DE602004004016T2

DE602004004016T2 - Verfahren zur Ventilsteuerung eines Abgassystems

Info

Publication number: DE602004004016T2
Application number: DE602004004016T
Authority: DE
Inventors: Gregg Speer
Original assignee: Arvin Technologies Inc
Current assignee: Arvin Technologies Inc
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2024-09-03
Also published as: EP1512851B1; US20050051322A1; US7353865B2; DE602004004016D1; EP1512851A2; EP1512851B2; EP1512851A3; DE602004004016T3; ES2280001T3; US20080135029A1; US7836945B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Ventils für eine Abgasanlage, insbesondere eines Ventils, das zur Steuerung des Abgasstroms durch einen Wärmetauscher verwendet wird.
Der Wärmetauscher ist Teil eines Zuheizsystems, welches zunehmend in Fahrzeugen mit modernen Verbrennungskraftmaschinen mit geringem Kraftstoffverbrauch eingesetzt wird. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades erzeugen diese Verbrennungskraftmaschinen nur eine geringe Menge Abwärme, die für das Heizsystem des Fahrzeugs zur Verfügung steht. Dies führt zu einer verminderten Heizleistung der Heizanlage, was von den Fahrzeuginsassen als unbehaglich empfunden wird. Dementsprechend sind Anlagen entwickelt worden, bei denen ein in der Abgasanlage des Fahrzeugs angeordneter Wärmetauscher verwendet wird. Mit dem Wärmetauscher läßt sich ein gewisser Anteil der Wärme aus dem Abgas gewinnen, die dann zum Heizen des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung steht.
Derartige Anlagen weisen üblicherweise einen Abgaskanal auf, in dem der Wärmetauscher angeordnet ist, sowie einen Bypass-Kanal. Über die Steuerung des Anteils am gesamten Abgas, der durch den Wärmetauscherkanal strömt, läßt sich eine gewünschte Heizkennlinie der Anlage erhalten. Zu diesem Zweck ist das Ventil vorgesehen, das abhängig von äußeren Parametern gesteuert wird.
In der DE 195 00 476 ist ein Heizsystem für einen PKW-Fahrgastraum offenbart, bei dem der Abgas-Wärmetauscher eingeschaltet wird, wenn die Kühlmitteltemperatur des Motors unter der Temperatur am Kühlereingang liegt.
Die GB 23 01 177 A offenbart einen Abgas-Wärmetauscher in einem Motor, bei dem zur Erhöhung der Temperatur des Motorkühlmittels den Abgasen Wärme entzogen werden kann.
Aus der CA 02273698 ist ein Wärmetauscher zur Erhöhung der Temperatur von Kraftfahrzeug-Fluiden bzw. zum Absenken der Temperatur heißer Abgase bekannt.
Allgemein setzt ein Wärmetauscher dem durch die Abgasanlage strömenden Abgas zusätzlichen Widerstand entgegen, da er zu einem Druckabfall führt.
Dieser Druckabfall kommt zu dem Gegendruck des Abgassystems hinzu, der insgesamt zur Erzielung einer guten Motorleistung geringgehalten werden sollte. Bei manchen Bedingungen, insbesondere bei kaltem Wetter, kollidiert das Ziel, eine bessere Heizleistung zu schaffen, indem das Abgas durch den Wärmetauscher geleitet wird, eventuell mit dem Ziel, eine gute Motorleistung bereitzustellen, indem der Gegendruck der Abgasanlage geringgehalten wird.
Daher besteht ein Bedarf an einem Verfahren zur Steuerung eines Ventils in einer Abgasanlage derart, daß eine gute Heizleistung erzielt wird, während gleichzeitig sichergestellt wird, daß der Druckabfall über dem Wärmetauscher und dementsprechend der Gegendruck der Abgasanlage vorgegebene Grenzwerte nicht überschreitet.
