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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Steuerung von Turboladern,
die in Motoren mit Abgasrückführsystemen
(EGR – exhaust
gas recirculation) verwendet werden, und insbesondere einen intelligenten
elektrischen Steller mit Diagnose- und Speicherfähigkeiten unter Verwendung
von Turboladerdrehzahl, Luft- und EGR-Gastemperaturen und Luft-
und EGR-Gasdrücken
zur Steuerung eines Turboladers mit variabler Geometrie und integriertem EGR-Ventil.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Diese
Nutzfahrzeuge verwenden in der Regel Turbolader zur erhöhten Effizienz
des Motors. Zudem die regulatorischen Anforderungen für Senkungen
bei den NOx- Bundesemissionspegeln für das Jahr 2002, und darüber hinaus,
haben Dieselmotoren Motorluftsystemsteuerung einen komplexeren und
wichtigeren Teil der Gesamtmotorenleistung gemacht. Die Steuerung
des Turboladers und von EGR-Systemen des Motors umfassen die Primärmittel
für solches
Luftsystemmanagement.
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Die
Lebensdauer eines Turboladers ist unter anderem größtenteils
eine Funktion der Drehzahl/der Einschaltdauer, denen er unterworfen
ist, spezifisch bezüglich
der Ermüdungslebensdauer
des Turbinenrads und des Verdichterrads (oder vielleicht einer internen
Komponente des Turboladers). Es ist sehr schwierig, präzise zu
wissen, welcher bestimmten Drehzahl/Einschaltdauer der Turbolader
für eine
beliebige gegebene Anwendung unterworfen ist. Dies macht es deshalb
sehr schwierig vorherzusagen, was die Nutzungsdauer des Turboladers
bezüglich ermüdungsbezogener
Fälle sein
wird. Deshalb können Ermüdungsausfälle von
Turboladerrädern
ohne Ankündigung
ausfallen und tun dies auch. Das proaktive Austauschen des Turboladers
bei einer "sicheren" akkumulierten Zeit
ist nicht kosteneffektiv und führt
zu einer übermäßigen Stillstandszeit
des Motors.
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EP-A-065740
und US-A-5,771,867 offenbaren beide eine gemeinsame Steuerung eines
variablen Turboladersteckers und eines EGR-Ventils.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Abgasrückführsystem (EGR) für einen
Verbrennungsmotor bereit, umfassend:
einen Turbolader, der
eine Turbineneinlaßdüse mit variabler
Geometrie aufweist, die Abgas von einem Abgaskrümmer erhält;
ein einstellbares
EGR-Ventil mit einem Einlaß,
der so angeschlossen ist, daß er
Abgas von dem Abgaskrümmer
erhält;
einen
Hauptsteller mit einem ersten Einstellmittel, angeschlossen an die
Turbineneinlaßdüse mit variabler Geometrie
zu ihrer Einstellung durch einen Bereich von Positionen, wobei der
Hauptsteller weiterhin einen Controller aufweist, der eine erste
Mehrzahl von Turboladerzustandssignalen und eine zweite Mehrzahl
von Motorzustandssignalen erhält,
wobei der Controller das erste Einstellmittel als Reaktion auf die erste
und zweite Mehrzahl von Signalen positioniert; und einen Nebensteller
mit einem zweiten Einstellmittel, angeschlossen an das EGR-Ventil
zu seiner Einstellung in mindestens eine offene Position und eine
geschlossene Position, wobei der Nebensteller ein Verarbeitungsmittel
aufweist, das ein Istpositionssignal an den Controller des Hauptstellers
liefert und von dem Controller als Reaktion auf das Istpositionssignal
und die erste und zweite Mehrzahl von Signalen ein Sollpositionssignal
erhält,
wobei das Verarbeitungsmittel die zweiten Einstellmittel als Reaktion
auf das Sollpositionssignal positioniert.
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Die
von dem Controller verwendete Software ist so ausgelegt, daß verschiedene
mm/max-Drehzahlen, Temperatur- und Druckschwellwerte im voraus eingestellt
werden, wobei die nachfolgenden Ausschläge von Drehzahl, Temperatur
und Druck aufgezeichnet werden, während diese Schwellwerte erzielt
und/oder überstiegen
werden.
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Ein
Array von Schwellwerten wird für
die jeweilige Anwendung im voraus bestimmt. Diese Daten werden zur
zukünftigen
Verwendung im Speicher des Stellers gespeichert. Durch Definieren
der Ermüdungslebensdauer
des Verdichterrads oder des Turbinenrads für ein gegebenes Raddesign,
Größe, Material
usw. und mit den in den REA programmierten spezifischen Ermüdungslebensdauerinformationen gibt
es mehrere Vorteile.
