DE112007003168T5

DE112007003168T5 - Abgasrückführungssystem

Info

Publication number: DE112007003168T5
Application number: DE112007003168T
Authority: DE
Inventors: Kevin Washington Dea; James Dunlap Durand; Evan Peoria Jacobson
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-11-26
Also published as: WO2008085274A3; US20080162018A1; US20080271450A1; US7469692B2; WO2008085274A2; US7979196B2

Abstract

Antriebssystem (17), mit
einem Abgas erzeugenden Motor (18),
einem Abgassystem (20), das zum Leiten von durch den Motor erzeugten Abgasen weg von dem Motor ausgebildet ist,
einem Abgasrückführungssystem (22) enthaltend
einen Abgasrückführungs-Strömungsweg (42),
ein Luftansaugsystem (38) des Motors, wobei der Abgasrückführungs-Strömungsweg dazu ausgebildet ist, einen Teil der durch den Motor erzeugten Abgase zurück zu dem Luftansaugsystem zu leiten, und
ein Abgasrückführungsventil (52), das zum Regulieren des Abgasstroms durch den Abgasrückführungs-Strömungsweg ausgebildet ist,
einem Überwachungssystem (56), das zum Überwachen von Betriebsparametern von mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems ausgebildet ist, und
einer Steuerung (24), die ausgebildet ist zum
Bestimmen eines Maximalwertes der Strömungsrate für jede der mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems basierend auf den überwachten Betriebsparametern, wobei jeder der Maximalwerte der Strömungsrate die maximale Abgasrückführungs-Strömungsrate darstellt, die benutzt werden kann, ohne dass eine vorbestimmte Betriebsgrenze der überwachten Komponente, der der jeweilige Maximalwert der...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Abgasrückführungs(engl.: exhaust gas recirculation, EGR) System gerichtet, und insbesondere auf ein EGR-System, das EGR-Strömungsraten verwendet, die basierend auf den Betriebsgrenzen anderer, durch die EGR-Strömungsrate beeinflusster Komponenten bestimmt werden.
Hintergrund
EGR-Systeme werden von Verbrennungsmotoren verwendet, um zur Reduzierung verschiedener Motoremissionen beizutragen. Ein typisches EGR-System kann eine Leitung oder einen anderen Aufbau enthalten, die einen Teil des Abgaswegs eines Motors mit einem Teil des Luftansaugsystems des Motors fluidmäßig verbinden, um dadurch einen EGR-Weg auszubilden. Unterschiedliche Mengen einer Abgasrückführung können unter unterschiedlichen Motorbetriebsbedingungen erwünscht sein. Zum Regulieren der Menge einer Abgasrückführung setzen solche Systeme typischerweise ein EGR-Ventil ein, das an einer Stelle des EGR-Wegs angeordnet ist.
Es wurden Systeme zum Steuern des EGR-Stroms durch Regulieren der Menge an bei verschiedenen Betriebsbedingungen zurückgeführten Abgasen entwickelt, z. B. durch Steuern der Position eines EGR-Ventils. Einige Systeme beinhalten einen Aktor zum Öffnen und Schließen des EGR-Ventils, wobei der Aktor durch eine softwareimplementierte Steuerlogik gesteuert wird. Abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors kann die Steuerlogik das EGR-Ventil positionieren, so dass es die Rückführung verschiedener Mengen an Abgasen erlaubt.
Wenngleich größere Mengen einer Abgasrückführung (d. h. höhere EGR-Strömungsraten) unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen Emissionen reduzieren können, können durch die EGR-Strömungsrate verschiedene Komponenten beeinflusst werden und somit über ihre Betriebsgrenzen hinaus beansprucht werden, wenn die EGR-Strömungsraten zu hoch werden. Beispielhafte Komponenten und/oder Motorbetriebsparameter, die durch die EGR-Strömungsrate beeinflusst werden können, können Turbolader, die Motortemperatur, die Abgastemperatur, den Abgasdruck, katalytische Konverter, Partikelfallen, Luft-Luft-Nachkühler (engl.: air-to-air after coolers, ATAAC), EGR-Kühler, etc. beinhalten. Zusätzlich kann bei höheren EGR-Strömungsraten die Kondensation von Gasen in dem Luftansaugpfad des Motors ebenfalls problematisch werden.
Es wurden EGR-Systeme entwickelt, die dazu ausgebildet sind, eine oder mehrere Betriebsbedingungen von Motoren zu überwachen und die Menge einer Abgasrückführung basierend auf diesen überwachten Bedingungen zu variieren. Beispielsweise offenbart das für Yang et al. erteilte US-Patent mit der Nr. 6,868,824 (”das Patent '824 ”) ein System, das dazu ausgebildet ist, die EGR-Strömungsrate basierend auf Parametern wie dem Abgasdruck, der Abgastemperatur und der Turbodrehzahl zu steuern. Das System des Patents '824 steuert jedoch die EGR-Strömungsrate nicht basierend auf überwachten Betriebsparametern, die sich auf das EGR-System selbst beziehen, beispielsweise die Einlasstemperatur eines Luft-Luft-Nachkühlers (ATAAC), die Einlasstemperatur eines EGR-Kühlers oder die Kondensationsmenge von Gasen in dem Luftansaugpfad des Motors. Daher wird keine dieser Komponenten direkt durch das EGR-Steuersystem geschützt. Auch wenn unter bestimmten Umständen das Begrenzen der EGR-Strömungsrate basierend auf anderen Parameter eine oder mehrere dieser Komponenten schützen kann, ohne dass die Betriebsparameter der EGR-Systemkomponenten direkt überwacht werden, besteht die Möglichkeit, dass diese Komponenten ohne eine Detektion über ihre Betriebsgrenzen hinaus beansprucht werden. Ferner bestimmt das System des Patents '824 keine maximalen EGR-Strömungsraten für jede der überwachten Komponenten unter verschiedenen Betriebsbedingungen und steuert die EGR-Strömungsrate nicht, um ein Überschreiten der niedrigsten der bestimmten maximalen EGR-Strömungsraten zu verhindern.
