DE19609132A1

DE19609132A1 - Vorrichtung zum Steuern des Motortimings

Info

Publication number: DE19609132A1
Application number: DE19609132A
Authority: DE
Inventors: Phillip J Houtz; Brian R Weller
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 1996-10-02
Also published as: SE9601148D0; SE9601148L; US5791316A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Motortiming- oder -zeitsteuerstrategien und insbesondere auf eine Motortimingstrategie zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor mit einem Nachkühler und einem assozi ierten Kühlkreis.

Ausgangspunkt

Motortimingstrategien sind im allgemeinen bekannt zum Steuern des Motortimings, um wünschenswerte Motorbe triebscharakteristika zu erhalten. Zum Beispiel ist es bekannt, das Motortiming zu verzögern, um ein Drehmoment management in einem Traktionssteuersystem vorzusehen oder das Motortiming zu verzögern, um eine Motordetonation oder ein Klopfen zu verhindern. Siehe US-Patent 5 265 693 bzw. 5 235 952. In gleicher Weise ist es bekannt, das Mo tortiming ansprechend auf die Motortemperatur zu verzö gern, um ein Überhitzen des Motors zu verhindern oder es ist bekannt, das Motortiming vorzuschieben, um eine ver besserte Startfähigkeit eines Motors während eines Kalt starts zu verbessern. Siehe US-Patent Nr. 5 201 284 bzw. 5 048 486. Eine weitere Motortimingstrategie ist bekannt zum Steuern des Motortimings als eine Funktion der Motor drehzahl und des Drosselklappenöffnungsgrades für kalte und Warmlaufzustände des Motors. Siehe US-Patent Nr. 5 027 771.

Während die oben genannten Motortimingstrategien einen geeigneten Motorbetrieb für die beschriebenen Betriebspa rameter erlauben und zwar insbesondere ein Drehmomentma nagement in einem Traktionssteuersystem, das Verringern von Motorklopfen und das Verhindern von Überhitzung und verbessertes Starten, sprechen diese Strategien nicht die Notwendigkeit für ein kontinuierliches Steuern des Motor timings als eine Funktion der Motordrehzahl und der Ein laßlufttemperatur an, um Motoremissionen oder den Brenn stoffverbrauch zu reduzieren. Zum Beispiel verringern sich im allgemeinen der motorspezifische Brennstoffver brauch und die NOx-Emissionen des Motors mit sich verrin gernden Einlaßlufttemperaturen. Eine typische Motorti mingstrategie variiert jedoch das Motortiming als eine Funktion der Motordrehzahl unabhängig von der Motorein laßlufttemperatur. Infolgedessen können geringere NOx- Emissionen und ein reduzierter Brennstoffverbrauch die bei kühleren Einlaßluftbedingungen möglich wären, mit den derzeitigen Timingstrategien nicht erhalten werden.

Zusätzlich erhöhen sich die Abgastemperaturen und die Turboladerdrehzahlen mit ansteigenden Umgebungslufttempe raturen und Einlaßlufttemperaturen. Daher besteht eine Notwendigkeit zum Steuern des Motortimings als eine Funk tion der Motoreinlaßlufttemperatur, um Abgastemperaturen und Turboladerdrehzahlen innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.

Dementgegen erhöhen sich die Spitzenzylinderdrücke mit sich verringernden Umgebungslufttemperaturen und Einlaß lufttemperaturen. Daher besteht eine Notwendigkeit, das Motortiming als eine Funktion der Motorumgebung oder Ein laßlufttemperatur zu steuern, um Spitzenzylinderdrücke innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.

Die Erfindung

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung ist eine Vorrichtung zum Steuern des Timings eines Verbrennungsmotors gezeigt, die folgendes aufweist:
Mittel zum Abfühlen der Motorlufteinlaßtemperatur und zum Erzeugen eines Lufteinlaßtemperatursignals entsprechend der Motorlufteinlaßtemperatur, Mittel zum Abfühlen der Motordrehzahl und zum Erzeugen eines Motordrehzahlsignals entsprechend der Motordrehzahl; und Mittel zum Steuern des Motortimings ansprechend auf das Lufteinlaßtempera tursignal und das Motordrehzahlsignal.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor gezeigt, wobei der Motor eine Ladevorrichtung zum Liefern von unter Druck stehender Ansaugluft für die Verbrennung umfaßt, wobei das Kühlsystem folgendes aufweist: einen ersten Wärmetauscher zum Kühlen von Motorkühlmittel, einen ersten Kühlkreis einschließlich eines zweiten Wärmetauschers und einer ersten Pumpe, wobei der zweite Wärmetauscher die unter Druck stehende Ansaugluft kühlt und die erste Pumpe Motorkühlmittel durch den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher zirkuliert, einen zweiten Kühlkreis einschließlich einer zweiten Pumpe und einem Bypassventil, wobei die zweite Pumpe und das Bypassventil Motorkühlmittel unterhalb einer vorbe stimmten Temperatur durch den Motor zirkulieren, und Motorkühlmittel oberhalb der vorbestimmten Temperatur durch den Motor und den ersten Wärmetauscher zirkulieren, einen Temperatursensor, wobei der Temperatursensor die Motorkühlmitteltemperatur in dem ersten Kühlkreis strom aufwärts bezüglich des zweiten Wärmetauschers abfühlt und ein Motorkühlmitteltemperatursignal erzeugt, einen Drehzahlsensor, wobei der Drehzahlsensor die Motor drehzahl abfühlt und ein Motordrehzahlsignal entsprechend der Motordrehzahl erzeugt und eine Steuerung, wobei die Steuerung das Motortiming steuert ansprechend auf das Motorkühlmitteltemperatursignal und das Motordrehzahlsi gnal.

Gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung ist ein Kühlsystem für einen Verbren nungsmotor gezeigt, wobei der Motor eine Ladevorrichtung zum Liefern von unter Druck stehender Einlaßluft für die Verbrennung aufweist, wobei das Kühlsystem folgendes aufweist: einen ersten Wärmetauscher zum Kühlen von flüssigem Kühlmittel, das durch eine erste Quelle erhitzt wird, einen ersten Kühlkreis einschließlich eines zweiten Wärmetauschers zum Kühlen von flüssigem Kühlmittel, das durch eine zweite Quelle aufgeheizt wird und einschließ lich einer ersten Pumpe zum Zirkulieren von Motorkühlmit tel durch den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärme tauscher, einen zweiten Kühlkreis einschließlich einer zweiten Pumpe und einem Bypassventil, wobei die zweite Pumpe und das Bypassventil Motorkühlmittel unterhalb einer vorbestimmten Temperatur durch den Motor zirkulie ren und Motorkühlmittel oberhalb der vorbestimmten Tempe ratur durch den Motor und den ersten Wärmetauscher zirku lieren.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Steuern des Timings eines Verbrennungsmotors gezeigt, wobei der Motor einen Wärmetauscher aufweist, der in der Lage ist, Kühl mittel dort hindurchströmen zu lassen, zum Kühlen der Einlaßluft für den Motor, wobei das Kühlmittel eine Temperatur besitzt, die der Temperatur der Einlaßluft entspricht, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
Mittel zum Abfühlen der Kühlmitteltemperatur des Wärme tauschers und zum Erzeugen eines Kühlmitteltemperatursi gnals entsprechend der Motorlufteinlaßtemperatur,
Mittel zum Abfühlen der Motordrehzahl und zum Erzeugen eines Motordrehzahlsignals entsprechend der Motordrehzahl und
Mittel zum Steuern des Motortimings ansprechend auf das Kühlmitteltemperatursignal und das Motordrehzahlsignal.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Motorkühlsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung;

Fig. 2 eine grafische Darstellung einer Motortiming- oder -Zeitsteuerkarte gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 einen Graph des leistungsspezifischen Brenn stoffverbrauchs (BSFC-g/kw-hr) abhängig von der NOx-Emission (g/hp-hr) für einen Motor, der das Motorkühlsystem gemäß Fig. 1 und die Motor timingkarte gemäß Fig. 2 verwendet;

Fig. 4 einen Graph der Kühlmitteltemperatur (°C) der tiefen Seite eines Nachkühlers abhängig von der Umgebungstemperatur (°F) für einen Motor, der das Motorkühlsystem gemäß Fig. 1 mit einem Ein zelkernkühler und die Motortimingkarte gemäß Fig. 2 verwendet;

Fig. 5 einen Graphen der Kühlmitteltemperatur (°C) der tiefen Seite eines Nachkühlers abhängig von der Umgebungstemperatur (°F) für einen Motor, der das Motorkühlsystem gemäß Fig. 1 mit einem Spaltkernkühler und die Motortimingkarte gemäß Fig. 2 verwendet;

Fig. 6 einen Graph des leistungsspezifischen Brenn stoffverbrauchs (BSFC-g/kw-hr) abhängig von der Kühlmitteltemperatur (°C) der tiefen Seite eines Nachkühlers für einen Motor, der das Mo torkühlsystem gemäß Fig. 1 mit einem Einzel kernkühler und die Motortimingkarte gemäß Fig. 2 verwendet;

Fig. 7 einen Graph des leistungsspezifischen Brenn stoffverbrauchs (BSFC-g/kw-hr) abhängig von der Kühlmitteltemperatur (°C) der tiefen Seite eines Nachkühlers für einen Motor der das Mo torkühlsystem gemäß Fig. 1 mit einem Spaltkern kühler und die Motortimingkarte gemäß Fig. 2 verwendet;

Fig. 8 eine Mikroprozessor-Subroutine zum Steuern des Timings eines Verbrennungsmotors bei einer An wendung mit variabler Geschwindigkeit gemäß ei nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 9 eine Mikroprozessor-Subroutine zum Steuern des Timings eines Verbrennungsmotors bei einer An wendung mit konstanter Geschwindigkeit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung.

Die beste Art, die Erfindung auszuführen

Um das Verständnis der Grundlagen der Erfindung zu ver bessern, wird auf die in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiele Bezug genommen und es wird eine spezi fische Sprache verwendet, um dieselben zu beschreiben. Es sei trotzdem bemerkt, daß hierdurch der Umfang der Erfin dung nicht eingeschränkt werden soll. Abänderungen und weitere Modifikationen der dargestellten Vorrichtung und weitere Anwendungen der Prinzipien der hier dargestellten Erfindung, die sich dem Fachmann normalerweise ergeben, sollen vom Umfang der Erfindung abgedeckt sein.

Gemäß Fig. 1 ist eine typische Motorkühlsystemschemadar stellung 20 für einen großen, nachgekühlten, turbogelade nen Motor gezeigt. Anders als Mittellastmotoren, die sich auf Luft-zu-Luft-Nachkühler zum Kühlen der geladenen oder unter Druck gesetzten Luft von dem Turbolader oder den Turboladern verlassen, verläßt sich das Kühlsystem 20 auf einen flüssigkeitsgekühlten, einen separaten kreisaufwei senden Nachkühler (SCAC), um die turbogeladene Einlaßluft zu kühlen.