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Anhand
der Eingaben der Drehzahl, der Temperatur und des Drucks wird der
elektrische Steller besser genutzt, um das Abgasabblaseventil des Turboladers
oder den VGT-Düsensatz
präziser
zu steuern. Diese Informationen werden auch verwendet, um den EGR-Prozentsatz
direkt und deshalb den Motorabgabeemissionspegel präziser zu
steuern.
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Nachdem
eine vorbestimmte Anzahl von Drehzahl-, Temperatur- und/oder Druckschwellwerten
erzielt worden sind, kann der elektrische Steller in verschiedenen
Ausführungsformen
die Drehzahl des Turboladers steuern (reduzieren), indem er vorhersagt,
wann ein Radermüdungsausfall
bevorsteht.
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Nachdem
eine vorbestimmte Anzahl von Drehzahl-, Temperatur- und/oder Druckschwellwerten
erzielt worden sind, kann der elektrische Steller in verschiedenen Ausführungsformen
einen Schalter auslösen,
um den Bediener zu benachrichtigen, "den Turbolader zu ersetzen", indem er vorhersagt,
daß ein
Ermüdungsausfall
bevorsteht.
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Der
elektrische Steller kann im Speicher Operationsfelddaten zur zukünftigen
Verwendung bei der Wartungsprofilierung spezifischer Turboladerbetriebszustände von
verschiedenen Anwendungen speichern (Lastwagen auf einer Fernverkehrsstraße, Lastwagen
in der Stadt, Hobbyboot, Schlepper, Frontlader, Bulldozer, Bergwerklastwagen,
Bagger, Gen-Set usw.).
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Die
in dem elektrischen Steller gespeicherten Daten über Drehzahl/Einschaltdauer
können
heruntergeladen und in dem Gewährleistungsentscheidungsprozeß oder als
Diagnosewerkzeug für
die Ausfallauswertung verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
gewürdigt,
wenn selbige durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche
Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen besser verstanden wird. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader
mit variabler Geometrie mit einem integrierten EGR-Ventil, das gemäß der vorliegenden
Erfindung betätigt
wird;
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2 ein
Blockschaltbild der Steuerstruktur für den Turbolader und Steller,
die die vorliegende Erfindung enthalten;
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3 eine
beispielhafte bildliche Ansicht eines Motors mit einem Turbolader,
der Steller verwendet, die die vorliegende Erfindung in Verbindung
mit einem EGR-System
enthalten.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 1 wird ein Verbrennungsmotor
mit einem Turbolader und einem EGR-System schematisch dargestellt. Der
Motor 10 enthält
einen Ansaugkrümmer 12 und
einen Abgaskrümmer 14.
In der dargestellten Ausführungsform
enthält
der Motor einen Turbolader 16, der im allgemeinen eine
in einem Gehäuse 18 enthaltene Turbine
und einen in einem Gehäuse 20 enthaltenen Verdichter
umfaßt,
zum Komprimieren der Ansaugluft des Motors 10. Die Ansaugluft
wird während
des Turboladerkompressionsprozesses erhitzt und muß gekühlt werden,
um den Anforderungen hinsichtlich Motorhaltbarkeit und Leistung
zu benügen.
Diese Kühlung
wird bewerkstelligt durch Lenken der aus dem Turbolader 16 ausgetragenen
Luft zu einem Laderluftkühler
(CAC – charger
air cooler) 22 über
herkömmliche
Kanäle
oder Schläuche 24.
Die Ansaugluft wird dann von dem CAC zu dem Ansaugkrümmer des
Motors über
herkömmliche
Kanäle
oder Schläuche 30 geleitet.
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Der
Motor 10 enthält
außerdem
ein EGR-System. Das EGR-System
enthält
ein Steuerventil 34, das gemäß der vorliegenden Erfindung
in den Turbolader integriert ist, das den Anteil an Abgas regelt,
der dem Abgaskrümmer
entnommen und entweder zum Motoransaugsystem zum Vermischen mit der
Ansaugluft, die durch den CAC hindurchgetreten ist, zurückgeleitet
oder zur Turbine des Turboladers gelenkt wird. Das Steuerventil 34 lenkt
einen Teil des empfangenen Abgases von dem Abgaskrümmer durch
das EGR-System in das Turbinengehäuse.
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Das
EGR-System enthält
außerdem
einen am Motor montierten EGR-Kühler 38 oder
Wärmetauscher
zum Kühlen des
durch das System hindurchtretenden Abgases. Durch Bereitstellen
eines Wärmetauschers
in dem EGR-Kanal oder -Schlauch 40 wird die Effizienz des
Motors 10 verbessert. Weitere Vorteile wie etwa eine Reduzierung
bei NOx- und PM-Emissionen und beim Kraftstoffverbrauch ergeben
sich ebenfalls aus dem Vorliegen des Wärmetauschers 38. Das
durch den Wärmetauscher 38 hindurchströmende Abgas
wird dann mit der Ansaugluft, die durch den CAC hindurchgetreten
ist, in einem EGR-Mischer 42 kombiniert.