Die vorliegende Offenbarung ist auf die Lösung eines oder mehrerer der vorher erörterten Probleme gerichtet.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Antriebssystem gerichtet. Das Antriebssystem kann einen Abgas erzeugenden Motor, ein zum Leiten der durch den Motor erzeugten Abgase weg von dem Motor ausgebildetes Abgassystem und ein Abgasrückführungssystem enthalten. Das Abgasrückführungssystem kann einen Abgasrückführungs-Strömungsweg und ein Luftansaugsystem des Motors enthalten, wobei der Abgasrückführungs-Strömungsweg zum Leiten eines Teils der durch den Motor erzeugten Abgase zurück zu dem Luftansaugsystem ausgebildet ist. Das Abgasrückführungssystem kann ferner ein Abgasrückführungsventil enthalten, das dazu ausgebildet ist, den Abgasstrom durch den Abgasrückführungs-Strömungsweg zu regulieren. Das Antriebssystem kann ferner eine Steuerung und ein zum Überwachen von Betriebsparametern von mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems ausgebildetes Überwachungssystem enthalten. Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, basierend auf den überwachten Betriebsparametern für jede der mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems einen Maximalwert der Strömungsrate zu bestimmen. Jeder der Maximalwerte der Strömungsrate kann die maximale Abgasrückführungsrate darstellen, die benutzt werden kann, ohne dass eine vorbestimmte Betriebsgrenze der überwachten Komponente überschritten wird, der der jeweilige Maximalwert der Strömungsrate zugeordnet ist. Die Steuerung kann ferner dazu ausgebildet sein, das Abgasrückführungsventil basierend auf den bestimmten Maximalwerten der Strömungsrate zu steuern, um eine Abgasrückführungs-Strömungsrate zu erhalten, die nicht größer ist als der niedrigste der ermittelten Maximalwerte der Strömungsrate.
Gemäß einem anderen Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein beispielhaftes Verfahren zur Abgasrückführung gerichtet. Das Verfahren kann Leiten von durch einen Motor erzeugten Abgasen weg von dem Motor unter Verwendung eines Abgassystems beinhalten. Der Motor kann Teil eines Antriebssystems sein, das den Motor, das Abgassystem und ein EGR-System enthält. Das EGR-System kann einen Abgasrückführungs-Strömungsweg, ein Luftansaugsystem des Motors, wobei der Abgasrückführungs-Strömungsweg dazu ausgebildet ist, einen Teil der durch den Motor erzeugten Abgase zurück zu dem Luftansaugsystem zu leiten, und ein Abgasrückführungsventil enthalten, das dazu ausgebildet ist, den Abgasstrom durch den Abgasrückführungs-Strömungsweg zu regulieren. Das Antriebssystem kann ferner ein Überwachungssystem und eine Steuerung enthalten. Das Verfahren kann ferner Zurückführen eines Teils der durch den Motor erzeugten Abgase zurück zu dem Luftansaugsystem über den Abgasrückführungs-Strömungsweg unter Verwendung des Abgasrückführungssystems beinhalten. Zusätzlich kann das Verfahren Regulieren des Abgasstroms durch den Abgasrückführungs-Strömungsweg unter Verwendung des Abgasrückführungsventils beinhalten. Das Verfahren kann ferner Überwachen von Betriebsparametern von mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems unter Verwendung des Überwachungssystems beinhalten. Das Verfahren kann ferner Bestimmen eines Maximalwertes der Strömungsrate für jede der mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems basierend auf den überwachten Betriebsparametern unter Verwendung der Steuerung beinhalten. Jeder der Maximalwerte der Strömungsrate kann die maximale Abgasrückführungsströmungsrate darstellen, die benutzt werden kann, ohne dass eine vorbestimmte Betriebsgrenze der überwachten Komponente überschritten wird, der der jeweilige Maximalwert der Strömungsrate zugeordnet ist. Das Verfahren kann ferner Steuern des Abgasrückführungsventils basierend auf den bestimmten Maximalwerten der Strömungsrate unter Verwendung der Steuerung beinhalten, um eine Abgasrückführungs-Strömungsrate zu erhalten, die nicht größer ist als der niedrigste der bestimmten Maximalwerte der Strömungsrate.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Maschine, die ein Antriebssystem gemäß einer beispielhaft offenbarten Ausführungsform enthält.
2 ist eine schematische Darstellung eines Antriebssystems gemäß einer beispielhaft offenbarten Ausführungsform.
3 ist eine schematische Darstellung eines Überwachungssystems einer beispielhaft offenbarten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung
Nun wird im Detail auf beispielhafte Ausführungsformen und Darstellungen Bezug genommen. Wenn möglich, werden in den Zeichnungen dieselben Bezugszahlen verwendet, um auf dieselben oder gleiche Teile Bezug zu nehmen. Auch wenn besondere Konfigurationen und Anordnungen erörtert werden, versteht sich von selbst, dass dies lediglich zu Zwecken der Veranschaulichung geschieht.
1 stellt eine Maschine 10 dar, die einen Rahmen 12, eine Bedienerstation 14, eine oder mehrere Traktionsvorrichtungen 16 und ein Antriebs- bzw. Leistungsversorgungssystem 17 enthält, das einen Motor 18 und ein Abgassystem 20 enthalten kann, welches ein Abgasrückführungssystem (EGR-System) 22 enthalten kann. Obwohl die Maschine 10 als ein Lastwagen gezeigt ist, könnte die Maschine 10 ein beliebiger Typ einer mobilen oder stationären Maschine mit einem Abgas erzeugenden Motor sein. Im Falle einer mobilen Maschine können die Traktionsvorrichtungen 16 ein beliebiger Typ von Traktionsvorrichtungen sein, beispielsweise Räder, wie in 1 gezeigt, Ketten, Riemen oder Kombinationen derselben.
