneinlasstemperatursensor
verwendet, um die Daten zum Steuern der Motorabgastemperatur bereitzustellen.
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Zum
ausführlicheren Beschreiben dieser Merkmale und ihrer Funktionsweise
wird nun auf das Folgende in Verbindung mit den beigefügten
Figuren verwiesen. Bezugnehmend nunmehr auf 4 ist eine
bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems 10 zum Steuern der Motorabgastemperatur gezeigt.
Das System 10 weist einen Verbrennungsmotor 12 mit
einem damit verbundenen Einlasskrümmer 14 auf.
Ein Einlasskrümmertemperatursensor 16 ist innerhalb
des Krümmers 14 oder in Fluidverbindung damit
angeordnet. Der Sensor 16 ist vorzugsweise ein Temperatursensor
bekannter Konstruktion, der dazu geeignet ist, die Temperatur im
Einlasskrümmer 14 zu erfassen und ein ihr entsprechendes
Einlasskrümmertemperatur(IMT)signal zu erzeugen. Der Krümmer 14 kann
optional einen darin oder in Fluidverbindung damit angeordneten
Einlasskrümmerdrucksensor 18 aufweisen, wobei
der Sensor 16 vorzugsweise einen bekannten Aufbau hat und
dazu geeignet ist, einen Druck innerhalb des Krümmers 14 zu
erfassen und ein ihm entsprechendes Einlasskrümmerdruck(IMP)signal
zu erzeugen.
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Der
Motor 12 weist einen Motordrehzahlsensor 26 auf,
der dazu geeignet ist, die Drehzahl des Motors 12 zu erfassen
und ein ihr entsprechendes Motordrehzahl(ESP)signal zu erzeugen.
Der Sensor 26 hat vorzugsweise einen bekannten Aufbau und
ist gemäß einer Ausführungsform ein Halleffektsensor,
der dazu geeignet ist, den Durchgang einer Anzahl von Zähnen
zu erfassen, die Teil eines Zahn- oder Resolverrades sind. Alternativ
kann der Sensor 26 ein Sensor mit variabler Reluktanz oder
ein anderer bekannter Drehzahlsensor sein, und in jedem Fall ist
der Sensor 26 dazu geeignet, ein die Motordrehzahl anzeigendes
Motordrehzahlsignal zu erzeugen.
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Der
Motor 12 weist ferner ein Kraftstoffsystem 40 auf,
das auf einen oder mehrere endgültige Kraftstoffzufuhrbefehle
(FFC) zum Zuführen von Kraftstoff zum Motor 12 anspricht.
Das Kraftstoffsystem 40 ist vorzugsweise ein elektronisch
gesteuertes Kraftstoffsystem bekannten Aufbaus, dessen Funktionsweise
auf dem Fachgebiet allgemein bekannt ist.
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Eine
zentrale Komponente des Systems 10 ist eine vorzugsweise
mikroprozessorgestützte Steuerschaltung 20, die
allgemein dazu geeignet ist, den Gesamtbetrieb des Motors 12 zu
steuern und zu managen. Die Steuerschaltung 20 weist eine
Speichereinheit 22 sowie mehrere Eingänge und
Ausgänge auf, die dazu vorgesehen sind, mit verschiedenen
mit dem Motor 12 gekoppelten Sensoren und Systemen verbunden
zu werden, wie beispielsweise mit den gerade zuvor beschriebenen.
Die Steuerschaltung 20 kann gemäß einer Ausführungsform
eine bekannte Steuereinheit sein, die manchmal als elektronisches
oder Motorsteuerungsmodul (ECM), elektronische oder Motorsteuerungseinheit
(ECU) oder ähnlich bezeichnet wird, oder kann alternativ
eine beliebige Steuerschaltung sein, die dazu geeignet ist, einen
nachstehend ausführlicher beschriebenen Betrieb auszuführen.
