DE202015005776U1

DE202015005776U1 - Computerprogramm zur Regelung der Temperatur eines Injektors zur Einspritzung eines Reduktionsmittel in ein Abgasrohr eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE202015005776U1
Application number: DE202015005776.4U
Authority: DE
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2016-11-15
Anticipated expiration: 2025-08-15
Also published as: US20170044951A1; US10138783B2

Abstract

Computerprogramm zur Regelung der Temperatur eines Injektors (282) zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr (275) eines Verbrennungsmotors (110), umfassend einen Computercode, um, wenn dieser auf einem Computer ausgeführt wird, die folgenden Schritte durchzuführen:
– Aktivieren einer Pumpe (530), um ein Kühlmittel in einen Kühlmittelkreislauf (520) zu befördern, der einen Abschnitt (252) aufweist, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Injektor (282) steht,
– Bestimmen eines Werts eines Massendurchsatzes des von der Pumpe (530) bereitgestellten Kühlmittels,
– Berechnen eines Werts einer Temperatur des Injektors (282) als Funktion des bestimmten Werts des Massendurchsatzes,
– Berechnen einer Differenz zwischen dem berechneten Wert der Temperatur des Injektors und einem vorbestimmten Sollwert,
– Anpassen des Massendurchsatzes des von der Pumpe (530) bereitgestellten Kühlmittels auf Basis der berechneten Differenz.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Computerprogramm zur Regelung der Temperatur eines Injektors eines Systems zur selektiven katalytischen Reaktion (SCR) eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, wie zum Beispiel eines Personenkraftwagens oder Lastkraftwagens.
HINTERGRUND
Manche Verbrennungsmotoren sind bekanntlich mit einem SCR-System ausgestattet, um die Emissionen an Stickoxiden (NOx) zu reduzieren. Das SCR-System umfasst im Allgemeinen einen Katalysator, der in einem Abgasrohr des Motors angeordnet ist, um die Stickoxide mithilfe eines Reduktionsmittels in zweiatomigen Stickstoff und Wasser umzuwandeln, wobei das Reduktionsmittel durch einen Injektor bereitgestellt werden kann, der im Abgasrohr stromaufwärts vom Katalysator angeordnet ist.
Aufgrund dieser Position kann der Injektor extrem heiß werden und muss entsprechend gekühlt werden. Eine der gegenwärtig zur Erfüllung dieser Aufgabe angewendeten Lösungen besteht darin, einen Teil des Motorkühlmittels in einen zusätzlichen Kreislauf umzuleiten, der wenigstens einen Abschnitt aufweist, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Injektor steht. Ein Beispiel dieser Lösung wird in der Patentanmeldung EP2192280 beschrieben.
Eine Nebenwirkung dieser Lösung besteht darin, dass die Kühlmittelpumpe, die das Motorkühlmittel in den zusätzlichen Kreislauf pumpt, immer aktiv ist und dafür ausgelegt ist, einen Kühlmittel-Massendurchsatz zu liefern, der unabhängig von den tatsächlichen Kühlungsbedürfnissen des Injektors ist. Um stets eine ordnungsgemäße Kühlung des Injektors zu gewährleisten, werden diesem Massendurchsatz die ungünstigsten Temperaturbedingungen zugrundegelegt, unter denen der Injektor arbeiten kann. Dieser Ansatz bringt jedoch mit sich, dass die von der Kühlmittelpumpe absorbierte Leistung unnötig hoch wird, wenn der Injektor nicht unter den ungünstigsten Temperaturbedingungen arbeitet, was eine erhebliche Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch hat.
Ein Zweck der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Lösung zur effizienten und ordnungsgemäßen Regelung der Temperatur eines Injektors eines SCR-Systems zu schaffen und gleichzeitig eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs zu ermöglichen. Ein weiterer Zweck besteht darin, dieses Ziel mit einer einfachen, rationellen und relativ kostengünstigen Lösung zu erreichen.
Diese und andere Ziele werden durch die Ausführungsformen der Offenbarung erreicht, welche die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale aufweisen. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte und/oder besonders vorteilhafte Aspekte.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schafft ein Computerprogramm zur Regelung der Temperatur eines Injektors zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr eines Verbrennungsmotors, das einen Computercode umfasst, um, wenn dieser auf einem Computer ausgeführt wird, die folgenden Schritte durchzuführen:

– Aktivieren einer Pumpe, um ein Kühlmittel in einen Kühlmittelkreislauf zu befördern, der einen Abschnitt aufweist, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Injektor steht,
– Bestimmen eines Werts eines Massendurchsatzes des von der Pumpe bereitgestellten Kühlmittels,
– Berechnen eines Werts einer Temperatur des Injektors als Funktion des bestimmten Werts des Massendurchsatzes,
– Berechnen einer Differenz zwischen dem berechneten Wert der Temperatur des Injektors und einem vorbestimmten Sollwert,
– Anpassen des Massendurchsatzes des von der Pumpe bereitgestellten Kühlmittels auf Basis der berechneten Differenz.

Anders ausgedrückt kann die Pumpe so betrieben werden, dass sie immer den minimalen Kühlmittel-Massendurchsatz liefert, der notwendig ist, um den Sollwert der Injektortemperatur aufrechtzuerhalten.
Wenn der Injektor unter sehr harten Temperaturbedingungen arbeitet, ist daher der Massendurchsatz des Kühlmittels entsprechend hoch; wenn der Injektor hingegen unter günstigeren Temperaturbedingungen arbeitet, wird die Pumpe so betrieben, dass der Massendurchsatz des Kühlmittels verringert wird, wodurch Energie gespart wird und der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.
Gemäß einem Aspekt des Computerprogramms kann die Berechnung des Werts der Injektortemperatur den Schritt des Lösens eines mathematischen Temperaturmodells des Injektors umfassen.
Dieser Aspekt bewirkt, dass ein zuverlässiger Wert der Injektortemperatur berechnet werden kann.
Dabei kann bei der Lösung des mathematischen Temperaturmodells ein Wert von einem oder mehreren der folgenden zusätzlichen Parameter verwendet werden: ein Massendurchsatz eines im Abgasrohr strömenden Abgases, eine Temperatur des Abgases, ein Massendurchsatz des vom Injektor eingespritzten Reduktionsmittels, eine Temperatur des Reduktionsmittels, eine Temperatur des Kühlmittels, eine Umgebungstemperatur, eine Spannung, die an eine elektrische Wicklung angelegt wird, die den Injektor betätigt, ein durch die elektrische Wicklung fließender elektrischer Strom. Dank dieser Lösung kann das mathematische Temperaturmodell eine Reihe von Wärmebeiträgen berücksichtigen, die zusammenwirken, um die Temperatur des Injektors zu bestimmen, wobei diese zum Beispiel Folgendes einschließen: die Wärme, die von der elektrischen Wicklung erzeugt wird, die den Injektor betätigt, den Wärmeaustausch zwischen dem Injektor und dem Abgas im Abgasrohr, den Wärmeaustausch zwischen dem Injektor und der externen Umgebung, den Wärmeaustausch zwischen dem Abgas im Abgasrohr und der Wand des Abgasrohrs und der Wärmeaustausch zwischen der Wand des Abgasrohrs und der externen Umgebung.
Gemäß einem anderen Aspekt des Computerprogramms kann die Anpassung des Massendurchsatzes des Kühlmittels die folgenden Schritte umfassen:

– Berechnen eines Korrekturwerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels als Funktion der berechneten Differenz,
– Berechnen eines Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels als Funktion des Sollwerts der Injektortemperatur,
– Berechnen eines erforderlichen Werts des Massendurchsatzes des Kühlmittels als Summe des Basiswerts und des Korrekturwerts,
– Betätigen der Pumpe, um den erforderlichen Wert des Massendurchsatzes des Kühlmittels bereitzustellen.