Insbesondere zeigt die Schemadarstellung 20 einen Motor 22 mit einem Nachkühler 24, der an einem Einlaß wie z. B. einer Ansaug- und Verteilsammelleitung des Motors 22 an gebracht ist. Mittel zum Liefern aufgeladener bzw. unter Druck gesetzter Einlaßluft an den Nachkühler 24 sind bei 26 dargestellt und können einen oder mehrere Kompressoren bzw. Vorverdichter, Turbolader oder eine Kombination da von aufweisen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel liefert ein Paar von Turboladern (nicht gezeigt), die durch Abgase von dem Motor 22 angetrieben werden, die aufgeladene Einlaßluft.

Zwei Kühlkreise 28 und 30 werden in dem Kühlsystem 20 verwendet, um den Motor 22 bzw. die Einlaßluft, die durch den Nachkühler 24 strömt, zu kühlen.

Der Kühlkreis 28 zirkuliert Motorkühlmittel zwischen dem Motor 22 und einem Kühler 32 und zwar über eine erste Pumpe 34. Der Kühlkreis 30 zirkuliert Motorkühlmittel zwischen dem Nachkühler 24 und dem Kühler 32 und zwar über eine zweite Pumpe 36. Herkömmliche Kühlmittelleitun gen 38,40 und 42 verbinden die unterschiedlichen Bauteile des Kühlkreises 28, während herkömmliche Kühlmittellei tungen 43, 44, 46, 48 die unterschiedlichen Bauteile des Kühlkreises 30 miteinander verbinden.

Der Kühler 32 erhält Motorkühlmittel von jedem der Kühl kreise und zwar benachbart zu seinem oberen Ende 50 und führt Motorkühlmittel zu jedem der jeweiligen Kühlmittel kreise zurück und zwar benachbart zu seinem unteren Ende 52. Der Kühler 32 kann entweder einen Spaltkernaufbau besitzen, bei dem separate Wärmetauscherkerne die Kühl kreise voneinander getrennt halten oder einen Einzel- oder Gemeinschaftskernaufbau, bei dem ein einzelner Wär metauscherkern verwendet wird und sich die Kühlkreise in nerhalb des Kühlers 32 miteinander vermischen. In dem be vorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kühler 32 so aufge baut, daß er einen einzelnen Kern 54 aufweist und sich die Kühlkreise darinnen vermischen. Ein solcher Einzel kernaufbau wurde als besonders vorteilhaft befunden beim Optimieren der Kühlerkonstruktion wie nachfolgend in grö ßerer Einzelheit beschrieben wird.

Bei bisherigen Motortimingstrategien wurde das Motorti ming nur als eine Funktion der Soll-Motordrehzahl und der Ist-Motordrehzahl kontinuierlich gesteuert. Es sei be merkt, daß die Soll-Motordrehzahl stark von der Brenn stoffanforderung ("Regelstangeneinstellung") abhängt, die notwendig ist, um den Motor von der Ist-Motordrehzahl zu der Soll-Motordrehzahl zu beschleunigen oder zu verzö gern. Die Beziehung zwischen der Soll-Motordrehzahl und der Ist-Motordrehzahl wird abwechselnd bzw. alternativ als Motorbelastung bezeichnet. Typischerweise wird die Soll-Motordrehzahl oder Brennstoffanforderung als Grad der Drossel- bzw. Gaspedaleingabeposition abgefühlt. In gleicher Weise steht die Ist-Motordrehzahl, wie sie hier verwendet wird, im großen und ganzen mit der Drehge schwindigkeit der Kurbelwelle in Beziehung. Der besondere Meßpunkt der Soll-Motordrehzahl und der Ist-Motordrehzahl variiert gemäß der Installation bzw. dem Einbau und wird typischerweise durch die Einfachheit des Zugriffs be stimmt.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Motortimingstrategie vor, die eine Funktion der Soll-Motordrehzahl, der Ist- Motordrehzahl und der Motoreinlaßlufttemperatur ist. Da die Motoreinlaßlufttemperatur, die aus dem Nachkühler austritt, jedoch direkt mit der Temperatur der tiefen Seite des Nachkühlers in Beziehung steht, und zwar über bekannte Wärmetransfercharakteristika, wird eher die Tem peratur der tiefen Seite des Nachkühlers abgekühlt als daß man direkt die Motorlufteinlaßtemperatur abfühlt. In dem speziellen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur der tiefen Seite des Nachkühlers an dem Nach kühlerkühlmitteleinlaß abgefühlt, und zwar unter Verwen dung eines herkömmlichen Motorkühlmitteltemperatursensors 55. Der Sensor 55 fühlt die Nachkühlerkühlmitteleinlaß temperatur ab und erzeugt ein Nachkühlerkühlmitteleinlaß temperatursignal, das der Motorlufteinlaßtemperatur ent spricht. Infolgedessen wird bei dem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel die Notwendigkeit für teurere und weniger verläßliche Lufttemperatursensoren eliminiert.

Bei einem Ausführungsbeispiel mit variabler Motordreh zahl, z. B. bei einer Fahrzeuganwendung, wird die Ist-Mo tordrehzahl durch einen herkömmlichen Drehzahlsensor 56 abgefühlt und zwar über ein Timing- oder Zeitsteuerrad, das durch die Motorkurbelwelle angetrieben wird. Der Sen sor 56 fühlt die Drehzahl des Timingrades ab und erzeugt ein Drehzahlsignal für das Timingrad, das der Ist-Motor drehzahl entspricht. Die Soll-Motordrehzahl wird an einer Drossel 58 abgefühlt und zwar über einen herkömmlichen Drosselpositionssensor 60. Der Sensor 60 fühlt die Posi tion eines bedienergesteuerten Betätigers 62 ab und er zeugt ein Drosselpositionssignal, das der Soll-Motordreh zahl entspricht. Eine Steuerung 64 empfängt das Nachküh lerkühlmitteleinlaßtemperatursignal, das Drehzahlsignal des Timingrades und das Drosselpositionssignal und steu ert das Timing des Motors 22 ansprechend auf diese Signa le. In dem speziell bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Motor 22 ein Dieselmotor mit Hydraulik- Elektronik einheitseinspritzvorrichtungen und die Steuerung 64 ist ein Mikroprozessor, der ein Einheitseinspritzvorrich tungssignal zum Steuern des Motortimings erzeugt. Bei ei nem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Motor 22 ein funkengezündeter Motor und die Steuerung 64 ist Mikropro zessor, der ein Zündsignal zum Steuern des Motortimings erzeugt.