Hierzu schafft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Ventils in einem Abgas-Wärmetauschersystem einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das System einen Wärmetauscherkanal mit einem Wärmetauscher aufweist sowie einen Bypass-Kanal, der betätigbar ist, um den Wärmetauscher zu umgehen. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte: Zunächst wird bestimmt, daß Wärme von durch das Abgassystem strömendem Abgas zum Wärmetauscher übertragen werden soll. Daraufhin wird das Ventil in eine erste Position geschaltet, in welcher das gesamte Abgas durch den Wärmetauscherkanal strömt. Entweder direkt oder indirekt wird ein Druckabfall über dem Wärmetauschersystem überwacht. Wenn der Druckabfall einen vorbestimmten Grenzwert erreicht, wird das Ventil in eine Zwischenposition geschaltet, wobei die Zwischenposition dazu führt, daß ein erster Teil des Abgases durch den Wärmetauscherkanal strömt und ein verbleibender Teil durch den Bypass-Kanal strömt, wodurch der Druckabfall über dem Wärmetauschersystem verringert wird. Wenn der Druckabfall wieder einen vorbestimmten Grenzwert erreicht, wird das Ventil in eine zweite Position geschaltet, wobei die zweite Position dazu führt, daß ein zweiter Teil des Abgases durch den Wärmetauscherkanal strömt, wobei der zweite Teil kleiner als der erste Teil ist, wodurch der Druckabfall über dem Wärmetauschersystem weiter verringert wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ausgehend von einer Bedingung, bei der das gesamte Abgas durch den Wärmetauscher strömt, eine bedeutende Verringerung des Druckabfalls erzielt wird, indem man lediglich einen kleinen Teil des Abgases durch den Bypass-Kanal strömen läßt, ohne daß es zu einer merklichen Verminderung der Heizleistung des Zuheizsystems kommt. Mit anderen Worten, der Druckabfall über dem Wärmetauscher ist gegenüber einer Massenstromverringerung empfindlicher als die Heizleistung des Zuheizsystems. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis beruht die Erfindung auf dem Gedanken, den Anteil des durch den Wärmetauscher strömenden Abgases schrittweise zu vermindern.
Wenn man davon ausgeht, daß der Schwerpunkt bei den Systemanforderungen auf der Heizleistung liegt, könnte die Stellung des Ventils des Abgas-Wärmetauschersystems stufenlos oder unter Verwendung mehrerer Zwischenpositionen so gesteuert werden, daß der Druckabfall unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt, wodurch eine maximale Heizleistung erzielt wird, ohne daß die Motorleistung nachteilig beeinflußt wird. Geht man davon aus, daß sich die Systemanforderungen auf die Kosten konzentrieren, so könnte die Stellung des Ventils zwischen einigen definierten Positionen verändert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden nur drei Positionen des Ventils verwendet. Die zweite Position entspricht dann einer Position, bei der der Wärmetauscher abgeschaltet ist und das gesamte Abgas durch den Bypass-Kanal strömt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugen Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist. Darin zeigen:
1 schematisch ein erstes Beispiel für ein Abgas-Wärmetauschersystem;
2 schematisch ein zweites Beispiel für ein Abgas-Wärmetauschersystem;
3 eine Draufsicht des Abgas-Wärmetauschersystems aus 2; und
4 ein Diagramm, in dem – mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt – beispielhaft Druckabfall über Gasmassenstrom angegeben ist.
Unter Bezug auf die 1 und 2 werden nun zwei Ausführungsformen von Wärmetauschereinheiten beschrieben, die in Zuheizsystemen zum Einsatz kommen. Bei beiden Systemen tritt das Abgas einer nicht gezeigten Verbren nungskraftmaschine in Richtung des Pfeils P bezüglich der Zeichnungen von rechts ein. Das System weist einen Wärmetauscherkanal 5 mit einem Wärmetauscher 7 für das Abgas sowie einen Bypass-Kanal 9 auf. Zur Steuerung der Strömung des Abgases durch den Wärmetauscherkanal 5 und den Bypass-Kanal 9 wird ein Ventil 10 verwendet.