Die Mischung aus Ansaugluft und Abgas verläßt den Mischer 42 und
tritt in den Ansaugkrümmer
des Motors ein.
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Eine
Düse 44 mit
variabler Geometrie in dem Turbolader wird für Staudruck in dem Turbinengehäuseeinlaß und dem
Abgaskrümmer
verwendet. Ein Drehzahlsensor 46 bestimmt die Drehzahl
der Turboladerwelle, und Druck-/Temperatursensoren,
allgemein mit 48 bezeichnet, liefern Temperatur und Druck am
Einlaß und
Auslaß des
Verdichters, am Einlaß und
Auslaß der
Turbine und am Auslaß des EGR-Strömungssteuerventils
zur EGR-Differentialdruckbestimmung.
Ein erster elektrischer Drehsteller (REA) 50 steuert die
Düsenblätter der
Einlaßdüse mit variabler
Geometrie zu der Turbine. Ein zweiter REA 52 steuert das
EGR-Ventil, das eine Struktur aufweisen kann, die der vergleichbar
ist, die in einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung definiert
ist.
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Wie
in 2 gezeigt, sind die REAs durch eine Haupt/Nebenanordnung
miteinander verbunden. Der erste REA zum Steuern der VGT-Blattposition
enthält
einen Mikroprozessorcontroller 53 der Eingaben von dem
EGR-Druck- und Temperatursensor 48a,
dem Turbinenauslaßdruck-
und -temperatursensor 48b, dem Turbineneinlaßdruck-
und -temperatursensor 48c, dem Verdichterauslaßdruck-
und -temperatursensor 48d und dem Verdichtereinlaßdruck-
und -temperatursensor 48e empfängt. Der Motorarbeitszustand
wird von der Motorsteuereinheit (ECU) 54 durch eine CAN
2.0 B-Schnittstelle
an den Mikroprozessor geliefert, und ein Eingangssignal vom Drehzahlsensor
wird vom Turbolader geliefert. Auf der Basis einer vorbestimmten
Matrix von auf Motorarbeitsanforderungen abgebildeten Sensoreingangszuständen betätigt der
Mikroprozessorcontroller den Haupt-REA, um den Kurbelarm 56 so
zu positionieren, daß die
Blätter
des VGT eingestellt werden, um die Turboladerleistung zu optimieren.
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Zusätzlich empfängt der
Mikroprozessorcontroller ein Positionssignal von dem zweiten oder
Neben-REA und liefert ein Signal an eine zentrale Verarbeitungseinheit
(CPU) 58 in dem zweiten REA auf der Basis der vorbestimmten
Abbildungsmatrix. Ein impulsbreitenmoduliertes (PWM)-Signal wird
in der gezeigten Ausführungsform
verwendet. Die CPU betätigt
den REA, um seinen Kurbelarm 60 so zu positionieren, daß das EGR-Ventil 34 dahingehend
betätigt
wird, den EGR-Fluß zum
Motor zu steuern. Die Haupt/Nebenanordnung liefert eine gleichzeitige
interaktive Steuerung des VGT, damit der Abgasstaudruck die EGR-Strömungsrate
steuert.
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Der
Mikroprozessorcontroller zeichnet selektiv Daten von dem Drehzahlsensor
und den Temperaturdrucksensoren auf und berechnet Zyklusinformationen.
Der Mikroprozessorcontroller vergleicht die berechneten Zyklusdaten
mit vorbestimmten Zyklusinformationen in der Abbildungsmatrix für vorhergesagte
Ermüdungslebensdauer
der Turboladerkomponenten und betätigt beim Erreichen vorbestimmter
Grenzen für
eine "Notlauf" Betriebsart oder eine
andere Drehzahlbegrenzung den ersten REA, um Ausfall auszuschließen und
liefert in alternativen Ausführungsformen
ein Ausgangssignal für
die Bedienerbenachrichtigung durch die CAN-Schnittstelle.
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3 zeigt
eine Dieselmotoranordnung mit einem die vorliegende Erfindung enthaltenden
Turbolader mit einer alternativen Ausführungsform von der zuvor beschriebenen,
mit einem abgetrennten EGR-Ventil, das neben dem EGR-Kühler montiert
ist.
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Nachdem
die Erfindung ausführlich
beschrieben worden ist, wie von den Patentgesetzen erfordert, erkennt
der Fachmann Modifikationen und Substitutionen an den hier offenbarten
spezifischen Ausführungsformen.