Der Motor 18 kann mit dem Rahmen 12 verbunden sein und eine beliebige Art eines Motors enthalten, der einen Abgasstrom von Abgasen erzeugt. Der Motor 18 kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor wie ein Benzinmotor, ein Dieselmotor, ein Motor, der einen gasförmigen Kraftstoff verbrennt, oder ein beliebiger anderer, abgaserzeugender Motor sein. Der Motor 18 kann ein Saugmotor sein, oder, bei anderen Ausführungsformen, eine Aufladung (z. B. Turboladung oder Hochaufladung) benutzen.
Das Antriebssystem 17 kann eine Steuerung 24 enthalten. Die Steuerung 24 kann irgendeine Einrichtung zum Empfangen von Informationen, die Maschinenbetriebsparameter betreffen, und/oder Überwachen, Aufzeichnen, Speichern, Indizieren, Verarbeiten und/oder Weitergeben solcher Informationen enthalten. Diese Einrichtung kann Komponenten wie beispielsweise einen Speicher, eine oder mehrere Datenspeichervorrichtungen, eine Hauptprozessoreinheit und/oder irgendwelche anderen Komponenten enthalten, die dazu benutzt werden können, eine Anwendung laufen zu lassen.
Wenngleich Aspekte der folgenden Offenbarung allgemein als in einem Speicher gespeichert beschrieben sein können, ist für einen Fachmann offensichtlich, dass diese Aspekte auf verschiedenen Typen von Computerprogrammerzeugnissen oder computerlesbaren Medien wie Computerchips und sekundären Speichervorrichtungen, einschließlich Festplatten, Disketten, optischer Medien, einer CD-ROM und/oder anderer Formen eines RAM oder eines ROM, gespeichert sein können. Verschiedene andere bekannte Schaltungen können der Steuerung 24 zugeordnet sein, beispielsweise ein Leistungsversorgungsschaltkreis, ein Signalverarbeitungsschaltkreis, ein Spulenansteuerungsschaltkreis, ein Kommunikationsschaltkreis und andere geeignete Schaltkreise.
Die Steuerung 24 kann dazu ausgebildet sein, mehrere Verarbeitungs- und Steuerfunktionen durchzuführen. Beispielsweise kann die Steuerung 24 bei einigen Ausführungsformen zur Motorsteuerung ausgebildet sein (z. B. kann die Steuerung 24 ein Motorsteuerungsmodul, auch bekannt als ein ECM, enthalten). Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 24 zum Überwachen/Berechnen verschiedener, auf die Abgabe von Abgas und die Nachbehandlung desselben bezogener Parameter ausgebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Maschine 10 mehrere Steuerungen enthalten (eine nicht gezeigte Konfiguration), wobei jede dazu vorgesehen ist, eine oder mehrere dieser oder anderer Funktionen durchzuführen. Solche mehreren Steuerungen können ausgebildet sein, um miteinander in Verbindung zu stehen.
Das Abgassystem 20 kann eine Abgasleitung 26 und eine oder mehrere Nachbehandlungsvorrichtungen 28 enthalten. Die Nachbehandlungsvorrichtungen 28 können eine katalysatorbasierte Vorrichtung 30 (z. B. einen katalytischen Konverter) enthalten. Die katalysatorbasierte Vorrichtung 30 kann einen Katalysator 32 enthalten, der dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere gasförmige Bestandteile des durch den Motor 18 erzeugten Abgasstroms in ein umweltfreundlicheres Gas und/oder eine umweltfreundlichere Verbindung umzuwandeln (z. B. durch Oxidation oder Reduktion), damit diese in die Atmosphäre entladen werden können. Beispielsweise kann der Katalysator 32 dazu ausgebildet sein, mindestens eine Komponente des Abgasstroms chemisch zu verändern. Die katalysatorbasierte Vorrichtung 30 kann für einen oder mehrere verschiedene Typen einer Umwandlung ausgebildet sein, beispielsweise eine selektive katalytische Reduktion (SCR), eine Dieseloxidation (z. B. ein Dieseloxidationskatalysator, DOC) und/oder eine Adsorption von Stickoxiden (NO_x; z. B. ein NO_x-Adsorber).
Die Nachbehandlungsvorrichtungen 28 können ebenfalls eine Partikelfalle 34 enthalten. Die Partikelfalle 34 kann einen beliebigen Typ einer Nachbehandlungsvorrichtung enthalten, die dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Typen von Partikeln wie Ruß und/oder Asche aus einem Abgasstrom des Motors 18 zu entfernen. Die Partikelfalle 34 kann ein Filtermedium 36 enthalten, das zum Einfangen von Partikeln ausgebildet ist, wenn das Abgas durch dasselbe strömt. Das Filtermedium 36 kann aus einem geflechtartigen Material, einem porösen Keramikmaterial (z. B. Cordierit) oder einem beliebigen anderen Material und/oder einer beliebigen anderen Konfiguration bestehen, die zum Einfangen von Partikeln geeignet sind.