In jedem Fall weist die Steuerschaltung 20 einen Default-
oder Standard-Kraftstoffzufuhrbestimmungsblock 34 auf,
der das Motordrehzahlsignal (ESP) vom Motordrehzahlsensor 26 über
einen Signalpfad 28 sowie mehrere zusätzliche
Eingangssignale 36 empfängt. Der Block 34 spricht
auf das ESP-Signal auf dem Signalpfad 28 sowie auf eines
oder mehrere der zusätzlichen Signale 36 an, um
gemäß auf dem Fachgebiet bekannten Techniken einen
Default- oder Standard-Kraftstoffzufuhrbefehl (DFC) zu berechnen. Der
Standard-Kraftstoffzufuhrbefehl DFC kann ein uneingeschränkter
FFC-Befehl sein, der auf einer beliebigen Anzahl M von Signalpfaden 42 zum
Steuern des Kraftstoffsystems 40 erzeugt wird, wobei M
eine beliebige positive ganze Zahl sein kann. In Verbindung mit
der vorliegenden Erfindung kann der Standard-Kraftstoffzufuhrbestimmungsblock 34 jedoch
alternativ oder zusätzlich einen oder mehrere Kraftstoffbegrenzungsalgorithmen
aufweisen, die dazu geeignet sind, bestimmte Motorbetriebsziele
zu erreichen, wobei der durch den Block 34 erzeugte Standard-Kraftstoffzufuhrbefehl
DFC einen uneingeschränkten Kraftstoffzufuhrbefehl darstellt,
der durch einen oder mehrere solche Kraftstoffbegrenzungsalgorithmen
eingeschränkt worden ist.
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Erfindungsgemäß weist
die Steuerschaltung 20 ferner einen Abgastemperatur-Kraftstoffzufuhrsteuerblock 24 auf,
der das Motordrehzahlsignal (ESP) vom Motordrehzahlsensor 26 über
den Signalpfad 28, das Einlasskrümmertemperatursignal
(IMT) vom Einlasskrümmertemperatursensor 16 über
einen Signalpfad 30, optional das Einlasskrümmerdrucksignal
(IMP) vom Einlasskrümmerdrucksensor 18 über
einen Signalpfad 32 und den Standard-Kraftstoffzufuhrbefehl
(DFC) vom Standard-Kraftstoffzufuhrbestimmungsblock 34 empfängt.
In einem allgemeinen Sinn beinhaltet der Standard-Kraftstoffzufuhrbefehl
(DFC) typischerweise den Einspritzzeitpunkt (SOI) betreffende Zeitinformation
und den Kraftstoffdurchsatz (FF) betreffende Kraftstoffmengeninformation,
so wie diese Begriffe Fachleuten bekannt sind. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist der Standard-Kraftstoffzufuhrbestimmungsblock 34 dazu
geeignet, dem Abgastemperatur-Krafstoffzufuhrsteuerblock 24 den
Standard-Kraftstoffzufuhrbefehl (DFC) zuzuführen, und der
Block 24 ist dazu geeignet, die SOI- und FF-Werte auf eine
auf dem Fachgebiet bekannte Weise aus dem DFC-Befehl zu bestimmen.
Alternativ kann der Standard-Kraftstoffzufuhrbestimmungsblock 34 dazu
geeignet sein, dem Abgastemperatur-Kraftstoffzufuhrsteuerblock 24 die
SOI- und/oder FF-Werte direkt zuzuführen, wobei der Block 24 dazu
geeignet ist, entweder einen dieser Werte oder beide Werte auf eine
nachstehend näher beschriebene Art zu verarbeiten.
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Außer
der durch den Standard-Kraftstoffzufuhrbestimmungsblock 34 zugeführten
Kraftstoffzufuhrinformation, dem Motordrehzahlsignal (ESP), dem
Einlasskrümmertemperatursignal (IMT) und optional dem Einlasskrümmerdrucksignal
(IMP), ist der Abgastemperatur-Kraftstoffzufuhrsteuerblock 24 dazu
geeignet, einen Füllungsmassendurchsatzwert (ECF) zu empfangen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Füllungsmassendurchsatzwert (ECF) durch einen
bekannten Softwarealgorithmus zugeführt, der dazu geeignet
ist, einen Füllungsdurchsatz-Schätzwert basierend
auf bestimmten Motorbetriebsparameterwerten zu berechnen, obwohl
in der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird, dass der
Einlasskrümmer 14 alternativ einen Luftmassensensor
(MAF) 44 bekannter Konstruktion zum Zuführen eines
Füllungsmassendurchsatzwertes zum Block 24 aufweisen
kann, wie gestrichelt dargestellt ist.