Dieser Aspekt kombiniert einen Vorwärtsregelungsansatz, der bewirkt, dass eine rasche Reaktion auf Übergangszustände bei den Motorbetriebsbedingungen möglich ist, mit einem Rückkopplungsregelungsansatz, der bewirkt, dass die thermischen Übergangsbedingungen im Motor/in der Umgebung kompensiert werden.
Ein Aspekt des Computerprogramms kann vorsehen, dass die Berechnung des Korrekturwerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels den Schritt des Verwendens der berechneten Differenz als Eingabe in einen Regler umfasst, der als Ausgabe den Korrekturwert liefert.
Dieser Aspekt schafft eine zuverlässige Lösung zur Ausführung des Rückkopplungsansatzes im Rahmen der vorgeschlagenen kombinierten Strategie.
Gemäß einem Aspekt des Computerprogramms kann der Regler unter einem Proportional-Regler, einem Proportional-Integral-Regler und einem Proportional-Integral-Differenzial-Regler gewählt werden.
Dieser Aspekt ermöglicht es, den Rückkopplungsregelungsansatz entsprechend auf die spezifischen Anforderungen des Systems abzustimmen.
Gemäß einem anderen Aspekt des Computerprogramms umfasst die Berechnung des Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels den Schritt des Lösens eines mathematischen Temperaturmodells des Injektors.
Dieser Aspekt bewirkt, dass ein zuverlässiger Basiswert des Massendurchsatzes des Kühlmittels berechnet werden kann.
Dabei kann das mathematische Temperaturmodell, das zum Berechnen des Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels verwendet wird, das gleiche mathematische Temperaturmodell sein, das zum Berechnen des Werts der Injektortemperatur verwendet wird.
Dieser Aspekt der Erfindung hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige Zuverlässigkeit der Strategie garantiert wird.
Die vorliegende Lösung kann auch in Form eines Computerprogrammprodukts ausgeführt werden, das einen Träger umfasst, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung in Form einer Steuerungsvorrichtung für einen Injektor zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr eines Verbrennungsmotors ausgeführt werden, die ein elektronisches Steuergerät, einen mit dem elektronischen Steuergerät verbundenen Datenträger und das in dem Datenträger gespeicherte Computerprogramm umfasst. Eine andere Ausführungsform kann ein elektromagnetisches Signal bereitstellen, das derart moduliert wird, dass es eine Sequenz von Datenbits trägt, die das Computerprogramm darstellen. Eine andere Ausführungsform der Lösung schafft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Injektors zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr eines Verbrennungsmotors, umfassend:

– Mittel zum Aktivieren einer Pumpe, um ein Kühlmittel in einen Kühlmittelkreislauf zu befördern, der einen Abschnitt aufweist, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Injektor steht,
– Mittel zum Bestimmen eines Werts eines Massendurchsatzes des von der Pumpe bereitgestellten Kühlmittels,
– Berechnen eines Werts einer Injektortemperatur als Funktion des bestimmten Werts des Massendurchsatzes,
– Mittel zum Berechnen einer Differenz zwischen dem berechneten Wert der Injektortemperatur und einem vorbestimmten Sollwert,
– Mittel zum Anpassen des Massendurchsatzes des von der Pumpe bereitgestellten Kühlmittels auf Basis der berechneten Differenz.

Diese Ausführungsform erzielt im Wesentlichen die gleichen Effekte, wie sie für das entsprechende Computerprogramm beschrieben wurden, insbesondere den Effekt, dass die Temperatur des Injektors auf effiziente Weise geregelt wird, während der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.
Gemäß einem Aspekt der Vorrichtung können die Mittel zum Berechnen des Werts der Injektortemperatur Mittel zum Lösen eines mathematischen Temperaturmodells des Injektors umfassen.
Dieser Aspekt bewirkt, dass ein zuverlässiger Wert der Injektortemperatur berechnet werden kann.
Dabei können die Mittel zum Lösen des mathematischen Temperaturmodells Mittel umfassen, um einen Wert von einem oder mehreren der folgenden zusätzlichen Parameter zu verwenden: ein Massendurchsatz eines im Abgasrohr strömenden Abgases, eine Temperatur des Abgases, ein Massendurchsatz des vom Injektor eingespritzten Reduktionsmittels, eine Temperatur des Reduktionsmittels, eine Temperatur des Kühlmittels, eine Umgebungstemperatur, eine Spannung, die an eine elektrische Wicklung angelegt wird, die den Injektor betätigt, ein durch die elektrische Wicklung fließender elektrischer Strom.
Dank dieser Lösung kann das mathematische Temperaturmodell eine Reihe von Wärmebeiträgen berücksichtigen, die zusammenwirken, um die Temperatur des Injektors zu bestimmen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Vorrichtung können die Mittel zum Anpassen des Massendurchsatzes des Kühlmittels Folgendes umfassen:

– Mittel zum Berechnen eines Korrekturwerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels als Funktion der berechneten Differenz,
– Mittel zum Berechnen eines Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels als Funktion des Sollwerts der Injektortemperatur,
– Mittel zum Berechnen eines erforderlichen Werts des Massendurchsatzes des Kühlmittels als Summe des Basiswerts und des Korrekturwerts,
– Mittel zum Betätigen der Pumpe, um den erforderlichen Wert des Massendurchsatzes des Kühlmittels bereitzustellen.

Dieser Aspekt kombiniert einen Vorwärtsregelungsansatz, der bewirkt, dass eine rasche Reaktion auf Übergangszustände bei den Motorbetriebsbedingungen möglich ist, mit einem Rückkopplungsregelungsansatz, der bewirkt, dass die thermischen Übergangsbedingungen im Motor/in der Umgebung kompensiert werden.
Ein Aspekt der Vorrichtung kann vorsehen, dass die Mittel zum Berechnen des Korrekturwerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels Mittel umfassen, um die berechnete Differenz als Eingabe in einen Regler zu verwenden, der als Ausgabe den Korrekturwert liefert.
Dieser Aspekt schafft eine zuverlässige Lösung zur Ausführung des Rückkopplungsansatzes im Rahmen der vorgeschlagenen kombinierten Strategie.
Gemäß einem Aspekt der Vorrichtung kann der Regler unter einem Proportional-Regler, einem Proportional-Integral-Regler und einem Proportional-Integral-Differenzial-Regler gewählt werden.
Dieser Aspekt ermöglicht es, den Rückkopplungsregelungsansatz entsprechend auf die spezifischen Anforderungen des Systems abzustimmen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Vorrichtung umfassen die Mittel zum Berechnen des Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels Mittel zum Lösen eines mathematischen Temperaturmodells des Injektors.
Dieser Aspekt bewirkt, dass ein zuverlässiger Basiswert des Massendurchsatzes des Kühlmittels berechnet werden kann.
Dabei kann das mathematische Temperaturmodell, das zum Berechnen des Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels verwendet wird, das gleiche mathematische Temperaturmodell sein, das zum Berechnen des Werts der Injektortemperatur verwendet wird.
Dieser Aspekt der Erfindung hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige Zuverlässigkeit der Strategie garantiert wird.
Eine weitere Ausführungsform der Lösung schafft ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Injektors zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr eines Verbrennungsmotors, das die folgenden Schritte umfasst:

– Aktivieren einer Pumpe, um ein Kühlmittel in einen Kühlmittelkreislauf zu befördern, der einen Abschnitt aufweist, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Injektor steht,
– Bestimmen eines Werts eines Massendurchsatzes des von der Pumpe bereitgestellten Kühlmittels,
– Berechnen eines Werts einer Injektortemperatur als Funktion des bestimmten Werts des Massendurchsatzes,
– Berechnen einer Differenz zwischen dem berechneten Wert der Injektortemperatur und einem vorbestimmten Sollwert,
– Anpassen des Massendurchsatzes des von der Pumpe bereitgestellten Kühlmittels auf Basis der berechneten Differenz.