Bei einigen Ausführungsformen können die Nachbehandlungsvorrichtungen 28 Kombinationen dieser Vorrichtungstypen enthalten. Beispielsweise können die Nachbehandlungsvorrichtungen 28 eine oder mehrere katalytische Partikelfallen enthalten (nicht gezeigt), die ein katalytisches Material enthalten können, das in das Filtermedium 36 integriert ist. Der Katalysator 32 kann beispielsweise in dem Filtermedium 36 verpackt sein, auf dasselbe aufgebracht oder demselben anderweitig zugeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Filtermedium 36 selbst ein katalytisches Material sein. Zusätzlich kann das Abgassystem 20, obwohl das Abgassystem 20 mit einer einzigen katalysatorbasierten Vorrichtung 30 und einer einzigen Partikelfalle 34 gezeigt ist, jeweils mehr als eine derselben enthalten. Bei anderen Ausführungsformen kann das Abgassystem 20 mehr als eine katalytische Partikelfalle enthalten. Solche mehreren Nachbehandlungsvorrichtungen und/oder mehreren Sätze von Nachbehandlungsvorrichtungen können in Reihe (z. B. entlang der Abgasleitung 26) oder parallel (z. B. bei dualen Abgasleitungen, einer Ausführungsform, die nicht gezeigt ist) positioniert sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die katalysatorbasierte Vorrichtung 30 stromabwärts der Partikelfalle 34 positioniert sein, wie in 1 gezeigt. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen kann die katalysatorbasierte Vorrichtung 30 stromaufwärts der Partikelfalle 34 positioniert sein. Andere Ausführungsformen können Katalysatoren enthalten, die sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Partikelfalle 34 positioniert sind.
Das Abgassystem 20 kann dazu ausgebildet sein, durch den Motor 18 erzeugte Abgase über die Abgasleitung 26, die dazu ausgebildet sein kann, den Abgasstrom von dem Motor 18 zu der Partikelfalle 34 zu leiten, weg von dem Motor 18 zu der katalysatorbasierten Vorrichtung 30 zu leiten und schließlich den Abgasstrom in die Atmosphäre auszulassen. Es sei bemerkt, dass 1 nicht die relativen Größen und Proportionen der Maschine 10 oder der Komponenten des EGR-Systems 22 genau darstellen soll. Zum Beispiel können sich die katalysatorbasierte Vorrichtung 30 und/oder die Partikelfalle 34 wesentlich näher an dem Motor 18 befinden, als in 1 dargestellt ist. Zusätzlich können die katalysatorbasierte Vorrichtung 30 und/oder die Partikelfalle 34 im Vergleich zu dem Motor 18 wesentlich kleiner sein, als in 1 dargestellt ist.
2 stellt das Antriebssystem 17 und Teilsysteme desselben genauer dar. Obwohl 2 eine bestimmte Konfiguration des EGR-Systems 22 darstellt, kann die Positionierung der Komponenten des EGR-Systems 22 relativ zueinander von der in 2 abgebildeten abweichen. Das EGR-System 22 kann ein Luftansaugsystem 38 des Motors 18 enthalten. Das Luftansaugsystem 38 kann einen Ansaugpfad 40 enthalten. Das EGR-System 22 kann einen Abgasrückführungs-Strömungsweg (EGR-Strömungsweg) 42 enthalten, der dazu ausgebildet ist, einen Teil der Abgase von der Abgasleitung 26 zurück zu dem Motor 18 zu leiten. Der EGR-Strömungsweg 42 kann eine EGR-Leitung 44 und Teile des Luftansaugpfads 40 enthalten.
Das Luftansaugsystem 38 kann ferner einen Luft-Luft-Nachkühler (ATAAC) 46 enthalten. Der ATAAC 46 kann dazu ausgebildet sein, Luft in dem Luftansaugsystem 38 vor der Einleitung in den Motor 18 zu kühlen. Der ATAAC 46 kann an einer beliebigen Stelle entlang des Ansaugpfads 44 stromabwärts von einer Verdichtereinheit 48 für eine Aufladung positioniert sein. Auch wenn 2 die Verdichtereinheit 48 als Teil eines Turboladers zeigt, könnte das Antriebssystem alternativ einen Hochauflader enthalten. Bei anderen Ausführungsformen könnte der Motor 18 ein Saugmotor sein, und in diesem Fall würde das Antriebssystem 17 keine Verdichtereinheit für eine Aufladung enthalten.
Das EGR-System 22 kann einen Abgasrückführungskühler (EGR-Kühler) 50 enthalten. Der EGR-Kühler 50 kann an einer beliebigen Stelle entlang des EGR-Strömungswegs 42 positioniert und dazu ausgebildet sein, durch denselben strömende Abgase zu kühlen. Das EGR-System 22 kann ferner ein Abgasrückführungsventil (EGR-Ventil) 52 enthalten, das dazu ausgebildet ist, den Abgasstrom durch den EGR-Strömungsweg 42 zu regulieren. Das EGR-Ventil 52 kann ein beliebiger Typ eines zum Öffnen oder Verschließen des EGR-Strömungswegs 42 ausgebildeten Ventils sein, derart, dass die Position des EGR-Ventils 52 (die Ventilposition) die Strömungsrate durch den EGR-Strömungsweg 42 (die EGR-Strömungsrate) bestimmt. Das EGR-Ventil 52 kann ein Klappenventil (z. B. ein Schmetterlingsventil eines Drosseltyps) oder einen anderen geeigneten Ventiltyp enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann das EGR-Ventil 52 durch eine Servosteuerung oder eine andere geeignete Betätigungseinrichtung betrieben werden. Wenngleich das EGR-Ventil 52 an der EGR-Leitung 44 gezeigt ist, kann es sich bei einigen Ausführungsformen an der Einmündung der EGR-Leitung 44 in den Luftansaugpfad 40 befinden. Bei einigen Ausführungsformen kann das EGR-Ventil 52 zum Erlauben variierender EGR-Strömungsraten und/oder selektiven vollständigen Absperren des EGR-Stroms gesteuert werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann der EGR-Strömungsweg 42 dazu ausgebildet sein, einen Teil der Abgase an einer Stelle stromaufwärts von einer oder beiden Nachbehandlungsvorrichtungen 28 von dem Abgassystem 20 wegzuleiten. Es sei jedoch bemerkt, das es vorteilhaft sein kann, die Abgase an einer Stelle stromabwärts von einer oder beiden Nachbehandlungsvorrichtungen 28 von dem Abgassystem 20 wegzuleiten, wie in 1 gezeigt, da solche Gase reiner sind als unbehandelte Gase stromaufwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 28. Diese reineren Gase können verschiedene Komponenten des EGR-Systems 22 (z. B. den ATAAC 46, die Verdichtereinheit 48, den EGR-Kühler 50, das EGR-Ventil 52, (nicht gezeigte) Zwischenkühler, etc.) und/oder verschiedene Komponenten des Motors 18 (z. B. interne Komponenten des Motors) potenziell weniger leicht beschädigen oder anderweitig Probleme mit denselben verursachen.