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Gemäß 1 weist
der Abgastemperatur-Kraftstoffzufuhrsteuerblock 24 gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Modell zum Schätzen
der Motorabgastemperatur (ETE) auf, wobei der Motorabgastemperatur-Schätzwert
vorzugsweise eine Funktion mindestens des ESP-, des IMT-, des ECF- und
des DFC- (oder des SOI- und des FF-) Wertes und optional des IMP-Wertes
ist. Obwohl das Motorabgastemperaturmodell vorzugsweise in der Form
einer im Block 24 oder in einer Speichereinheit 22 gespeicherten Gleichung
bereitgestellt wird, wird in der vorliegenden Erfindung in Betracht
gezogen, dass das Modell alternativ in der Form einer oder mehrerer
grafischer Darstellungen, Tabellen und/oder durch ähnliche
Daten bereitgestellt wird. In jedem Fall ist der Abgastemperatur-Kraftstoffzufuhrsteuerblock 24 vorzugsweise
dazu geeignet, einen modellgestützten Motorabgastemperatur-Schätzwert
(ETE) zur Verwendung gemäß anderen Aspekten der vorliegenden
Erfindung und/oder zur Verwendung durch andere Algorithmen und/oder
Steuerungsstrategien in der Steuerschaltung 20 zu berechnen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Abgastemperatur-Kraftstoffzufuhrsteuerblock 24 ferner
dazu geeignet, einen Motorabgastemperatursteuerungs-Kraftstoffzufuhrbefehlswert
(FCETL) als Funktion des Motorabgastemperaturschätzmodells
zu berechnen. Der Motorabgastemperatursteuerungs-Kraftstoffzufuhrbefehl
FCETL ist vorzugsweise eine Funktion des Standard-Kraftstoffzufuhrbefehls (DFC),
der durch den Block 24 als Funktion eines aufgeprägten
maximalen Abgastemperaturgrenzwertes (TEL) gemäß dem
erfindungsgemäßen Abgastemperatur-Schätzwertmodell
begrenzt wird, wie nachstehend ausführlicher beschrieben
wird. In jedem Fall werden sowohl der durch den Standard-Kraftstoffzufuhrbestimmungsblock 34 erzeugte
Standard-Kraftstoffzufuhrbefehl (DFC) als auch der Motorabgastemperatursteuerungs-Kraftstoffzufuhrbefehl
FCETL einem MIN-Block 38 zugeführt, der dazu geeignet
ist, als endgültigen Kraftstoffzufuhrbefehl FFC auf dem
Signalpfad 42 einen Minimalwert davon zu erzeugen.
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Bezugnehmend
nunmehr auf 5 ist ein Ablaufdiagramm zum
Darstellen einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Softwarealgorithmus 300 für die geeignete Abgastemperatur
(ETE) zum Steuern von Emissionen gezeigt. Der Algorithmus 300 ist
vorzugsweise im Steuerblock 24 gespeichert und durch die
Steuerschaltung 20 ausführbar, um den Abgastemperatur-Schätzwert
(ETE) zu erzeugen. Der Algorithmus 300 beginnt im Schritt 302,
und im Schritt 304 bestimmt die Steuerschaltung 20 Istwerte
der Motordrehzahl (ESP), der Einlasskrümmertemperatur (IMT)
und Modellkonstanten. Gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Block 24 dazu geeignet,
die Motorabgastemperatur (ETE) gemäß dem Modell: ETE = IMT + Δ + (B·SOI) + C/(ECF/FF)
+ (D·SOI)/ESP + E/[(ESP·ECF)/FF] (3)zu schätzen,
wobei die im Schritt 304 bestimmten Modellkonstanten den
Konstanten A, B, C, D und E in Gleichung (3) entsprechen. Gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt
die Steuerschaltung 20 im Schritt 304 ferner einen
Istwert des Einlasskrümmerdrucks (IMP). In dieser zweiten
Ausführungsform wird im Block 24 die Motorabgastemperatur
(ETE) gemäß dem Modell: ETE = IMT + [(A·ESP) + (B·IMP)
+ (C·SOI) + D)][(LHV·FF)/ECF] (4) geschätzt,
wobei die im Schritt 304 bestimmten Modellkonstanten den
Konstanten A, B, C und D in Gleichung (4) entsprechen. In dieser
Ausführungsform beinhaltet die Gleichung (4) eine zusätzliche
untere Kraftstoffheizwert(LHV)konstante, die eine vom Typ des durch
den Motor 12 verwendeten Kraftstoffs abhängige
bekannte Konstante ist. Unabhängig davon, ob Gleichung
(3) oder (4) verwendet wird, werden die Modellkonstanten A-E von
Gleichung (3) oder A-D von Gleichung (4) vorzugsweise als Ergebnis
einer oder mehrerer bekannter Datenanpassungstechniken erhalten,
die dazu geeignet sind, eine Anpassung zwischen verfügbaren
Arbeits- oder Betriebsdaten und dem jeweiligen Modell zu optimieren.