Diese Ausführungsform erzielt im Wesentlichen die gleichen Effekte, wie sie für das entsprechende Computerprogramm beschrieben wurden, insbesondere den Effekt, dass die Temperatur des Injektors auf effiziente Weise geregelt wird, während der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.
Gemäß einem Aspekt des Verfahrens kann die Berechnung des Werts der Injektortemperatur den Schritt des Lösens eines mathematischen Temperaturmodells des Injektors umfassen.
Dieser Aspekt bewirkt, dass ein zuverlässiger Wert der Injektortemperatur berechnet werden kann.
Dabei kann bei der Lösung des mathematischen Temperaturmodells ein Wert von einem oder mehreren der folgenden zusätzlichen Parameter verwendet werden: ein Massendurchsatz eines im Abgasrohr strömenden Abgases, eine Temperatur des Abgases, ein Massendurchsatz des vom Injektor eingespritzten Reduktionsmittels, eine Temperatur des Reduktionsmittels, eine Temperatur des Kühlmittels, eine Umgebungstemperatur, eine Spannung, die an eine elektrische Wicklung angelegt wird, die den Injektor betätigt, ein durch die elektrische Wicklung fließender elektrischer Strom. Dank dieser Lösung kann das mathematische Temperaturmodell eine Reihe von Wärmebeiträgen berücksichtigen, die zusammenwirken, um die Temperatur des Injektors zu bestimmen.
Gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens kann die Anpassung des Massendurchsatzes des Kühlmittels die folgenden Schritte umfassen:

Dieser Aspekt kombiniert einen Vorwärtsregelungsansatz, der bewirkt, dass eine rasche Reaktion auf Übergangszustände bei den Motorbetriebsbedingungen möglich ist, mit einem Rückkopplungsregelungsansatz, der bewirkt, dass die thermischen Übergangsbedingungen im Motor/in der Umgebung kompensiert werden.
Ein Aspekt des Verfahrens kann vorsehen, dass die Berechnung des Korrekturwerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels den Schritt des Verwendens der berechneten Differenz als Eingabe in einen Regler umfasst, der als Ausgabe den Korrekturwert liefert. Dieser Aspekt schafft eine zuverlässige Lösung zur Ausführung des Rückkopplungsansatzes im Rahmen der vorgeschlagenen kombinierten Strategie.
Gemäß einem Aspekt des Verfahrens kann der Regler unter einem Proportional-Regler, einem Proportional-Integral-Regler und einem Proportional-Integral-Differenzial-Regler gewählt werden.
Dieser Aspekt ermöglicht es, den Rückkopplungsregelungsansatz entsprechend auf die spezifischen Anforderungen des Systems abzustimmen.
Gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens umfasst die Berechnung des Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels den Schritt des Lösens eines mathematischen Temperaturmodells des Injektors.
Dieser Aspekt bewirkt, dass ein zuverlässiger Basiswert des Massendurchsatzes des Kühlmittels berechnet werden kann.
Dabei kann das mathematische Temperaturmodell, das zum Berechnen des Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels verwendet wird, das gleiche mathematische Temperaturmodell sein, das zum Berechnen des Werts der Injektortemperatur verwendet wird.
Dieser Aspekt der Erfindung hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige Zuverlässigkeit der Strategie garantiert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun soll die vorliegende Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden.
1 zeigt ein Kraftfahrzeugsystem.
2 ist ein Querschnitt eines zu dem Kraftfahrzeugsystem von 1 gehörenden Verbrennungsmotors.
3 ist eine schematische Darstellung eines zu dem Kraftfahrzeugsystem von 1 gehörenden SCR-Systems.
4 ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems für einen DEF-Injektor des SCR-Systems von 3.
5 ist ein Fließdiagramm, das eine Strategie zur Kühlung des DEF-Injektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Einige Ausführungsformen können ein Kraftfahrzeug (z. B. einen Personenkraftwagen) beinhalten, das ein Kraftfahrzeugsystem 100 verkörpert, wie es in 1 und 2 dargestellt ist. Das Kraftfahrzeugsystem 100 umfasst einen Verbrennungsmotor (ICE) 110 mit einem Motorblock 120, der mindestens einen Zylinder 125 mit einem Kolben 140 definiert, der eine Kopplung aufweist, mit der die Kurbelwelle 145 gedreht wird. Ein Zylinderkopf 130 arbeitet mit dem Kolben 140 zusammen, um einen Verbrennungsraum 150 zu definieren. Ein Luft-Kraftstoffgemisch (nicht gezeigt) wird in den Verbrennungsraum 150 eingebracht und entzündet, was zu heißen expandierenden Verbrennungsgasen führt, die zu einer Hin- und Herbewegung des Kolbens 140 führen. Der Kraftstoff wird von mindestens einem Kraftstoffinjektor 160 zur Verfügung gestellt und die Luft durch mindestens einen Einlass 210. Der Kraftstoff wird unter hohem Druck von einem Kraftstoffrohr 170, das fluidzuleitend mit einer Hochdruckpumpe 180, die den Druck des von einer Kraftstoffquelle 190 kommenden Kraftstoffs erhöht, verbunden ist, zum Kraftstoffinjektor 160 geführt. Jeder der Zylinder 125 hat mindestens zwei Ventile 215, die von einer Nockenwelle 135 betrieben werden, die sich zeitgleich mit der Kurbelwelle 145 dreht. Die Ventile 215 lassen selektiv Luft vom Einlass 210 in den Verbrennungsraum 150 und erlauben alternierend den Auslass der Abgase durch den Auslass 220. In einigen Beispielen wird ein Nockenwellenverstellsystem 155 genutzt, um selektiv die zeitliche Abfolge zwischen der Nockenwelle 135 und der Kurbelwelle 145 zu verändern.
Die Luft kann den Lufteinlässen 210 über einen Einlasskrümmer 200 zugeführt werden. Eine Lufteinlassleitung 205 führt dem Einlasskrümmer 200 Umgebungsluft zu. In anderen Ausführungsformen kann eine Drosselklappe 330 gewählt werden, um den Luftstrom zum Einlasskrümmer 200 zu regeln. In weiteren Ausführungsformen wird ein System für komprimierte Luft wie beispielsweise ein Turbolader 230 mit einem Kompressor 240, der sich zusammen mit einer Turbine 250 dreht, eingesetzt. Die Drehung des Kompressors 240 erhöht den Druck und die Temperatur der Luft in der Leitung 205 und dem Einlasskrümmer 200. Ein in der Leitung 205 enthaltender Intercooler 260 kann die Temperatur der Luft reduzieren. Die Turbine 250 dreht sich beim Einströmen der von einem Auslasskrümmer 225 kommenden Abgase, der Abgas vom Auslass 220 durch eine Serie von Leitschaufeln leitet, bevor es durch die Turbine 250 expandiert wird. Dieses Beispiel zeigt eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) mit einem VGT-Aktuator 255, der ausgebildet ist, um die Leitschaufeln bzw. Flügel zu bewegen, damit die Flügel das Strömen des Abgases durch die Turbine 250 ändern. In anderen Ausführungsformen kann der Turbolader 230 eine feste Geometrie haben und/oder ein Wastegate haben.
Die Abgase verlassen die Turbine 250 und werden zu einem Abgassystem 270 geführt. Das Abgassystem 270 kann ein Abgasrohr 275 aufweisen, das eine oder mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen hat, wie dies in 3 dargestellt ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtungen können beliebige Vorrichtungen sein, mit denen die Zusammensetzung der Abgase geändert werden kann. In dem vorliegenden Beispiel umfassen die Nachbehandlungsvorrichtungen ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) 280, das einen SCR-Katalysator 281 (auch als SCR-Wandler bezeichnet) aufweist, der im Abgasrohr 275 angeordnet ist, um die im Abgas enthaltenen Stickoxide in zweiatomigen Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Die Umwandlung erfolgt mithilfe eines flüssigen Reduktionsmittels (z. B. Harnstoff), das stromaufwärts vom SCR-Katalysator 281 in das Abgasrohr 275 eingespritzt wird. Auf diese Weise mischt sich das Reduktionsmittel, das auch als Dieselemissionsfluid (DEF) bezeichnet wird, mit dem Abgas und verdampft, bevor es im SCR-Katalysator 281 absorbiert und gespeichert wird. Das Reduktionsmittel wird mithilfe eines DEF-Injektors 282, der stromaufwärts vom SCR-Katalysator 281 angeordnet ist, in das Abgasrohr 275 eingespritzt. Der DEF-Injektor 282 umfasst gewöhnlich eine im Abgasrohr 275 angeordnete Düse und eine Nadel, die von einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position der Düse des DEF-Injektors und umgekehrt bewegt werden kann. Die Nadel wird normalerweise zum Beispiel durch eine Feder in der geschlossenen Position gehalten. Der DEF-Injektor 282 kann ferner eine elektrische Wicklung 292 umfassen, die selektiv mit Energie versorgt werden kann, um die Nadel in die geöffnete Position zu bewegen. Das Reduktionsmittel wird dem DEF-Injektor 282 durch eine Zufuhrleitung 283 zugeführt, die in Fluidverbindung mit einer DEF-Pumpe 284 steht, die den Druck des von einem DEF-Behälter 285 kommenden Reduktionsmittels erhöht. Die DEF-Pumpe 285 kann durch einen Elektromotor 294 betätigt werden. Das SCR-System 280 kann auch einen Sensor 286 für Druck und Temperatur des DEF umfassen, der in der Zufuhrleitung 283 angeordnet ist und den Druck und die Temperatur des darin befindlichen Reduktionsmittels misst. Die Nachbehandlungsvorrichtungen können ferner einen im Abgasrohr 275 stromaufwärts vom DEF-Injektor 282 angeordneten Oxidationskatalysator 289 und einen im Abgasrohr 275 stromabwärts vom SCR-Katalysator 281 angeordneten Partikelfilter 290 umfassen. Andere Ausführungsformen können ferner ein Abgasrückführungssystem (EGR) 300 umfassen, das in 1 dargestellt ist und das mit dem Auslasskrümmer 225 und dem Einlasskrümmer 200 verbunden ist. Das EGR-System 300 kann ferner Folgendes aufweisen: einen EGR-Kühler 310, um die Temperatur der Abgase im EGR-System 300 zu reduzieren, und ein EGR-Ventil 320, um den Fluss der Abgase im EGR-System 300 zu regeln.
Das Kraftfahrzeugsystem 100 kann ferner einen Motorkühlkreislauf 500 zur Kühlung des ICE 110 umfassen, wie er schematisch in 4 dargestellt ist. Der Motorkühlkreislauf 500 umfasst im Wesentlichen eine Hauptkühlmittelpumpe 505 (die üblicherweise mechanisch derart gekoppelt ist, dass sie durch die Kurbelwelle 145 angetrieben wird), die ein Kühlmittel, typischerweise ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, von einem Kühlmittelbehälter 510 zum ICE 110 liefert (z. B. zu einer Vielzahl von Kühlkanälen, die im Inneren des Motorblocks 120 und des Zylinderkopfs 130 definiert sind), und einen Kühler 515, um das Kühlmittel zu kühlen, nachdem es den ICE 110 passiert hat und bevor es zum Kühlmittelbehälter 510 zurückkehrt.
Der Motorkühlkreislauf 500 kann hydraulisch mit einem zusätzlichen Kühlkreislauf 520 verbunden sein, der dazu dient, den DEF-Injektor 282 zu kühlen. Der zusätzliche Kühlkreislauf 520 umfasst einen im Folgenden als Wärmetauscher bezeichneten und in den Zeichnungen mit 525 gekennzeichneten Abschnitt, in dem sich das Kühlmittel in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem DEF-Injektor 282 befindet, während es vom Reduktionsmittel und vom Abgas im Abgasrohr 275 physikalisch getrennt bleibt. Das Kühlmittel wird dem Wärmetauscher 525 durch eine zusätzliche Pumpe 530 zugeführt, die den Druck des von einem zusätzlichen Behälter 535 (z. B. einem Wasserabscheider) kommenden Kühlmittels erhöht. Die zusätzliche Pumpe 530 kann durch einen Elektromotor 540 betätigt werden, der unabhängig von der Hauptkühlmittelpumpe 505 betrieben werden kann. Der zusätzliche Behälter 535 ist durch eine Verbindungsleitung 545 mit dem Motorkühlkreislauf 500 hydraulisch gekoppelt, so dass ein Teil des Kühlmittels, das unter der Einwirkung der Hauptkühlmittelpumpe 505 im Motorkühlmittelkreislauf 505 zirkuliert, in den zusätzlichen Behälter 535 fließen kann und sich dort ansammeln kann. Der zusätzliche Kühlkreislauf 520 kann ferner einen zusätzlichen Kühler 550 umfassen, um das im zusätzlichen Kühlkreislauf 520 zirkulierende Kühlmittel zu kühlen, nachdem es den Wärmetauscher 525 passiert hat und bevor es zum zusätzlichen Behälter 535 zurückkehrt. Der zusätzliche Kühlkreislauf 520 kann darüber hinaus mit einem Temperatursensor 555 versehen sein, um die Temperatur des Kühlmittels am Einlass des Wärmetauschers 525 zu messen.