Andere Faktoren wie die Motordrehzahl, der Turboladedruck, etc. können die EGR-Strömungsrate ebenfalls beeinflussen. Das EGR-System 22 kann dazu ausgebildet sein, die EGR-Strömungsrate trotz dieser anderen Beeinflussungsfaktoren zu steuern. Beispielsweise kann das EGR-System 22 eine Abgasrückführungs-Strömungsdetektionsvorrichtung (EGR-Strömungsdetektionsvorrichtung) 54 enthalten, die dazu ausgebildet ist, die EGR-Strömungsrate zu bestimmen. Während des Betriebs kann das EGR-Ventil 52 zumindest teilweise basierend auf durch die Strömungsdetektionsvorrichtung 54 durchgeführten Messungen der EGR-Strömungsrate gesteuert werden.
Die Strömungsdetektionsvorrichtung 54 kann einen beliebigen Typ einer Vorrichtung enthalten, die dazu ausgebildet ist, den Gasstrom in dem EGR-Strömungsweg 42 zu messen. Die Strömungsdetektionsvorrichtung 54 kann beispielsweise einen Masseströmungssensor oder eine andere geeignete Strömungsdetektionsvorrichtung enthalten.
Wie in 3 dargestellt, kann das Antriebssystem 17 ein Überwachungssystem 56 enthalten, das zum Überwachen von Betriebsparametern von mindestens 2 Komponenten des Abgasrückführungssystems 38 ausgebildet ist (die Komponenten des Überwachungssystems 56 sind ebenfalls in 2 abgebildet). Das Überwachungssystem 56 kann dazu ausgebildet sein, Parameter wie die thermische Last an dem EGR-Kühler 50, die Einlasstemperatur des ATAAC 46 und/oder die Menge der Kondensation von Gasen in dem EGR-Strömungsweg 42 zu überwachen. Alternativ oder zusätzlich kann das Überwachungssystem 56 dazu ausgebildet sein, einen oder mehrere andere Betriebsparameter des Antriebssystems 17 zu überwachen.
Das Überwachungssystem 56 kann Daten in Bezug auf die überwachten Komponenten in „Echtzeit” sammeln. Im Rahmen dieser Offenbarung soll sich der Ausdruck „Echtzeit” auf die sofortige oder im Wesentlichen sofortige Verfügbarkeit von Daten für ein Informationssystem beziehen, wenn eine Transaktion oder ein Ereignis stattfindet. D. h., Daten können so schnell zur Analyse angefordert und verfügbar gemacht werden, wie sie von den Datensammlungsvorrichtungen zu der Steuerung 24 übertragen werden können. Solche Übertragungen können praktisch augenblicklich stattfinden oder ein paar Sekunden oder Minuten benötigen, bis sie abgeschlossen sind. Solch ein Überwachen kann die Steuerung 24 in die Lage versetzen, auf eine präzise Weise zu antworten, um Betriebsparameter innerhalb vorbestimmter Grenzen und/oder gewünschter Spezifikationen aufrechtzuerhalten.
Bei einigen Ausführungsformen können einer oder mehrere der überwachten Betriebsparameter indirekt bestimmt werden, basierend auf Messungen anderer Betriebsparameter des Antriebssystems 17. Beispielsweise können bei einigen Ausführungsformen Temperaturen, Drücke, eine Kondensation, etc. an verschiedenen Stellen des Abgassystems und/oder des EGR-Systems 22 indirekt bestimmt werden, beispielsweise durch eine thermodynamische Modellierung unter Verwendung von Daten, die in Bezug auf andere Betriebsparameter des Antriebssystems 17 gesammelt wurden. Solch eine Modellierung kann als ein „virtueller Sensor” bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich können bei einigen Ausführungsformen einer oder mehrere der überwachten Betriebsparameter direkt gemessen werden, z. B. unter Verwendung eines realen Temperatur-, Druck- oder Feuchtigkeitssensors.
Das Überwachungssystem 56 kann dazu ausgebildet sein, die thermische Last an dem EGR-Kühler 50 abzuschätzen. Im Rahmen dieser Offenbarung ist die thermische Last als eine Abschätzung der Menge an durch die Abgasrückführung beförderter thermischer Energie relativ zu der Kühlkapazität des Abgasrückführungskühlers definiert. Die thermische Last kann beispielsweise eine Abschätzung der Wärmemenge beinhalten, die durch die durch den EGR-Kühler 50 fließenden Abgase befördert wird (die basierend auf der Temperatur, dem Druck, der Zusammensetzung und der Strömungsrate von Gasen in der EGR-Leitung 44 bestimmt werden können), relativ zu der Kühlkapazität des Kühlmittels, das durch den EGR-Kühler 50 fließt (die basierend auf der Temperatur, der Zusammensetzung und der Strömungsrate eines solchen Kühlmittels durch den EGR-Kühler 50 bestimmt werden kann).