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In
jedem Fall schreitet der Algorithmus vom Schritt 304 zum
Schritt 306 fort, wo die Steuerschaltung 20 in
jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einen
Füllungsmassendurchsatzwert (ECF) bestimmt. In einer bevorzugten
Ausführungsform wird ECF gemäß einem
bekannten Füllungsdurchsatzschätzalgorithmus erhalten,
wie beispielsweise durch den unter Bezug auf 2 beschriebenen
Algorithmus. Alternativ kann ECF von einem realen Sensor erhalten
werden, wie beispielsweise von dem in 1 durch
gestrichelte Linien dargestellten optionalen Luftdurchsatzsensor 44.
In jedem Fall schreitet der Algorithmus vom Schritt 306 zum
Schritt 308 fort, wo die Steuerschaltung 20 in
jeder der in den Gleichungen (1) und (2) dargestellten Modelle einen
Standard-Kraftstoffzufuhrbefehl (DFC) bestimmt. In einer bevorzugten
Ausführungsform wird DFC durch den Standard-Kraftstoffzufuhrbestimmungsblock 34 bereitgestellt,
und im Block 24 wird daraus der Einspritzzeitpunkt (SOI)
und der Kraftstoffdurchsatz (FF) gemäß bekannten
Techniken bestimmt. Alternativ kann der Standard-Kraftstoffzufuhrbestimmungsblock 34 den
SOI- und den FF-Wert direkt an den Block 24 ausgeben. In
jedem Fall schreitet der Algorithmus vom Schritt 308 zum
Schritt 310 fort, wo der Block 24 einen Schätzwert
der Motorabgastemperatur (ETE) entweder gemäß Gleichung
(1) oder Gleichung (2) berechnet. Daraufhin geht der Algorithmus
vorzugsweise in einer Schleife zum Schritt 304 zurück,
um die Motorabgastemperatur (ETE) kontinuierlich zu bestimmen, er
kann jedoch alternativ vom Schritt 310 zu einer anderen
aufrufenden Routine zurückspringen.
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Die
Abgastemperaturschätzgleichung (1) basiert erfindungsgemäß auf
einem statistischen Sensitivitäts-Ansatz (Statistical Sensitivity
Approach), und wird als für viele Anwendungen ausreichend
genaue Ergebnisse liefernd betrachtet. Die Abgastemperaturschätzgleichung
(2) basiert erfindungsgemäß auf einem Modell, in
dem vorausgesetzt wird, dass ein Teil der Kraftstoffenergie auf
das Motorabgas übertragen wird. Testdaten haben gezeigt,
dass das durch die Gleichung (2) dargestellte Abgastempe raturschätzmodell
exakter, unempfindlicher bezüglich Unsicherheiten und unempfindlicher
bezüglich Alterungseffekten ist als das durch die Gleichung
(1) dargestellte Modell. Nachdem diese Schätzwerte einmal
bekannt sind, können sie durch die vorstehend beschriebenen
Gleichungen 1 und 2 verwendet werden, um die akzeptablen Temperaturbereiche
bereitzustellen.