Bei einem Ausführungsbeispiel mit konstanter Motordreh zahl, wie z. B. einem stationären Leistungsgeneratorsatz, wird die Motordrehzahl über einen herkömmlichen Drehzahl sensor 56 abgefühlt, und zwar über ein Zeitsteuerrad, das von der Motorkurbelwelle angetrieben wird. Der Sensor 56 fühlt die Geschwindigkeit des Zeitsteuerrades ab und er zeugt ein Drehzahlsignal für das Zeitsteuerrad, das der Ist-Motordrehzahl entspricht. Da der Generatorsatz bei einer eingestellten bzw. festen Drehzahl arbeitet, die der benötigten Frequenz der gelieferten elektrischen Lei stung entspricht (d. h. 50 oder 60 Zyklen pro Sekunde), ist die Soll-Motordrehzahl festgelegt und es gibt keine Notwendigkeit für eine Drossel 58. Infolgedessen empfängt die Steuerung 64 nur das Nachkühlerkühlmitteleinlaßtempe ratursignal und das Drehzahlsignal für das Timingrad und steuert das Timing des Motors 22 ansprechend darauf. Ins besondere vergleicht die Steuerung 64 das Drehzahlsignal des Timingrades mit einer vorbestimmten, festen Motor drehzahl, das der benötigten Frequenz der elektrischen Leistungslieferung entspricht und steuert das Motortiming ansprechend auf das Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur signal und die Differenz zwischen dem Drehzahlsignal des Timingrades und der vorbestimmten festen Motordrehzahl.

Gemäß Fig. 2 ist eine Motortimingkarte 100 gezeigt, die im allgemeinen eine Motortimingstrategie darstellt, die eine Funktion der Soll-Motordrehzahl (Regelstangenein stellung), Ist-Motordrehzahl und Nachkühlerkühlmittel einlaßtemperatur ist. In der Karte 100 sind zwei Timing oberflächen 102 und 104 als Beispiel gezeigt; es sei jedoch bemerkt, daß gemäß der vorliegenden Erfindung eine unendliche Anzahl von Timingoberflächen verfügbar ist. Die Timingoberfläche 102 stellt das Motortiming als eine Funktion der Soll-Motordrehzahl (Regelstangeneinstellung) und der Ist-Motordrehzahl für eine erste Nachkühlerkühl mitteleinlaßtemperatur dar, während die Timingoberfläche 104 das Motortiming als eine Funktion der Soll-Motordreh zahl (Regelstangeneinstellung) und der Ist-Motordrehzahl für eine zweite Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur darstellt. Zum Beispiel variiert das Soll-Motortiming bei einer gegebenen Soll-Motordrehzahl (Regelstangenein stellung) und einer Ist-Motordrehzahl zwischen einem ersten Soll-Motortiming, das bei "A" für die Timing oberfläche 102 angezeigt ist und einem zweiten Soll- Motortiming, das bei "B" für die Timingoberfläche 104 dargestellt ist.

Die Fähigkeit, das Motortiming als Funktion der Nach kühlerkühlmitteleinlaßtemperatur zusätzlich zu der Motorbelastung und der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zu variieren, ermöglicht einen größeren Motorbetriebsbe reich, während die Motortemperatur- und Spitzenzylinder druckgrenzen eingehalten werden.

Ferner können die Betriebscharakteristika des Motors auf die bestimmte Installation zugeschnitten werden. Zum Beispiel können minimale Niveaus von NOx erreicht werden auf Kosten des BSFC (leistungsabhängigen Brennstoffver brauchs) des Motors oder es können alternativ minimale Niveaus des BSFC erreicht werden auf Kosten der NOx- Emissionen.

Gemäß Fig. 3 ist ein Leistungsgraph bzw. Leistungskompro mißgraph gezeigt, der für den Motor 22 charakteristisch ist. Der Leistungskompromißgraph vergleicht den leis tungsspezifischen Brennstoffverbrauch (BSFC-g/kw-hr) mit den Motor-NOx-Emissionsniveaus (g/hp-hr) für eine gege bene Motorbelastung und Drehzahl. Die Linien 110,112 und 114 sind konstante Temperaturlinien, die 30°C, 60°C bzw. 90°C der Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperaturen ent sprechen. Das Motortiming variiert entlang jeder der konstanten Temperaturlinien 110, 112 und 114. In Fig. 3 sind als Beispiel drei konstante Temperaturlinien gezeigt; es sei jedoch bemerkt, daß eine unendliche Anzahl von konstanten Temperaturlinien gemäß der vorlie genden Erfindung verfügbar ist, und zwar beispielsweise durch einfaches Interpolieren zwischen den drei konstan ten Temperaturlinien.

Die Linie 116 ist eine Betriebsgrenzlinie, die Motorab gastemperatur/Turboladerdrehzahl/maximalen erlaubbaren BSFC darstellt und die Linie 118 ist eine Betriebsgrenz linie, die Spitzenzylinderdruckgrenzen für die vorlie gende Erfindung darstellt. Abhängig von der bestimmten Installation kann die Motortimingstrategie eingestellt werden, um minimale NOx-Emissionen (Linie 116), minimalen BSFC (Linie 118) oder eine beste Kombination davon zu erreichen, die irgendwo in dem Bereich liegt, der zwischen den Linien 116 und 118 definiert wird.