Bei der Ausführungsform von 1 wird der Anteil des Gasstroms durch die Kanäle dadurch gesteuert, daß der Strömungswiderstand des Bypass-Kanals 9 verändert wird. Wenn sich das Ventil 10 in seiner vollständig geöffneten Stellung befindet, dann ist der Strömungswiderstand des Bypass-Kanals 9 bedeutend geringer als der Strömungswiderstand des Wärmetauschers 7 im Wärmetauscherkanal 5, was dazu führt, daß fast kein Gas durch den Wärmetauscher strömt. Wenn sich das Ventil 10 in seiner vollständig geschlossenen Stellung befindet, ist der Gasstrom durch den Bypass-Kanal 9 blockiert und, abgesehen von einem geringen Leckagestrom am Ventil 10 vorbei, strömt das gesamte Gas durch den Wärmetauscher 7. Mittels der Steuerung der Stellung des Ventils in Zwischenpositionen läßt sich jeder beliebige Anteil des Gasstroms durch die beiden Kanäle erhalten.
In der Ausführungsform von 2 wird der Gasstrom direkt gesteuert, indem das Ventil 10 so betätigt wird, daß die Einlassöffnung des Wärmetauscherkanals 5 bzw. des Bypass-Kanals 9 mittels einer Ventilklappe 11 geöffnet bzw. geschlossen wird. Auch hier läßt sich mit Zwischenstellungen des Ventils 10 jeder beliebige Teil des Gasstroms durch die Kanäle erhalten.
In der 3 ist die Wärmetauschereinheit aus 2 im einzelnen gezeigt. Das Ventil 10 wird von einem Stellglied 12 betätigt, mit dem das Ventil zwischen drei Stellungen gesteuert werden kann, nämlich einer ersten Stellung, in der die Ventilklappe 11 den Bypass-Kanal 9 schließt, einer Zwischenposition, die in etwa der in 2 gezeigten Stellung entspricht und in der die Ventilklappe 11 es ermöglicht, daß ein Teil des Abgases durch den Bypass-Kanal 9 strömt, sowie einer zweiten Stellung, in der die Ventilklappe 11 den Wärmetauscherkanal 5 schließt.
Das Stellglied 12 wird von einem elektronischen Steuergerät (ECU) 14 gesteuert. Das ECU 14 ist hier als getrenntes Bauteil dargestellt, könnte aber auch in die Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems des Verbrennungsmotors eingebaut sein. An das ECU 14 wird ein Signal 16 angelegt, welches den Druckabfall über dem Wärmetauschersystem darstellt. Dieses Signal könnte durch direkte Messung des Druckabfalls erhalten werden. Vorzugsweise ist dieses Signal eine indirekte Angabe des Druckabfalls, da der tatsächliche Druckabfall in bekannter Weise von anderen Parametern abhängt, die bei modernen Einspritzsystemen bereits bekannt sind. Bei einem Beispiel wird in das ECU der Ansaug-Luftmassenstrom und die Menge an eingespritztem Kraftstoff eingegeben. Auf der Grundlage dieser Werte kann der Abgasmassenstrom berechnet werden, womit sich wiederum entweder ein Druckabfall über dem Wärmetauschersystem berechnen oder sich der Druckabfall aufgrund von gespeicherten Werten entnehmen läßt. Ein weiteres Beispiel besteht darin, die Motordrehzahl in das ECU einzugeben, da sich auch damit der Abgasmassenstrom berechnen läßt. Auch andere Möglichkeiten zur indirekten Bestimmung des Druckabfalls über dem Wärmetauscher könnten angewendet werden.
In 4 ist ein Diagramm dargestellt, mit dessen Hilfe die Art der Steuerung des Ventils zwischen der ersten, der Zwischen- und der zweiten Position verständlich wird. In diesem Diagramm entspricht die X-Achse allgemein dem Abgasstrom. Die Y-Achse stellt den Druckabfall über dem Wärmetauschersystem dar und entspricht somit allgemein dem Gegendruck der Abgasanlage. Die gestrichelte Linie L stellt einen Grenzwert des Druckabfalls dar und ist im Hinblick auf einen annehmbaren Gegendruck der Abgasanlage vorgegeben.