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Wie
vorstehend erwähnt wurde, sind Eingangssignale des virtuellen
Sensors das Ladungs-Kraftstoff-Verhältnis, die Motordrehzahl,
die Ladungstemperatur, der Ladedruck und der SOI-Wert. Es ist festgestellt worden,
dass die größte Wirkung hinsichtlich einer Modifizierung
der Turbineneinlasstemperatur durch das Ladungs-Kraftstoff-Verhältnis
erzielt wird. Aufgrund der sich ergebenden Drehmomentänderung
ist es unerwünscht, den Kraftstoffdurchsatz zu modifizieren.
Dieser virtuelle Sensor wird daher invertiert und nach dem Füllungsdurchsatz
aufgelöst, der erforderlich ist, um die gewünschte
Turbineneinlasstemperatur zu erhalten, wobei angenommen wird, dass
die anderen Eingangssignale oder -werte auf ihren aktuellen Werten
fixiert bleiben.
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Nachdem
ein Bereich zum Erzielen der gewünschten Turbinenauslasstemperatur
geeigneter Füllungsdurchsätze bestimmt worden
ist, wird der vorhandene Füllungsdurchsatz, der zuvor basierend
auf anderen Systemanforderungen bestimmt worden ist, so begrenzt,
dass er in diesen Bereich fällt. Um den NOx-Wert aufrechtzuerhalten,
während der Turbinenauslasstemperatur-Sollwert erreicht
wird, wird der AGR-Anteil bezüglich des vorangehend bestimmten
erforderlichen Wertes unverändert gelassen, wobei der NOx-Sollwert
für einen vorgegebenen Betriebszustand vorausgesetzt wird.
Optional kann, wenn das Lufthandhabungssystem den AGR-Anteil-Sollwert
nicht erzielen kann, der Einspritzzeitpunkt des Hauptkraftstoffzufuhrvorgangs
im Verbrennungszyklus verzögert oder auf einen späteren
Zeitpunkt verschoben werden, um NOx zu unterdrücken und
zu reduzieren.
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In
einigen Fällen kann ein Turbinenauslasstemperaturgrenzwert
zum Schutz stromabwärtiger Komponenten erforderlich sein.
In diesem Fall wird ein ähnlicher Ansatz verwendet. Der
virtuelle Turbinenauslasssensor wird invertiert, um eine Lösung
für den entsprechenden Turbineneinlasstemperaturgrenzwert
zu erhalten. Dieser Grenzwert wird dann mit dem physikalischen Temperaturgrenzwert
der Turbine verglichen. Die niedrigere der beiden Temperaturen wird
zum Berechnen eines entsprechenden Kraftstoffzufuhrgrenzwertes durch Invertieren
des virtuellen Turbineneinlasssensors verwendet.
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Nachdem
die geeigneten Auslasstemperaturen bestimmt wurden, können
unterschiedliche Verfahren zum Bereitstellen eines Wärmemanagements
verwendet werden. Nachstehend werden Ausführungsformen jedes
dieser Verfahren diskutiert.
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Einlassdrosselungsverfahren
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Hinter dem AGR-Mischer angeordnetes Einlassdrosselventil
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6 zeigt
ein Blockdiagramm eines Motorsystems 400 mit einem hinter
dem AGR-Mischer angeordneten Einlassdrosselventil 406.
Das Motorsystem 400 weist einen Motor 402 und
ein Nachbehandlungssystem 406 auf. Bei dieser Ausführungsform
wird ein dem AGR-Mischer 43 nachgeschaltetes vollautomatisches,
proportionales Einlassdrosselventil 406 zum Steuern des
Füllungsdurchsatzes zum Motorblock 401 und damit
der Turbinenauslasstemperatur zum Entfernen von Ruß aus
dem Nachbehandlungssystem 404 verwendet.
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Hinter dem Ladeluftkühler (CAC)
angeordnetes Einlassdrosselventil
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7 zeigt
ein Blockdiagramm eines Motors 400' mit einem hinter dem
Ladeluftkühler (CAC) angeordneten Einlassdrosselventil 502.
Bei dieser Ausführungsform vermindert ein dem Ladeluftkühler 500 nachgeschaltetes
vollautomatisches, proportionales Einlassdrosselventil 506 den
Füllungsdurchsatz und damit die Turbinenauslasstemperatur.