Im Gegensatz dazu sind die gestrichelten Linien 120 und 122 Betriebsgrenzlinien, die Motorabgastemperatur- bzw. Spitzenzylinderdruckgrenzen darstellen, die typisch für Timingstrategien des Standes der Technik sind, die das Motortiming nur als eine Funktion der Last und Geschwin digkeit steuern. Da bei bekannten Timingstrategien das Motortiming nur eine Funktion der Last und Geschwindig keit bzw. Drehzahl ist, definiert die Linie 120 eine maximale Betriebsgrenzlinie, die durch die Abgastempera turgrenze (Linie 116) eingestellt wird. Ohne Abfühlen der Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur kann die Linie 120 nicht über dem Punkt "C" eingestellt werden, da ansonsten der Motor über der Abgastemperaturgrenze bei einer 90°C Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur arbeiten würde; d. h. dem Schnittpunkt der Linie 116 und der Linie 114. In gleicher Weise definiert die Linie 122 eine maximale Betriebsgrenzlinie, die durch die Spitzenzylinderdruck linie 118 eingestellt wird. Ohne Abfühlen der Nachkühler kühlmitteleinlaßtemperatur könnte die Linie 122 nicht unterhalb des Punkts "D" eingestellt werden, da ansonsten der Motor unterhalb der Spitzenzylinderdruckgrenze bei einer 30 °C Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur arbeiten würde; d. h. dem Schnittpunkt der Linie 118 und 110.

Die vorliegende Erfindung sieht eine erhebliche Verbes serung über diese und weitere bekannte Motortimingstra tegien vor. Zum Beispiel wird bei einer Nachkühlerkühl mitteleinlaßtemperatur von 30°C eine Motor-NOx-Emission von 3,9 g/hp-hr erreicht (dem Schnittpunkt der Linien 116b und 110), was eine 13,3%ige Verbesserung gegenüber dem NOx-Emissionsniveau von 4,5 g/hp-hr (Punkt "C") des Standes der Technik darstellt. In gleicher Weise wird bei einer Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur von 90°C ein Motor BSFC von 208g/kw-hr erreicht (dem Schnittpunkt der Linien 116 und 118), was einer 1%igen Verbesserung gegenüber dem Motor BSFC von 210 g/kw-hr (Punkt "D") des Standes der Technik entspricht.

Zusätzlich zum Vorsehen reduzierter Motoremissionen und eines verbesserten Brennstoffverbrauchs sieht die vorliegende Erfindung Mittel zum Optimieren des Motor kühlsystems vor. Gemäß Fig. 1 ist der Kühler 32 vorzugs weise mit einem gemeinsamen Kern zum Vorsehen der Kühlung von sowohl des Motorkühlkreises 28 als auch des Nach kühlerkühlkreises 30 aufgebaut. Ein gemeinsamer oder ein zelner Kern wird gegenüber einem Spaltkern (d. h. separa ter Nachkühlerkühler und Motorkühler) bevorzugt, um den Vorteil der eingebauten Überkapazität der in der Kon struktion eines typischen Motorkühlsystems verfügbar ist, auszuschöpfen.

Zum Beispiel umfaßt der Motorkühlmittelkreis 28 ein Thermostat und assoziierte Ventilsteuerung bzw. Ventil mittel 57, die unterhalb einer vorbestimmten Motorkühl mitteltemperatur den Kühler 32 umgehen und Motorkühl mittel nur innerhalb des Motors leiten. In dem bevorzug ten Ausführungsbeispiel ist der Thermostat 57 ein her kömmlicher mechanischer Thermostat mit einem vorbestimm ten Setzpunkt, der den mechanischen Charakteristika des Thermostats entspricht. Alternativ wird in Betracht gezogen, daß der Thermostat 57 einen Kühlmitteltempera tursensor und assoziierte Ventilmittel umfaßt, die durch die Motorsteuerung 64 gesteuert werden (wie durch die ge strichelte Linie dargestellt ist), um den Setzpunkt zu variieren. Unter normalen Betriebsbedingungen leitet der Thermostat 57 nur den Teil des Motorkühlmittels zum Kühler 32, der notwendig ist, um die vorbestimmte Motor kühlmitteltemperatur beizubehalten. Nur an den schlimms ten, heißesten Tagen bei hohen Motorbelastungszuständen leitet der Thermostat 57 im wesentlichen das gesamte Motorkühlmittel zu dem Kühler 32. Infolgedessen wird bei normalen Betriebsbedingungen das Motorkühlmittelsystem typischerweise unterhalb seiner Kapazität verwendet (d. h. das Kühlsystem ist zu groß).

Gemäß Fig. 4 ist eine Linie 130 der Nachkühlerkühlmittel einlaßtemperatur (°C) abhängig von der Umgebungslufttem peratur (°F) gezeigt und zwar für einen Einzelkernkühler mit einem Querschnitt von ungefähr 85 Quadratfuß. Ober halb einer Umgebungslufttemperatur von 100°F ist, wie beim Punkt "E" angezeigt ist, die Nachkühlerkühlmittel einlaßtemperatur dieselbe wie die eines Spaltkernkühler systems (siehe Linie 132 in Fig. 5). Bei diesen hohen Umgebungstemperaturen (100°F und größer) wird das Motorkühlmittelsystem im wesentlichen vollständig ausge nutzt, d. h. der Thermostat leitet im wesentlichen das gesamte Motorkühlmittel durch den Kühler 32.