Das Kraftfahrzeugsystem 100 kann weiterhin ein elektronisches Steuergerät (ECM) 450 aufweisen, das mit einem oder mehreren mit dem ICE 110 verbundenen Sensoren und/oder Geräten in Verbindung steht, wie dies in 1 dargestellt ist. Das ECM 450 kann Eingangssignale von verschiedenen Sensoren empfangen, die dafür ausgelegt sind, die Signale zu erzeugen, die proportional zu verschiedenen physikalischen Parametern in Zusammenhang mit dem ICE 110 sind. Die Sensoren umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, den Sensor 286 für Druck und Temperatur des DEF, einen Abgastemperatursensor 291, der im Abgasrohr 275 zwischen dem Oxidationskatalysator 289 und dem SCR-Katalysator 281, zum Beispiel stromaufwärts vom DEF-Injektor 282, angeordnet ist, einen Luftmassenfluss- und Temperatursensor 340, einen Druck- und Temperatursensor 350 für den Krümmer, einen Sensor 360 für den Druck im Verbrennungsraum, Sensoren 380 für die Kühlflüssigkeits- und die Öltemperatur und/oder den zugehörigen Füllstand, einen Drucksensor 400 für den Kraftstoff, einen Nockenwellenpositionssensor 410, einen Kurbelwellenpositionssensor 420, einen EGR-Temperatursensor 440, einen Positionssensor 445 für das Gaspedal sowie den Temperatursensor 555. Weiterhin kann das ECM 450 an verschiedene Steuergeräte Ausgangssignale ausgeben, um den Betrieb des ICE 110 zu steuern, beispielsweise, aber nicht ausschließlich, an die Kraftstoffinjektoren 160, an die Wicklung 292 des DEF-Injektors 282, an den Elektromotor 294 der DEF-Pumpe 284, an den Elektromotor 540 der zusätzlichen Kühlmittelpumpe 530, an die Drossel 330, an das EGR-Ventil 320, an den VGT-Aktuator 255, an das Nockenwellenverstellsystem 155 und an den Elektromotor 540 der Pumpe 530. Es ist anzumerken, dass gestrichelte Linien benutzt werden, um verschiedene Verbindungen zwischen den verschiedenen Sensoren, Vorrichtungen und dem ECM 450 anzudeuten, wobei aber andere zu Zwecken der Klarheit weggelassen sind.
Das Steuergerät 450 kann eine mit einem Speichersystem 460 und einem Bussystem datenverbundene digitale Mikroprozessoreinheit (CPU) besitzen. Die CPU ist ausgebildet, Befehle, die als ein in einem Speichersystem 460 abgelegtes Programm ausgeführt sind, abzuarbeiten, Eingangssignale vom Datenbus zu erfassen und Ausgangssignale an den Datenbus abzugeben. Der Datenbus kann dafür ausgelegt sein, analoge und/oder digitale Signale an die verschiedenen Sensoren und Steuervorrichtungen zu senden, von diesen zu empfangen und diese Signale zu modulieren. Das Speichersystem 460 kann verschiedene Speichermedien wie optische, magnetische, Festkörper- und andere nicht-flüchtige Medien besitzen. Das im Speichersystem 460 abgelegte Programm wird dem Steuergerät von außen kabelgebunden oder per Funk zugeführt. Außerhalb des Kraftfahrzeugsystems 100 tritt es regelmäßigerweise auf einem Computerprogrammprodukt in Erscheinung, welches im Fachgebiet auch als computer- oder maschinenlesbares Medium bezeichnet wird, und das als ein Computerprogrammcode auf einem Träger verstanden werden soll. Der Träger kann dabei flüchtiger oder nicht-flüchtiger Natur sein mit der Folge, dass man auch von einer flüchtigen oder nicht-flüchtigen Natur des Computerprogrammprodukts sprechen kann.
Ein Beispiel für ein flüchtiges Computerprogrammprodukt ist ein Signal, bspw. ein elektromagnetisches Signal wie ein optisches Signal, das ein flüchtiger Träger für den Computerprogrammcode ist. Das Tragen des Computerprogrammcodes kann durch Modulieren des Signals mit einem konventionellen Modulationsverfahren wie QPSK für digitale Daten erreicht werden, so dass binäre Daten, die den Computerprogrammcode repräsentieren, dem flüchtigen elektromagnetischen Signal aufgeprägt sind. Solche Signale werden zum Beispiel benutzt, wenn ein Computerprogrammcode kabellos über eine WiFi-Verbindung zu einem Laptop übertragen wird. Im Fall eines nicht-flüchtigen Computerprogrammprodukts ist der Computerprogrammcode in einem substratgebundenen Speichermedium verkörpert. Das Speichermedium ist dann der oben genannte nicht-flüchtige Träger, so dass der Computerprogrammcode permanent oder nicht-permanent auf abrufbare Weise in oder auf dem Speichermedium abgelegt ist. Das Speichermedium kann konventioneller Art sein, wie es im Bereich der Computertechnologie bekannt ist, bspw. ein flash memory, ein Asic, eine CD und dergleichen.
Anstelle eines Motorsteuergeräts 450 kann das Kraftfahrzeugsystem 100 eine andere Art von Prozessor haben, um die elektronische Logik bereitzustellen, bspw. ein eingebettetes Steuergerät (engl. embedded controller), einen Bordcomputer oder jede andere Art von Prozessor, die in einem Fahrzeug verwendet werden kann.
Das in dem Speichersystem 460 des ECM 450 gespeicherte Programm kann das nachfolgend offenbarte Verfahren verkörpern, wodurch es der CPU möglich wird, die Schritte dieses Verfahrens auszuführen und den ICE 110 zu steuern.
Bei dem vorliegenden Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Regelung der Temperatur des DEF-Injektors 282 während des Betriebs des SCR-Systems 280, wobei eine Ausführungsform in dem Fließdiagramm von 5 dargestellt ist.
Als ersten Schritt sieht das Verfahren vor, dass das ECM 450 die zusätzliche Pumpe 530 aktiviert (Block S100), um eine Zirkulation des Kühlmittels im zusätzlichen Kühlkreislauf 520 vom zusätzlichen Behälter 535 zum Wärmetauscher 525, vom Wärmetauscher 525 zum zusätzlichen Kühler 550 und vom zusätzlichen Kühler 550 zurück in den zusätzlichen Behälter 535 zu bewirken. Die zusätzliche Pumpe 530 kann aktiviert werden, indem der Elektromotor 540 mit elektrischem Strom versorgt wird.
Während die zusätzliche Pumpe 530 in Betrieb ist, sieht das Verfahren vor, dass das ECM 450 einen Wert m ._c eines Massendurchsatzes des Kühlmittels bestimmt (Block S105), der durch die zusätzliche Pumpe 530 zum Wärmetauscher 525 geliefert wird. Dieser Wert m ._c des Kühlmittel-Massendurchsatzes kann vom ECM 450 als Funktion einer Verdrängung und einer Geschwindigkeit der zusätzlichen Pumpe 530 berechnet werden, wobei die Geschwindigkeit der Pumpe indirekt auf Basis der elektrischen Betriebsparameter des Elektromotors 540 gemessen werden kann.
Der bestimmte Wert m ._c des Kühlmittel-Massendurchsatzes kann anschließend vom ECM 450 verwendet werden, um einen Wert T_inj einer Temperatur des DEF-Injektors 282, insbesondere seiner Düse, zu berechnen (Block S110). Der Wert T_inj der Injektortemperatur kann mithilfe eines mathematischen Temperaturmodells des DEF-Injektors 282 berechnet werden, d. h. mithilfe einer Gleichung (z. B. einer linearen Gleichung), die die vom DEF-Injektor 282 absorbierten und abgegebenen Wärmeflüsse (d. h. seine Energiebilanz) beschreibt.
Insbesondere kann die Energiebilanz des DEF-Injektors 282 durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
wobei Q ._gi der Wärmefluss vom Abgas im Abgasrohr 275 zum DEF-Injektor 282 ist, Q ._ia der Wärmefluss vom DEF-Injektor 282 zur externen Umgebung ist, Q ._coil der von der elektrischen Wicklung 292 des DEF-Injektors 282 erzeugte Wärmefluss ist, m ._u der Massendurchsatz des durch den DEF-Injektor 282 strömenden Reduktionsmittels ist,
die spezifische Wärme des Reduktionsmittels bei konstantem Druck ist,
die Temperatur des Reduktionsmittels bei einem Auslass (z. B. einer Düse) des DEF-Injektors 282 ist,
die Temperatur des Reduktionsmittels bei einem Einlass des DEF-Injektors 282 ist, m ._c der Massendurchsatz des durch den DEF-Injektor 282 strömenden Kühlmittels ist,
die spezifische Wärme des Kühlmittels bei konstantem Druck ist, T_Cout die Temperatur des Kühlmittels bei einem Auslass des Wärmetauschers 525 ist, T_Cin die Temperatur des Kühlmittels bei einem Einlass des Wärmetauschers 525 ist, m_c die Masse des im DEF-Injektor 282 enthaltenen Kühlmittels ist, T_Inj die Temperatur des DEF-Injektors 282 ist, m_u Masse des im DEF-Injektor 282 enthaltenen Reduktionsmittels ist, m_Inj die Masse des DEF-Injektors 282 ist und
die spezifische Wärme des DEF-Injektors 282 bei konstantem Druck ist.
Tatsächlich lässt die Gleichung (1) die Wärme außer Acht, die vom DEF-Injektor 282 zur Wand des Abgasrohrs 275 strömt; diese liefert jedoch aufgrund der extrem kleinen Austauschfläche zwischen dem DEF-Injektor 282 und der Wand des Abgasrohrs nur einen vernachlässigbaren Beitrag zur Energiebilanz.
Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, enthält die Gleichung (1), welche die Energiebilanz des DEF-Injektors 282 beschreibt, einige Konstanten, nämlich
und
einige Parameter, die nur von der Geometrie des DEF-Injektors 282 abhängen und somit ein für alle Mal bestimmt und als Konstanten betrachtet werden können, nämlich m_c, m_u und m_Inj, sowie mehrere Variablen, nämlich Q ._gi, Q ._ia, Q ._coil, m ._u,
m ._c, T_Cout, T_Cin und T_Inj.
Um den Wärmefluss Q ._gi bestimmen, ist es möglich, einen Abschnitt des Abgasrohrs 275 heranzuziehen, der zwischen einem stromaufwärts vom DEF-Injektor 282 (z. B. am Auslass des Oxidationskatalysators 289) befindlichen Querschnitt Q1 und einem stromabwärts vom DEF-Injektor 282 (z. B. am Einlass des SCR-Katalysators 281) befindlichen Querschnitt Q2 angeordnet ist, wie dies in 3 und 4 dargestellt ist. Was diesen Abschnitt des Abgasrohrs 275 betrifft, so kann der Wärmefluss Q ._gi durch die folgende mathematische Gleichung beschrieben werden: Q ._gi = h_gi·A_g1·(((T₂ + T₁)/2) – T_Inj) (2) wobei h_gi der globale Wärmeaustauschkoeffizient zwischen dem Abgas und dem DEF-Injektor 282 ist, A_g1 die Oberfläche des DEF-Injektors 282 ist, die sich in Kontakt mit dem Abgas im Abgasrohr 275 befindet, T₂ die Temperatur des (mit dem Reduktionsmittel gemischten) Abgases am Auslass Q2 des oben genannten Abschnitts des Abgasrohrs 275 ist und T₁ die Temperatur des Abgases am Einlass Q1 des oben genannten Abschnitts des Abgasrohrs 275 ist.
Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, enthält diese Wärmefluss-Gleichung (2) eine Konstante h_gi, einen Parameter A_g1, der nur von der Geometrie des DEF-Injektors 282 abhängt, so dass er ein für alle Mal bestimmt und als Konstante betrachtet werden kann, und die folgenden unbekannten Variablen: T₂, T₁ und T_Inj.
Andererseits kann der Wärmefluss Q ._ia durch die folgende mathematische Gleichung beschrieben werden: Q ._ia = h_ia·A_ia·(T_Inj – T_amb) (3) wobei h_ia der globale Wärmeaustauschkoeffizient zwischen dem DEF-Injektor 282 und der externen Umgebung (d. h. der Außenluft) ist, A_ia die Oberfläche des DEF-Injektors 282 ist, die sich in Kontakt mit der externen Umgebung befindet und T_amb die Temperatur der externen Umgebung ist.
Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, enthält diese Wärmefluss-Gleichung (3) eine Konstante h_ia, einen Parameter A_ia, der nur von der Geometrie des DEF-Injektors 282 abhängt, so dass er ein für alle Mal bestimmt und als Konstante betrachtet werden kann, und die folgenden Variablen: T_inj und T_amb.
Der Wärmefluss Q ._coil kann seinerseits durch die folgende mathematische Gleichung beschrieben werden: Q ._coil = V·l·Δt (4) wobei V die an die Wicklung 292 des DEF-Injektors 282 angelegte Spannung ist, l der durch die Wicklung 292 des DEF-Injektors 282 fließende elektrische Strom ist und Δt der Zeitraum ist, während dessen die Wicklung mit Strom versorgt ist.