Das Überwachungssystem 56 kann einen EGR-Kühler-Temperatursensor 58 enthalten, der Teil des EGR-Kühlers 50 sein kann oder benachbart zu demselben angeordnet sein kann, wie in 2 gezeigt. Bei einigen Ausführungsformen kann sich der Temperatursensor 58 in unmittelbarer Nähe zu der Strömungsdetektionsvorrichtung 54 befinden. Bei anderen Ausführungsformen kann der Temperatursensor 58 ein virtueller Sensor sein, wie vorher beschrieben.
Das Überwachungssystem 56 kann ferner einen ATAAC-Einlasstemperatursensor 60 enthalten, der zum Messen der ATAAC-Einlasstemperatur ausgebildet ist. Bei einer Ausführungsform kann der ATAAC-Einlasstemperatursensor 60 Teil des ATAAC 46 sein (eine nicht gezeigte Ausführungsform). Alternativ kann der ATAAC-Einlasstemperatursensor 60 etwas stromaufwärts des ATAAC 46 positioniert sein, wie in 2 gezeigt, oder an irgendeiner anderen Stelle, die dazu geeignet ist, die Messung der ATAAC-Einlasstemperatur zu ermöglichen. Bei anderen Ausführungsformen kann der ATAAC-Einlasstemperatursensor 60 ein virtueller Sensor sein.
Das EGR-System 22 kann ferner einen Kondensationssensor 62 enthalten, der dazu ausgebildet ist, die Menge einer Kondensation in dem EGR-Strömungsweg 42 zu messen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Kondensation in dem Ansaugpfad 40 überwacht werden. Wenngleich der Kondensationssensor 62 näher an dem Motor 18 als der ATAAC 46 und andere Komponenten des Ansaugsystems 38 gezeigt ist, kann der Kondensationssensor 62 an irgendeiner anderen Stelle entlang des EGR-Strömungswegs 42 positioniert sein. Bei anderen Ausführungsformen kann der Kondensationssensor 62 ein virtueller Sensor sein.
Der Betrieb des EGR-Ventils 52 kann durch die Steuerung 24 gesteuert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 24 dazu ausgebildet sein, das EGR-Ventil 52 zu steuern, um eine Beschädigung von Komponenten des Antriebssystems 17, beispielsweise des EGR-Kühlers 50, des ATAAC 46, des Luftansaugsystems 38, etc., zu verhindern. Bei einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 24 dazu ausgebildet sein, basierend auf den überwachten Betriebsparametern für jede der mindestens zwei überwachten Komponenten des EGR-Systems 22 einen Maximalwert der Strömungsrate zu bestimmen. Die Bestimmung des Maximalwertes der Strömungsrate für jede der Komponenten des EGR-Systems 22 kann andere Betriebsbedingungen des Antriebssystems wie eine Motordrehzahl, eine Kühlmitteltemperatur, eine Abgastemperatur, etc. berücksichtigen. Die Steuerung 24 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, für jede Komponente einen Maximalwert der EGR-Strömungsrate für einen gegebenen Satz von Betriebsbedingungen des Antriebssystems 17 zu bestimmen. Jeder der bestimmten Maximalwerte der Strömungsrate kann die maximale EGR-Strömungsrate darstellen, die unter den gegebenen Betriebsbedingungen des Antriebssystems benutzt werden kann, ohne dass eine vorbestimmte Betriebsgrenze der überwachten Komponente, der der jeweilige Maximalwert der Strömungsrate zugeordnet ist, überschritten wird. Beispielsweise kann die Steuerung 24 dazu ausgebildet sein, die maximale EGR-Strömungsrate zu bestimmen, die für eine gegebene Motordrehzahl, eine gegebene Kühlmitteltemperatur und/oder eine gegebene Abgastemperatur verwendet werden könnte, ohne in einer thermischen Last zu resultieren, die die Betriebsgrenzen des EGR-Kühlers 50 überschreit. Die Steuerung 24 kann ebenfalls dazu ausgebildet sein, das EGR-Ventil 52 basierend auf den bestimmten Maximalwerten der Strömungsrate zu steuern, um eine EGR-Strömungsrate zu erhalten, die nicht größer als der niedrigste der ermittelten Maximalwerte der Strömungsrate ist.
Diese Steuerstrategie für das EGR-System 22 kann verhindern, dass die thermische Last an dem EGR-Kühler 50 und die Temperatur des ATAAC 46 Werte erreichen, die diese Komponenten oder andere Komponenten des Antriebssystems beschädigen könnten. Ferner kann diese Steuerstrategie verhindern, dass die Kondensationmenge in dem EGR-System 22 Werte erreicht, die zu einer Beschädigung verschiedener Komponenten des Antriebssystems 17 führen könnten.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das offenbarte EGR-System 22 kann dazu geeignet sein, die Abgasemissionssteuerung von Motoren zu verbessern. Das EGR-System 22 kann für eine beliebige Motoranwendung verwendet werden. Solche Anwendungen können die Leistungsversorgung von Maschinen beinhalten, die beispielsweise stationäre Geräte wie Leistungserzeugungsgeräte oder mobile Geräte wie Fahrzeuge beinhalten. Das EGR-System 22 kann für eine beliebige Art von Fahrzeug verwendet werden, beispielsweise Autos, Baumaschinen (einschließlich solcher, die für eine Verwendung auf Straßen oder auch für eine Verwendung abseits von Straßen vorgesehen sind) und anderes schweres Gerät.