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Auslassdrosselungsverfahren
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Hinter der Turbine angeordnetes proportionales
Auslassdrosselventil
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8 zeigt
ein Blockdiagramm eines Motors 400'' mit einem hinter der
Turbine angeordneten Auslassdrosselventil 606. Bei dieser
Ausführungsform wird ein der Turbine nachgeschaltetes vollautomatisches, proportionales
Auslassdrosselventil 606 zum Modulieren des Füllungsdurchsatzes
und damit der Turbinenauslasstemperatur verwendet.
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Hinter dem Auslasskrümmer
angeordnetes Drosselventil
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9 zeigt
ein Blockdiagramm eines Motors 400'' mit einem dem Auslasskrümmer
nachgeschalteten Drosselventil 706.
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Dieses
System verwendet ein zwischen dem Auslasskrümmer und der
Turbine angeordnetes Auslassdrosselventil 706 zum Steuern
des Füllungsdurchsatzes und damit der Turbinenauslasstemperatur,
um zu ermöglichen, dass Ruß aus dem Nachbehandlungssystem 404 entfernt
wird.
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10 zeigt
ein Blockdiagramm eines Motors 400'''', der ein Wastegate
mit einer VGT-Turbine 806 (Turbine mit verstellbarer Geometrie)
aufweist.
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Bei
dieser Ausführungsform ermöglicht ein vollautomatisches
Wastegate-Stellglied 806 die Modulation des Füllungsdurchsatzes,
während gleichzeitig heißere Abgase direkt um
die Turbine herumgeleitet werden, um die Abgastemperatur zu erhöhen
und den Auslasskrümmerdruck zu modulieren.
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Diese
Verfahren können somit einzeln oder in Kombination mit
den vorstehend beschriebenen virtuellen Temperatursensoren verwendet
werden, um ein Wärmemanagement basierend auf dem Bereich
gewünschter Abgastemperaturen bereitzustellen. Durch Ändern
des Füllungsdurchsatzes kann für das Nachbehandlungssystem
ein Bereich von Temperaturen bereitgestellt werden, der es ermöglicht,
in den Filtermedien abgelagerten Ruß abzubrennen. Dadurch
kann das Nachbehandlungssystem periodisch regeneriert werden, um
die Menge von aus dem System ausgetragenen Partikeln so zu vermindern,
dass gesetzliche Anforderungen erfüllt werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die dargestellten Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist für Fachleute ersichtlich,
dass innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung Änderungen
in den Ausführungsformen vorgenommen werden können.
Daher können durch Fachleute innerhalb des durch die beigefügten
Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden
Erfindung zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden.
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Zusammenfassung
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Verfahren zum Steuern von
Turbinenauslasstemperaturen in einem Dieselmotor
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Es
werden ein Verfahren und ein System zum Steuern einer Abgastemperatur
eines Verbrennungsmotors offenbart. Das Verfahren und das System
beinhalten das Bestimmen eines Bereichs zulässiger Füllungsdurchsätze
im Verbrennungsmotor derart, dass eine gewünschte Abgastemperatur
erhalten wird. Das Verfahren und das System beinhalten ferner das
Steuern der Füllungsdurchsätze derart, dass sie
in den Bereich fallen. Es werden Steuerstrategien zum Nutzen des
Füllungsdurchsatzes als Parameter zum Steuern der Turbinenauslasstemperatur
offenbart. Diese Strategien beinhalten die Umkehrung des virtuellen
Zylinderauslasstemperatursensors sowie eines neuartigen virtuellen
Turbinenauslasstemperatursensors zum Bestimmen des Füllungsdurchsatzes,
der zum Erzielen der gewünschten Turbinenauslasstemperatur
erforderlich ist, wenn der aktuelle Turbineneinlass- und -auslassdruck,
der SOI-Wert, der Ladedruck, die Ladungstemperatur, die Kraftstoffzufuhrmenge
und die Motordrehzahl gegeben sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6550464 [0022, 0026]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - "System for
Controlling Engine Exhaust Temperature", erteilt am 22. April 2003 [0022]