Wenn die Gleichungen (2), (3) und (4) in die Gleichung (1) eingesetzt werden, wird die Energiebilanz des DEF-Injektors 282 durch eine Gleichung mit den folgenden Variablen beschrieben: T₂, T₁, T_amb, V, l, m ._u,
m ._c, T_Cout, T_Cin und T_Inj.
Die Temperatur
des Reduktionsmittels am Auslass des DEF-Injektors 282 kann mithilfe eines mathematischen Temperaturmodells des Abgases bestimmt werden, nämlich mithilfe einer Gleichung (z. B. einer linearen Gleichung), welche die vom Abgas in dem oben genannten Abschnitt des Abgasrohrs 275 absorbierten und freigesetzten Wärmeströme (d. h. die Energiebilanz) beschreibt.
Insbesondere kann die Energiebilanz des Abgases durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
wobei Q ._gw die Wärme ist, die vom Abgas zur Wand des oben genannten Abschnitts des Abgasrohrs 275 strömt, m_g die Masse des in dem genannten Abschnitt des Abgasrohrs 275 enthalten Abgases ist, m ._g der Massendurchsatz des durch das Abgasrohr 275 strömenden Abgases ist und
die spezifische Wärme des Abgases bei konstantem Druck ist.
Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, enthält die Gleichung (5), welche die Energiebilanz des Abgases beschreibt, einige Konstanten, nämlich
einen Parameter m_g der nur von der Geometrie des oben genannten Abschnitts des Abgasrohrs 275 abhängt und der somit ein für alle Mal bestimmt und als Konstante betrachtet werden kann, einen Parameter m_u, der nur von der Geometrie des DEF-Injektors 282 abhängt und der somit als Konstante betrachtet werden kann, und mehrere Variablen, nämlich Q ._gi, Q ._gw, m ._u,
T₂, T₁ und m ._g .
Der Wärmefluss Q ._gw kann durch die folgende mathematische Gleichung beschrieben werden: Q ._gw = h_gw·A_gw·(((T₂ + T₁)/2) – T_w) (6) wobei h_gw der globale Wärmeaustauschkoeffizient zwischen dem Abgas und der Wand des oben genannten Abschnitts des Abgasrohrs 275 ist, A_gw die mit dem Abgas in Kontakt befindliche Oberfläche dieses Abschnitts des Abgasrohrs 275 ist und T_w die Temperatur der Wand des oben genannten Abschnitts des Abgasrohrs 275 ist.
Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, enthält diese Wärmefluss-Gleichung (6) eine Konstante h_gw, einen Parameter A_gw, der nur von der Geometrie des Abschnitts des Abgasrohrs 275 abhängt, so dass er ein für alle Mal bestimmt und als Konstante betrachtet werden kann, sowie die die folgenden Variablen: T₂, T₁, T_w.
Wenn die Gleichung (6) und die Gleichung (2) in die Gleichung (5) eingesetzt werden, kann die Energiebilanz des Abgases durch eine Gleichung mit den folgenden Variablen beschrieben werden: T_inj, T_w, m ._u
T₂, T₁ und m ._g .
Wenn die Gleichung (5) für
gelöst und in die Gleichung (1) eingesetzt wird, hängt die Energiebilanz des DEF-Injektors 282 von den folgenden Variablen ab: T₂, T₁, T_amb, V, l, m ._u T_w,
m ._g , m ._c , T_Cout, T_Cin und T_Inj.
Die Temperatur T_w der Wand des oben genannten Abschnitts des Abgasrohrs 275 kann mithilfe eines mathematischen Temperaturmodells der Wand bestimmt werden, nämlich mithilfe einer Gleichung (z. B. einer linearen Gleichung), welche die von der Wand des Abschnitts des Abgasrohrs 275 absorbierten und freigesetzten Wärmeströme (d. h. die Energiebilanz) beschreibt.
Insbesondere kann die Energiebilanz des Abschnitts des Abgasrohrs durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
wobei Q ._wa der Wärmefluss von der Wand des Abschnitts des Abgasrohrs 275 zur externen Umgebung ist, m_w die Masse der Wand des Abschnitts des Abgasrohrs 275 ist und
die spezifische Wärme der Wand des Abgasrohrs bei konstantem Druck ist.
Auch diese Gleichung (7) lässt den Wärmefluss vom DEF-Injektor 282 zur Wand des Abgasrohrs 275 außer Acht.
Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, enthält die Gleichung (7), welche die Energiebilanz der Wand des Abgasrohrs beschreibt, eine Konstante
einen Parameter m_w der nur von der Geometrie des Abschnitts des Abgasrohrs abhängt und somit ein für alle Mal bestimmt und als Konstante betrachtet werden kann, sowie mehrere Variablen, nämlich Q ._gw, Q ._wa und T_w.
Der Wärmefluss Q ._wa kann durch die folgende mathematische Gleichung beschrieben werden: Q ._wa = h_wa·A_wa·(T_w – T_amb) (8) wobei h_wa der globale Wärmeaustauschkoeffizient zwischen der Wand des Abschnitts des Abgasrohrs und der externen Umgebung ist und A_wa die mit der externen Umgebung in Kontakt befindliche Oberfläche des Abschnitts des Abgasrohrs ist.
Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, enthält diese Wärmefluss-Gleichung (8) eine Konstante h_wa, einen Parameter A_wa, der nur von der Geometrie des Abschnitts des Abgasrohrs abhängt, so dass er ein für alle Mal bestimmt und als Konstante betrachtet werden kann, sowie die folgenden Variablen, nämlich T_amb und T_w.
Wenn diese Gleichung (8) und die Gleichung (6) in die Gleichung (7) eingesetzt werden, wird die Energiebilanz des Abgasabschnitts durch eine Gleichung mit den folgenden unbekannten Variablen beschrieben: T₂, T₁, T_amb und T_w.
Wenn die Gleichung (7) für T_w gelöst wird und in die Gleichung (1) eingesetzt wird, hängt die Energiebilanz des DEF-Injektors 282 von den folgenden Variablen ab: T₂, T₁, T_amb, V, l, m ._u , T_w,
m ._g, m ._c, T_Cout, T_Cin und T_Inj.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das Verfahren im Schritt S110 somit vorsehen, dass das ECM 450 den Wert von jedem der folgenden Parameter, nämlich T₂, T₁, T_amb, V, l,
m ._g, m ._u, T_Cout, T_Cin bestimmt und mit dem mathematischen Modell (1), das die Energiebilanz des DEF-Injektors 282 beschreibt, den Wert T_Inj der Temperatur des DEF-Injektors berechnet, der dem bestimmten Wert m ._c , des Kühlmittel-Massendurchsatzes entspricht.
Dabei kann der Temperaturwert T₁ mit dem Temperatursensor 291 gemessen werden; der Temperaturwert T₂ kann mit einem zusätzlichen Temperatursensor (nicht dargestellt) gemessen werden, der zwischen dem DEF-Injektor 282 und dem SCR-Katalysator 281 angeordnet ist, oder er kann mit einem anderen mathematischen Modell geschätzt werden; der Temperaturwert T_amb kann mit einem entsprechenden Temperatursensor (nicht dargestellt) gemessen werden; der Spannungswert v und der Wert des elektrischen Stroms I können ausgehend vom elektrischen Stromkreis bestimmt werden, der die Wicklung 292 des DEF-Injektors 282 mit dem ECM 450 verbindet; der Temperaturwert
kann mit dem Temperatursensor 286 gemessen werden, der Wert m ._g des Massendurchsatzes des Abgases kann auf Basis einiger Motorbetriebsparameter (z. B. Motordrehzahl und Motordrehmoment) bestimmt werden; der Wert m ._u des Massendurchsatzes des vom DEF-Injektor 282 eingespritzten Reduktionsmittels kann durch die Logik bestimmt werden, die den Betrieb des SCR-Systems 280 steuert; der Temperaturwert T_Cin kann mit dem Temperatursensor 555 gemessen werden; der Temperaturwert T_Cout kann mit einem zusätzlichen Temperatursensor (nicht dargestellt) gemessen werden, der im zusätzlichen Kühlkreislauf 520 zwischen dem Wärmetauscher 525 und dem zusätzlichen Kühler 550 angeordnet ist, oder er kann mit einem anderen mathematischen Modell geschätzt werden.
Anschließend sieht das Steuerungsverfahren vor, dass das ECM 450 eine Differenz E zwischen dem berechneten Wert T_Inj der Temperatur des DEF-Injektors und einem Sollwert T_sp berechnet (Block S115). Der Sollwert T_sp der Temperatur des DEF-Injektors kann ein Kalibrationsparameter sein, der als Maximaltemperatur bestimmt wird, die der DEF-Injektor 282 erreichen kann, ohne einer übermäßigen thermischen Belastung ausgesetzt zu sein.
Die berechnete Differenz E kann anschließend vom ECM 450 als Eingabe in einen Regler S120 verwendet werden, zum Beispiel in einen Proportional-Regler (P-Regler), einen Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) oder einen Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler), der gemäß einem Rückkopplungsregelungsansatz als Ausgabe einen Korrekturwert CV des Massendurchsatzes des Kühlmittels erzeugt, der notwendig ist, um die Temperatur des DEF-Injektors 282 auf dem Sollwert T_sp zu halten. Gemäß einigen Ausführungsformen wird dieser Korrekturwert CV zu einem Basiswert BV des Kühlmittel-Massendurchsatzes addiert (Block S125), wodurch schließlich mithilfe der folgenden Formel ein erforderlicher Wert RV des Kühlmittel-Massendurchsatzes ermittelt wird: RV = CV + BV
Der Basiswert BV des Kühlmittel-Massendurchsatzes kann mit einem Vorwärtsregelungsansatz bestimmt werden (Block S130), der das gleiche mathematische Temperaturmodell des DEF-Injektors 282 verwendet, wie es durch das Lösen der oben erklärten Gleichung (1) erzielt wurde, wobei jedoch T_Inj durch T_sp und m ._c durch BV ersetzt wird. Anders ausgedrückt kann das Verfahren im Schritt S130 vorsehen, dass das ECM 450 den Wert von jedem der folgenden Parameter, nämlich T₂, T₁, T_amb, V, l,
m ._g, m ._u, T_Cout, T_Cin, bestimmt und mit dem mathematischen Modell (1), das die Energiebilanz des DEF-Injektors 282 beschreibt, den Basiswert BV des Kühlmittel-Massendurchsatzes berechnet, der dem Sollwert T_sp der Temperatur des DEF-Injektors entspricht. Auf diese Weise reagiert der erforderliche Wert RV des Kühlmittel-Massendurchsatzes rasch auf mögliche Veränderungen der Motorbetriebsbedingungen, die durch die Parameter T₂, T₁, T_amb, V, l,
m ._g, m ._u, T_Cout, T_Cin repräsentiert werden.
Nachdem nun der erforderliche Wert RV des Kühlmittel-Massendurchsatzes bekannt ist, sieht das Steuerungsverfahren schließlich vor, dass das ECM 450 den Betrieb der zusätzlichen Kühlmittelpumpe 530 (z. B. die Drehzahl des Elektromotors 540) derart anpasst (Block S135), dass im zusätzlichen Kühlkreislauf 520 ein Kühlmittel-Massendurchsatz bereitgestellt wird, der dem erforderlichen Wert RV entspricht.
Anschließend kann das Verfahren während des Betriebs des ICE 110 und des DEF-Injektors 282 zyklisch wiederholt werden, wodurch eine kontinuierliche Regelung des von der zusätzlichen Kühlmittelpumpe 530 bereitgestellten Kühlmittel-Massendurchsatzes ermöglicht wird.
In der vorstehenden Zusammenfassung und genauen Beschreibung wurde wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform vorgestellt; es sollte jedoch beachtet werden, dass es eine große Anzahl von Abänderungsmöglichkeiten gibt. Es sollte auch beachtet werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu dienen, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder den Aufbau in welcher Weise auch immer einzuschränken. Vielmehr wird die vorstehende Zusammenfassung und genaue Beschreibung dem Fachmann eine praktische Anleitung zur Umsetzung von wenigstens einer beispielhaften Ausführungsform bieten, wobei es sich von selbst versteht, dass verschiedene Abänderungen bei den Funktionen und Anordnungen der anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen und ihren rechtlichen Äquivalenten definiert ist.
Bezugszeichenliste