Zwischen dem Punkt "F" und Punkt "E", was einer Tempe ratur zwischen 90°F und 100°F entspricht, wird das Motor kühlmittelsystem nur teilweise verwendet; und da der Thermostat 56 nur einen Teil des Motorkühlmittels durch den Kühler 32 leitet, ist zusätzliche Kühlkapazität in dem Einzelkernkühler verfügbar, um die Nachkühlerkühl mitteleinlaßtemperatur abzusenken und zwar unterhalb der Temperatur, die bei einem Spaltkernkühler mit vergleich barer Größe möglich wäre. Zum Beispiel ist bei 90°F die Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur für einen Einzel kernkühler 50°C, während die Nachkühlerkühlmittelein laßtemperatur für einen Spaltkernkühler 70°C ist.

Unterhalb des Punktes "F", was einer Temperatur von unter 90°F der Umgebungslufttemperatur entspricht, wird das Motorkühlmittelsystem minimal eingesetzt und da der Thermostat nur wenig oder gar kein Motorkühlmittel durch den Kühler 32 leitet, ist zusätzliche Kühlkapazität in dem Einzelkernkühler verfügbar, um die Nachkühlerkühl mitteleinlaßtemperatur noch weiter abzusenken im Ver gleich zu der Temperatur, die bei einem Spaltkernkühler vergleichbarer Größe möglich wäre. Bei 40°F ist die Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur für einen Einzel kernkühler 22°C, während die Nachkühlerkühlmittel einlaßtemperatur für einen Spaltkernkühler 42°C ist.

Infolgedessen ermöglicht die Kombination eines Einzel- oder Gemeinschaftskernkühlers mit einem nachgekühlten, aufgeladenen Motor, der einen von dem Motorkühlkreis getrennten Nachkühlerkreis verwendet und der das Motor timing als eine Funktion der Nachkühlerkühlmittelein laßtemperatur zusätzlich zu der Soll-Motordrehzahl (Last) und der Ist-Motordrehzahl steuert, Verringerungen der Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperaturen und der damit assoziierten Verringerungen der NOx-Emissionsniveaus.

Zum Beispiel sind gemäß den Fig. 6 und 7 Linien des Motors BSFC (Linien 134 und 135) und der NOx-Emissionen (Linien 136 und 137) als eine Funktion der Umgebungsluft temperatur für ein Einzelkernkühlsystem bzw. ein Spalt kernkühlsystem geplottet bzw. gezeichnet und zwar für eine Motortimingstrategie, die eingestellt ist, um minimale Niveaus von NOx-Emissionen zu erhalten. Gemäß Fig. 6 liegen bei einem Einzelkernkühlersystem an einem Tag mit 90°F Umgebungstemperatur, was einer Nachkühler kühlmitteleinlaßtemperatur von 50°C entspricht, die Motor- NOx-Emissionen bei 4,3 g/hp-hr. Gemäß Fig. 7 liegen bei einem Spaltkernkühlersystem bei einer 90°F Umgebungstem peratur, was einer Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur von 70°C entspricht, die Motor NOx-Emissionen bei 5,1 g/hp-hr. Bei dem speziell bevorzugten, oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, das bei einer 90°F Umgebungs temperatur arbeitet, sieht das Einzel- oder Gemein schaftskernkühlerkühlsystem daher eine 16%ige Verbes serung gegenüber einem Spaltkernkühlerkühlsystem vor, wenn es mit einem Motor verwendet wird, der das Timing als eine Funktion der Nachkühlerkühlmitteleinlaßtem peratur zusätzlich zu der Soll-Motordrehzahl (Last) und der Ist-Motordrehzahl steuert.

Alternativ erlaubt die Kombination eines Einzel- oder Ge meinschaftskernkühlers mit einem nachgekühlten, aufge ladenen Motor, der einen Nachkühlerkreis verwendet, der von dem Motorkühlkreis getrennt ist und der das Motor timing als eine Funktion der Nachkühlerkühlmitteleinlaß temperatur zusätzlich zu der Soll-Motordrehzahl (Last) und der Ist-Motordrehzahl verwendet, Verringerungen der Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperaturen und der damit assoziierten Verringerungen der BSFC Niveaus.

Gemäß Fig. 8 ist ein Verfahren in der Form einer Sub routine 200 für einen Dieselmotor in einem Fahrzeug ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Programmausführung beginnt im Schritt 202. Im Schritt 202 werden unterschiedliche Sensoren und Programmspeicher je nach Notwendigkeit zurückgesetzt. Die Programmausführung geht zum Schritt 204, um die Drossel position abzufühlen. Der Sensor 60 erzeugt ein Drosselpo sitionssignal, das der Soll-Motordrehzahl entspricht. Die Steuerung 64 empfängt das Drosselpositionssignal und speichert einen Drosselpositionswert in dem Speicher, der dem Drosselpositionssignal entspricht. Die Programmaus führung geht zum Schritt 206, um die Geschwindigkeit bzw. die Drehzahl des Timingrades abzufühlen. Der Sensor 56 erzeugt ein Drehzahlsignal für das Timingrad, das der Ist-Motordrehzahl entspricht. Die Steuerung 64 empfängt das Drehzahlsignal für das Timingrad und speichert einen Drehzahlwert für das Timingrad in dem Speicher, der dem Drehzahlsignal des Timingrades entspricht. Die Programm ausführung geht zum Schritt 208, um einen Geschwindig keits- oder Drehzahlfehlerwert als eine Funktion der Differenz zwischen dem Drosselpositionswert und dem Drehzahlwert des Timingrades zu bestimmen. Die Programm ausführung geht zum Schritt 210, um die Nachkühlerkühl mitteleinlaßtemperatur abzufühlen. Der Sensor 55 erzeugt ein Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatursignal entspre chend der Motorlufteinlaßtemperatur. Die Steuerung 64 empfängt das Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatursignal und speichert einen Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur wert in dem Speicher der der Nachkühlerkühlmitteleinlaß temperatur entspricht. Die Programmausführung geht zum Schritt 212, um einen Brennstoffinjektions- bzw.- Ein spritzlieferwert für die beginnende Einspritzung und einen Zeitwert zum Beenden der Einspritzung nachzu schauen. Die Programmausführung geht zum Schritt 214, um ein Brennstoffeinspritzsignal gemäß den Liefer- und Zeit werten abzugeben und kehrt dann zum Schritt 204 zurück.