Das EGR-System 22 kann nicht nur auf verschiedene Motoranwendungen angewandt werden, sondern das EGR-System 22 kann auch auf verschiedene Motortypen angewandt werden. Beispielsweise kann das EGR-System 22 auf einen beliebigen, Abgas erzeugenden Motor angewandt werden, der Benzinmotoren, Dieselmotoren, mit einem gasförmigen Kraftstoffbetriebene Motoren, Wasserstoffmotoren, etc. beinhalten kann. Das EGR-System kann ferner auf eine Vielzahl von Motorkonfigurationen angewandt werden, einschließlich verschiedener Zylinderkonfigurationen wie V- Zylinderkonfigurationen (z. B. V6, V8, V12, etc.), Reihenzylinderkonfigurationen und Boxer-Zylinderkonfigurationen. Das EGR-System 22 kann ferner auf Motoren mit einer Vielzahl von Einleitungstypen angewandt werden. Beispielsweise kann das EGR-System 22 auf Saugmotoren ebenso wie auf Motoren mit einer erzwungenen Einleitung (z. B. Turboladung oder Hochaufladung) angewandt werden. Motoren, auf die das EGR-System 22 angewandt werden kann, können Kombinationen dieser Konfigurationen beinhalten (z. B. einen turboaufgeladenen 6-Zylinder-Reihendieselmotor).
Um zu gewährleisten, dass die verschiedenen Komponenten des offenbarten EGR-Systems nicht ihre jeweiligen Betriebsgrenzen überschreiten, kann das offenbarte Antriebssystem dazu ausgebildet sein, einen oder mehrere Betriebsparameter solcher Komponenten zu überwachen. Beispielsweise kann das offenbarte Antriebssystem die Einlasstemperatur des Luft-Luft-Nachkühlers (ATAAC), die EGR-Kühlertemperatur, die Kondensation von Gasen in dem EGR-System, etc. überwachen. Solch ein Überwachen kann das Sammeln von Echtzeitdaten beinhalten (d. h. Daten, die während des Betriebs des Motors gesammelt werden und, während sie gesammelt werden, benutzt werden). Das offenbarte Antriebssystem kann die EGR-Strömungsrate basierend auf Motor- und Abgaskomponentendaten regulieren (z. B. durch ein EGR-Ventil), die während des Betriebs gesammelt werden.
Basierend auf den gesammelten Daten kann das offenbarte Antriebssystem für jede überwachte Komponente eine Bestimmung einer maximalen EGR-Strömungsrate vornehmen, die verwendet werden kann, ohne dass sie zu einem Überschreiten der Betriebsgrenzen der Komponenten führt. Nachdem die maximale EGR-Strömungsrate für jede Komponente bestimmt wurde, wird die niedrigste der bestimmten maximalen EGR-Strömungsraten ausgewählt, um sicher zu stellen, dass keine der verschiedenen Komponenten über ihre Betriebsgrenze hinaus beansprucht wird.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Abgasrückführung kann Regulieren des Abgasstroms durch den EGR-Strömungsweg unter Verwendung des EGR-Ventils beinhalten. Das Verfahren kann ferner Überwachen von Betriebsparametern von mindestens zwei Komponenten des EGR-Systems unter Verwendung des Überwachungssystems beinhalten. Das Verfahren kann ferner Bestimmen eines Maximalwertes der Strömungsrate für jede der mindestens zwei Komponenten des EGR-Systems basierend auf den überwachten Betriebsparametern unter Verwendung der Steuerung beinhalten. Jeder der Maximalwerte der Strömungsrate kann die maximale EGR-Strömungsrate darstellen, die benutzt werden kann, ohne eine vorbestimmte Betriebsgrenze der überwachten Komponente zu überschreiten, der der jeweilige Maximalwert der Strömungsrate zugeordnet ist. Zusätzlich kann das Verfahren Steuern des EGR-Ventils basierend auf den bestimmten Maximalwerten der Strömungsrate zum Erhalten einer EGR-Strömungsrate, die nicht größer als der niedrigste der bestimmten Maximalwerte der Strömungsrate ist, beinhalten.
Bei einigen Ausführungsformen kann zumindest eine der in dem beispielhaften Verfahren überwachten Komponenten einen Luft-Luft-Nachkühler beinhalten, und zumindest einer der überwachten Betriebsparameter kann die Einlasstemperatur des Luft-Luft-Nachkühlers beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen kann mindestens eine der in dem beispielhaften Verfahren überwachten Komponenten einen Abgasrückführungskühler beinhalten, und mindestens einer der überwachten Betriebsparameter kann die thermische Last an dem Abgasrückführungskühler beinhalten. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann mindestens einer der überwachten Betriebsparameter die Kondensation von Gasen in dem Luftansaugsystemteil des EGR-Systems beinhalten. Einige der überwachten Betriebsparameter können direkt gemessen werden. Bei einigen Ausführungsformen kann jedoch mindestens einer der überwachten Betriebsparameter indirekt bestimmt werden, basierend auf Messungen anderer Betriebsparameter. Zusätzlich kann die Bestimmung des Maximalwertes der Strömungsrate für jede der Komponenten des EGR-Systems andere Betriebsbedingungen des Antriebssystems berücksichtigen.
Für Durchschnittsfachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Abgasrückführungssystem vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Andere Ausführungsformen der Erfindung werden für Durchschnittsfachleute aus der Betrachtung der Beschreibung und der Ausführung der hierin offenbarten Erfindung offensichtlich werden. Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich als exemplarisch betrachtet werden, wobei der tatsächliche Schutzbereich der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente festgelegt ist.