100: Kraftfahrzeugsystem
110: Verbrennungsmotor
120: Motorblock
125: Zylinder
130: Zylinderkopf
135: Nockenwelle
140: Kolben
145: Kurbelwelle
150: Verbrennungsraum
155: Nockenwellenverstellsystem
160: Kraftstoffinjektor
170: Kraftstoffrohr
180: Kraftstoffpumpe
190: Kraftstoffquelle
200: Einlasskrümmer
205: Lufteinlassleitung
210: Einlassöffnung
215: Ventile
220: Auslassöffnung
225: Abgaskrümmer
230: Turbolader
240: Kompressor
250: Turbine
255: VGT-Aktuator
260: Intercooler
270: Abgassystem
275: Abgasrohr
280: SCR-System
281: SCR-Katalysator
282: DEF-Injektor
283: Zufuhrleitung
284: DEF-Pumpe
285: DEF-Behälter
286: Sensor für Druck und Temperatur des DEF
289: Oxidationskatalysator
290: Partikelfilter
291: Abgastemperatursensor
292: Wicklung
294: Elektromotor
300: Abgasrückführungssystem (EGR)
310: EGR-Kühler
320: EGR-Ventil
330: Drosselklappe
340: Massenfluss- und Temperatursensor für die Luft
350: Sensor für Krümmerdruck und -temperatur
360: Verbrennungsdrucksensor
380: Sensoren für Kühlflüssigkeits- und Öltemperatur und den zugehörigen Füllstand
400: Kraftstoffleistendrucksensor
410: Nockenwellenpositionssensor
420: Kurbelwellenpositionsensor
440: EGR-Temperatursensor
445: Gaspedalpositionssensor
450: elektronisches Steuergerät (ECM)
460: Speichersystem
500: Motorkühlkreislauf
505: Kühlmittelpumpe
510: Kühlmittelbehälter
515: Kühler
520: zusätzlicher Kühlkreislauf
525: Wärmetauscher
530: zusätzliche Pumpe
535: zusätzlicher Behälter
540: Elektromotor
545: Verbindungsleitung
550: zusätzlicher Kühler
555: Temperatursensor
Q1: Querschnitt
Q2: Querschnitt
S100: Block
S105: Block
S110: Block
S115: Block
S120: Block
S125: Block
S130: Block
S135: Block