Gemäß Fig. 9 ist ein Verfahren in der Form einer Sub routine 300 für einen Dieselmotor in einem Ausführungs beispiel mit konstanter Drehzahl gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Programmausführung beginnt im Schritt 302. Im Schritt 302 werden unterschiedliche Sen soren und Programmspeicher je nach Notwendigkeit zurück gesetzt. Die Programmausführung geht zum Schritt 304, um die Drehzahl des Timingrades abzufühlen. Der Sensor 56 erzeugt ein Drehzahlsignal für das Timingrad, das der Ist-Motordrehzahl entspricht. Die Steuerung 64 empfängt das Drehzahlsignal des Timingrades und speichert einen Drehzahlwert des Timingrades in dem Speicher, der dem Drehzahlsignal des Timingrades entspricht. Die Programm ausführung geht zum Schritt 306 weiter, um eine Konstante in dem Speicher nachzuschauen, die der Soll-Motordrehzahl entspricht und im Schritt 308 wird ein Drehzahlfehlerwert bestimmt als eine Funktion der Differenz zwischen dem Drosselpositionswert und der Konstante. Die Programmaus führung geht zum Schritt 310, um die Nachkühlerkühl mitteleinlaßtemperatur abzufühlen. Der Sensor 55 erzeugt ein Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatursignal ent sprechend der Motorlufteinlaßtemperatur. Die Steuerung 64 empfängt das Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatursignal und speichert einen Nachkühlerkühlmitteleinlaßtemperatur wert in dem Speicher, der der Nachkühlerkühlmitteleinlaß temperatur entspricht. Die Programmausführung geht zum Schritt 312, um einen Brennstoffeinspritzlieferwert zum Beginnen der Einspritzung und einen Zeitwert zum Beenden der Einspritzung nachzuschauen. Die Programmausführung geht zum Schritt 314, um ein Brennstoffeinspritzsignal gemäß der Liefer- und Zeitwerte abzugeben und kehrt dann zum Schritt 304 zurück.

Während die Erfindung in der Zeichnung und der vorherge henden Beschreibung dargestellt und im Detail beschrieben wurde, so ist die Zeichnung als auch die Beschreibung nur als Beispiel gedacht, und sie besitzen keinen einschrän kenden Charakter. Es sei bemerkt, daß nur das bevorzugte Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben wurde und daß alle Veränderungen und Modifikationen, die in den Umfang der Erfindung fallen, geschützt werden sollen.

Zusammenfassend weist die Erfindung folgendes auf:
Ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor steuert das Motortiming als eine Funktion der Motorbelastung, Dreh zahl und der Temperatur der angesaugten Luft, um NOx- Emissionen und/oder den Motorbrennstoffverbrauch zu redu zieren. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft bei einem großen, nachgekühlten turbogeladenen Motor, der ein Kühl system mit einem flüssigkeitsgekühlten, einen separaten Kreis aufweisenden Nachkühler (SCAC) zum Kühlen der unter Druck gesetzten, angesaugten Luft verwendet. Durch Leiten des Nachkühlerkreises und des Motorkühlmittelkreises durch einen Gemeinschafts- oder Einzelkernkühler wird die Nachkühlerkühlkreistemperatur und die damit assoziierte Temperatur der angesaugten Luft des Motors reduziert, um noch weiter die NOx-Emissionen und/oder den Motorbrenn stoffverbrauch zu reduzieren.

Claims

1. Vorrichtung zum Steuern des Timings eines Verbren nungsmotors, wobei die Vorrichtung folgendes auf weist:
Mittel zum Abfühlen der Motorlufteinlaßtemperatur und zum Erzeugen eines Lufteinlaßtemperatursignals ent sprechend der Motorlufteinlaßtemperatur;
Mittel zum Abfühlen der Motordrehzahl und zum Erzeu gen eines Motordrehzahlsignals entsprechend der Mo tordrehzahl
und Mittel zum Steuern des Motortimings ansprechend auf das Lufteinlaßtemperatursignal und das Motordrehzahlsignal.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner Mittel aufweist zum Abfühlen einer Soll-Dreh zahleingabegröße und zum Erzeugen eines Soll-Dreh zahlsignals entsprechend der Soll-Drehzahleingabegrö ße, wobei die Mittel zum Steuern des Motortimings das Motortiming steuern ansprechend auf das Lufteinlaß temperatursignal, das Motordrehzahlsignal und das Soll-Drehzahlsignal.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Motor ein funkengezündeter Motor mit einem elektronischen Zündsystem ist und wobei die Mittel zum Steuern des Motortimings Mittel aufweisen zum Steuern des elek tronischen Zündtimings des elektronischen Zündsystems ansprechend auf das Lufteinlaßtemperatursignal und das Motordrehzahlsignal.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Motor ein Dieselmotor mit einem Brennstoffein spritzsystem ist und wobei die Mittel zum Steuern des Motortimings Mittel umfassen zum Steuern des Brenn stoffeinspritztimings ansprechend auf das Lufteinlaß temperatursignal und das Motordrehzahlsignal.

5. Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor, wobei der Motor eine Ladevorrichtung aufweist, die unter Druck stehende Ansaugluft für die Verbrennung liefert, wo bei das Kühlsystem folgendes aufweist:
einen ersten Wärmetauscher zum Kühlen des Motorkühl mittels;
einen ersten Kühlkreis einschließlich eines zweiten Wärmetauschers und einer ersten Pumpe, wobei der zweite Wärmetauscher die unter Druck stehende Ansaug luft kühlt und die erste Pumpe Motorkühlmittel durch den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärme tauscher zirkuliert;
einen zweiten Kühlkreis einschließlich einer zweiten Pumpe und einem Bypassventil, wobei die zweite Pumpe und das Bypassventil Motorkühlmittel unterhalb einer vorbestimmten Temperatur durch den Motor zirkulieren und Motorkühlmittel oberhalb der vorbestimmten Tempe ratur durch den Motor und den ersten Wärmetauscher zirkulieren;
einen Temperatursensor, wobei der Temperatursensor die Motorkühlmitteltemperatur in dem ersten Kühlkreis stromabwärts bezüglich des zweiten Wärmetauschers ab fühlt und ein Motorkühlmitteltemperatursignal er zeugt;
einen Drehzahlsensor, wobei der Drehzahlsensor die Motordrehzahl abfühlt und ein Motordrehzahlsignal entsprechend der Motordrehzahl erzeugt; und
eine Steuerung, wobei die Steuerung das Motortiming steuert, ansprechend auf das Motorkühlmitteltempera tursignal und das Motordrehzahlsignal.

6. Kühlsystem nach Anspruch 5, wobei der erste Wärme tauscher ein Kühler ist, der einen Gemeinschaftskern aufweist, in dem sich Motorkühlmittel von dem ersten Kühlkreis mit Motorkühlmittel von dem zweiten Kühl kreis vermischt.

7. Kühlsystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei der zweite Wärmetauscher ein Nachkühler ist, und wobei der Tem peratursensor die Motorkühlmitteltemperatur an einem Motorkühlmitteleinlaß des Nachkühlers abfühlt.

8. Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor, wobei der Motor eine Ladevorrichtung aufweist, die unter Druck stehende Ansaugluft für die Verbrennung liefert, wo bei das Kühlsystem folgendes aufweist:
einen ersten Wärmetauscher zum Kühlen von flüssigem Kühlmittel, das durch eine erste Quelle erhitzt wird;
einen ersten Kühlkreis einschließlich eines zweiten Wärmetauschers zum Kühlen von flüssigem Kühlmittel, das durch eine zweite Quelle erhitzt ist und ein schließlich einer ersten Pumpe zum Zirkulieren von Motorkühlmittel durch den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher; und
einen zweiten Kühlkreis einschließlich einer zweiten Pumpe und einem Bypassventil, wobei die zweite Pumpe und das Bypassventil Motorkühlmittel unterhalb einer vorbestimmten Temperatur durch den Motor zirkulieren und Motorkühlmittel oberhalb der vorbestimmten Tempe ratur durch den Motor und den ersten Wärmetauscher zirkulieren.

9. Kühlsystem nach Anspruch 8, wobei der erste Wärme tauscher ein Kühler ist zum Kühlen von Motorkühlmit tel und wobei der zweite Wärmetauscher ein Nachkühler zum Kühlen von Motoreinlaßluft ist.

10. Vorrichtung zum Steuern der Timings eines Verbren nungsmotors, wobei der Motor einen Wärmetauscher auf weist, der in der Lage ist, Kühlmittel dort hindurch strömen zu lassen zum Kühlen von Einlaßluft für den Motor, wobei das Kühlmittel eine Temperatur besitzt, die der Temperatur der Einlaßluft entspricht, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
Mittel zum Abfühlen der Kühlmitteltemperatur des Wärmetauschers und zum Erzeugen eines Kühlmitteltem peratursignals entsprechend der Motorlufteinlaßtempe ratur;
Mittel zum Abfühlen der Motordrehzahl und zum Erzeu gen eines Motordrehzahlsignals entsprechend der Mo tordrehzahl und
Mittel zum Steuern des Motortimings ansprechend auf das Kühlmitteltemperatursignal und das Motordrehzahl signal.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Vorrichtung ferner Mittel aufweist zum Abfühlen einer Soll-Dreh zahleingabegröße und zum Erzeugen eines Soll-Dreh zahlsignals entsprechend der Soll-Drehzahleingabegrö ße, wobei die Mittel zum Steuern des Motortimings das Motortiming steuern ansprechend auf das Kühlmittel temperatursignal, das Motordrehzahlsignal und das Soll-Drehzahlsignal.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung ferner Mittel aufweist zum Vergleichen des Motordreh zahlsignals mit dem Soll-Drehzahlsignal und Mittel zum Erzeugen eines Differenzdrehzahlsignals entspre chend der Differenz zwischen der Motordrehzahl und der Soll-Drehzahleingabegröße, wobei die Mittel zum Steuern des Motortimings das Motortiming steuern an sprechend auf das Kühlmitteltemperatursignal und das Differenzdrehzahlsignal.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, wobei der Motor ein funkengezündeter Motor mit einem elek tronischen Zündsystem ist, wobei die Mittel zum Steu ern des Motortimings ein elektronisches Zündsignal ansprechend auf das Kühlmitteltemperatursignal und das Motordrehzahlsignal erzeugen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, wobei der Motor ein Dieselmotor mit einem Brennstoffein spritzsystem ist und wobei die Mittel zum Steuern des Motortimings ein Brennstoffeinspritzsignal erzeugen ansprechend auf das Kühlmitteltemperatursignal und das Motordrehzahlsignal.