Zusammenfassung
ABGASRÜCKFÜHRUNGSSYSTEM
Es ist ein Antriebssystem (37) geschaffen, das einen Abgas erzeugenden Motor (18), ein Abgassystem (20) und ein Abgasrückführungs-(EGR) System (22) enthält. Das EGR-System kann einen EGR-Strömungsweg (42) und ein Luftansaugsystem (38) enthalten. Das EGR-System kann ferner ein EGR-Ventil (52) enthalten, das dazu ausgebildet ist, den Abgasstrom durch den EGR-Strömungsweg zu regulieren. Das Antriebssystem kann ferner ein Überwachungssystem (56) enthalten, das dazu ausgebildet ist, Betriebsparameter von mindestens zwei Komponenten des EGR-Systems zu überwachen. Das Antriebssystem kann ferner eine Steuerung (24) enthalten, die dazu ausgebildet ist, basierend auf den überwachten Betriebsparametern für jede der Komponenten einen Maximalwert der Strömungsrate zu bestimmen. Jeder der Maximalwerte der Strömungsrate kann die maximale EGR-Strömungsrate für diese Komponente darstellen. Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, das EGR-Ventil basierend auf den Maximalwerten der Strömungsrate zum Erhalten einer EGR-Strömungsrate, die nicht größer ist als der niedrigste der Maximalwerte der Strömungsrate, zu steuern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6868824 [0005, 0005, 0005, 0005]

Claims

Antriebssystem (17), mit einem Abgas erzeugenden Motor (18), einem Abgassystem (20), das zum Leiten von durch den Motor erzeugten Abgasen weg von dem Motor ausgebildet ist, einem Abgasrückführungssystem (22) enthaltend einen Abgasrückführungs-Strömungsweg (42), ein Luftansaugsystem (38) des Motors, wobei der Abgasrückführungs-Strömungsweg dazu ausgebildet ist, einen Teil der durch den Motor erzeugten Abgase zurück zu dem Luftansaugsystem zu leiten, und ein Abgasrückführungsventil (52), das zum Regulieren des Abgasstroms durch den Abgasrückführungs-Strömungsweg ausgebildet ist, einem Überwachungssystem (56), das zum Überwachen von Betriebsparametern von mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems ausgebildet ist, und einer Steuerung (24), die ausgebildet ist zum Bestimmen eines Maximalwertes der Strömungsrate für jede der mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems basierend auf den überwachten Betriebsparametern, wobei jeder der Maximalwerte der Strömungsrate die maximale Abgasrückführungs-Strömungsrate darstellt, die benutzt werden kann, ohne dass eine vorbestimmte Betriebsgrenze der überwachten Komponente, der der jeweilige Maximalwert der Strömungsrate zugeordnet ist, überschritten wird, und Steuern des Abgasrückführungsventils basierend auf den bestimmten Maximalwerten der Strömungsrate zum Erhalten einer Abgasrückführungs-Strömungsrate, die nicht größer ist als der niedrigste der bestimmten Maximalwerte der Strömungsrate.
Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Komponenten einen Luft-Luft-Nachkühler (46) enthalten, und mindestens einer der überwachten Betriebsparameter die Einlasstemperatur des Luft-Luft-Nachkühlers enthält.
Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Komponenten einen Abgasrückführungskühler (50) enthalten, und mindestens einer der überwachten Betriebsparameter die Temperatur des Abgasrückführungskühlers enthält.
Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem mindestens einer der überwachten Betriebsparameter die Kondensation von Gasen in dem Luftansaugsystem enthält.
Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem mindestens einer der überwachten Betriebsparameter direkt gemessen wird.
Verfahren zur Abgasrückführung, beinhaltend Leiten von durch einen Motor (18) erzeugten Abgasen weg von dem Motor unter Verwendung eines Abgassystems (20), wobei der Motor Teil eines Antriebssystems ist, das enthält: den Motor, das Abgassystem, ein Abgasrückführungssystem (22) enthaltend einen Abgasrückführungs-Strömungsweg (42), ein Luftansaugsystem (38) des Motors, wobei der Abgasrückführungs-Strömungsweg dazu ausgebildet ist, einen Teil der durch den Motor erzeugten Abgase zurück zu dem Luftansaugsystem zu leiten, und ein Abgasrückführungsventil (52), das dazu ausgebildet ist, den Abgasstrom durch den Abgasrückführungs-Strömungsweg zu regulieren, ein Überwachungssystem (56), und eine Steuerung (24), Zurückführen eines Teils der durch den Motor erzeugten Abgase zu dem Luftansaugsystem über den Abgasrückführungs-Strömungsweg unter Verwendung des Abgasrückführungssystems, Regulieren des Abgasstroms durch den Abgasrückführungs-Strömungsweg unter Verwendung des Abgasrückführungsventils, Überwachen von Betriebsparametern von mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems unter Verwendung des Überwachungssystems, Bestimmen eines Maximalwertes der Strömungsrate für jede der mindestens zwei Komponenten des Abgasrückführungssystems basierend auf den überwachten Betriebsparametern unter Verwendung der Steuerung, wobei jeder der Maximalwerte der Strömungsrate eine maximale Abgasrückführungs-Strömungsrate darstellt, die benutzt werden kann, ohne dass eine vorbestimmte Betriebsgrenze der überwachten Komponente, der der jeweilige Maximalwert der Strömungsrate zugeordnet ist, überschritten wird, und Steuern des Abgasrückführungsventils basierend auf den bestimmten Maximalwerten der Strömungsrate zum Erhalten einer Abgasrückführungs-Strömungsrate, die nicht größer ist als der niedrigste der bestimmten Maximalwerte der Strömungsrate, unter Verwendung der Steuerung.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die mindestens zwei Komponenten einen Luft-Luft-Nachkühler (46) enthalten, und mindestens einer der überwachten Betriebsparameter die Einlasstemperatur des Luft-Luft-Nachkühlers enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die mindestens zwei Komponenten einen Abgasrückführungskühler (50) enthalten, und mindestens einer der überwachten Betriebsparameter die Temperatur des Abgasrückführungskühlers enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem mindestens einer der überwachten Betriebsparameter die Kondensation von Gasen in dem Luftansaugsystem enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem mindestens einer der überwachten Betriebsparameter direkt gemessen wird.