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2192280 [0003]

Claims

Computerprogramm zur Regelung der Temperatur eines Injektors (282) zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr (275) eines Verbrennungsmotors (110), umfassend einen Computercode, um, wenn dieser auf einem Computer ausgeführt wird, die folgenden Schritte durchzuführen: – Aktivieren einer Pumpe (530), um ein Kühlmittel in einen Kühlmittelkreislauf (520) zu befördern, der einen Abschnitt (252) aufweist, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Injektor (282) steht, – Bestimmen eines Werts eines Massendurchsatzes des von der Pumpe (530) bereitgestellten Kühlmittels, – Berechnen eines Werts einer Temperatur des Injektors (282) als Funktion des bestimmten Werts des Massendurchsatzes, – Berechnen einer Differenz zwischen dem berechneten Wert der Temperatur des Injektors und einem vorbestimmten Sollwert, – Anpassen des Massendurchsatzes des von der Pumpe (530) bereitgestellten Kühlmittels auf Basis der berechneten Differenz.
Computerprogramm nach Anspruch 1, wobei die Berechnung des Werts der Injektortemperatur den Schritt des Lösens eines mathematischen Temperaturmodells des Injektors (282) umfasst.
Computerprogramm nach Anspruch 1, wobei beim Lösen des mathematischen Temperaturmodells ein Wert von einem oder mehreren der folgenden zusätzlichen Parameter verwendet wird: ein Massendurchsatz eines im Abgasrohr (275) strömenden Abgases, eine Temperatur des Abgases, ein Massendurchsatz des vom Injektor (282) eingespritzten Reduktionsmittels, eine Temperatur des Reduktionsmittels, eine Temperatur des Kühlmittels, eine Umgebungstemperatur, eine Spannung, die an eine elektrische Wicklung (292) angelegt wird, die den Injektor (282) betätigt, ein durch die elektrische Wicklung (292) fließender elektrischer Strom.
Computerprogramm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassung des Massendurchsatzes des Kühlmittels die folgenden Schritte umfasst: – Berechnen eines Korrekturwerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels als Funktion der berechneten Differenz, – Berechnen eines Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels als Funktion des Sollwerts der Injektortemperatur, – Berechnen eines erforderlichen Werts des Massendurchsatzes des Kühlmittels als Summe des Basiswerts und des Korrekturwerts, – Betätigen der Pumpe (530), um den erforderlichen Wert des Massendurchsatzes des Kühlmittels bereitzustellen.
Computerprogramm nach Anspruch 4, wobei die Berechnung des Korrekturwerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels den Schritt des Verwendens der berechneten Differenz als Eingabe in einen Regler (S120) umfasst, der als Ausgabe den Korrekturwert liefert.
Computerprogramm nach Anspruch 5, wobei der Regler (S120) unter einem Proportional-Regler, einem Proportional-Integral-Regler und einem Proportional-Integral-Differenzial-Regler gewählt wird.
Computerprogramm nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Berechnung des Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels den Schritt des Lösens eines mathematischen Temperaturmodells des Injektors umfasst.
Computerprogramm nach Anspruch 2 und 7, wobei das mathematische Temperaturmodell, das zum Berechnen des Basiswerts des Massendurchsatzes des Kühlmittels verwendet wird, das gleiche ist, wie es zum Berechnen des Werts der Injektortemperatur verwendet wird.
Computerprogrammprodukt, umfassend einen Träger, auf dem ein Computerprogramm nach einem der vorhergehenden Ansprüche gespeichert ist.
Steuerungsvorrichtung für einen Injektor (282) zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr (275) eines Verbrennungsmotors (110), umfassend ein elektronisches Steuergerät (450), einen mit dem elektronischen Steuergerät verbundenen Datenträger (460) und ein in dem Datenträger gespeichertes Computerprogramm nach einem der Ansprüche 1 bis 9.