Beim Anlassen des Motors wird zunächst festgestellt, ob das Zuheizsystem benötigt wird oder nicht. Wenn man annimmt, daß der Motor bei kaltem Wetter angelassen wird und eine zusätzliche Heizleistung erwünscht ist, dann wird das Ventil in die erste Position geschaltet, in der das gesamte Abgas durch den Wärmetauscherkanal 5 und somit durch den Wärmetauscher 7 strömt. Wie aus 4 ersichtlich ist, steigen der Druckabfall und dementsprechend der Gegendruck mit zunehmender Strömung durch die Abgasanlage an (Abschnitt I der Kurve). An einem mit 1 bezeichneten Punkt stellt das ECU fest, daß der Grenzwert L des Druckabfalls erreicht ist. Entsprechend wird das Ventil aus der ersten Position in eine Zwischenposition geschaltet, in der ein erster Teil des Abgases weiterhin durch den Wärmetauscher strömt, während ein verbleibender Teil durch den Bypass-Kanal 9 strömt. Dadurch kommt es zu einer Vergrößerung des dem Abgas zur Verfügung stehenden Querschnitts und zu einer entsprechenden Verringerung des Druckabfalls (Abschnitt II der Kurve).
Es konnte nachgewiesen werden, daß bereits ein geringer Abgasstrom durch den Bypass-Kanal ausreicht, um den Druckabfall über dem Wärmetauschersystem merklich zu verringern. Beispielsweise kann eine Verminderung des Massenstroms durch den Wärmetauscher um 30% zu einer Abnahme des Druckabfalls um fast 50% führen.
Wenn das Ventil seine Zwischenposition einnimmt und die Strömung durch die Abgasanlage weiter erhöht wird, steigt der Druckabfall wieder an (Abschnitt III der Kurve) und erreicht schließlich wieder den Grenzwert L (Punkt 2). Dann wird das Ventil in eine zweite Position geschaltet, in der das Ventil den Wärmetauscherkanal 5 schließt und den Bypass-Kanal 9 vollständig öffnet, was dazu führt, daß das gesamte Abgas durch den Bypass-Kanal strömt (möglicherweise abgesehen von einem geringen Leckagestrom). Dementsprechend nimmt der Druckabfall über dem Wärmetauscher erheblich ab (Abschnitt IV der Kurve).
Wenn der Strom durch die Abgasanlage danach weiter erhöht wird, steigt der Gegendruck wieder an. Es werden jedoch keine kritischen Werte erreicht, da der Wärmetauscher den Strömungswiderstand durch die Abgasanlage nicht länger erhöht.
Wenn der Gasmassenstrom durch das Wärmetauschersystem abnimmt, während noch Wärme vom Abgas zum Wärmetauscher übertragen werden soll, so wird das Ventil in seine Zwischenposition oder sogar in seine erste Position zurückgeschaltet.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Ventils (10) in einem Abgas-Wärmetauschersystem einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das System einen Wärmetauscherkanal (5) mit einem Wärmetauscher (7) aufweist sowie einen Bypass-Kanal (9), der betätigbar ist, um den Wärmetauscher (7) zu umgehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält: – es wird bestimmt, daß Wärme von durch das Abgassystem strömendem Abgas zum Wärmetauscher (5) übertragen werden soll; – das Ventil (10) wird in eine erste Position geschaltet, in welcher das gesamte Abgas durch den Wärmetauscherkanal (5) strömt; – es wird mit direkten oder indirekten Mitteln ein Druckabfall über dem Wärmetauschersystem überwacht; – das Ventil wird in eine Zwischenposition geschaltet, wenn der Druckabfall einen vorbestimmten Grenzwert erreicht, wobei die Zwischenposition dazu führt, daß ein erster Teil des Abgases durch den Wärmetauscherkanal (5) strömt und ein verbleibender Teil durch den Bypass-Kanal (9) strömt, wodurch der Druckabfall über dem Wärmetauschersystem verringert wird; – das Ventil wird in eine zweite Position geschaltet, wenn der Druckabfall wieder einen vorbestimmten Grenzwert erreicht, wobei die zweite Position dazu führt, daß ein zweiter Teil des Abgases durch den Wärmetauscherkanal (5) strömt, wobei der zweite Teil kleiner als der erste Teil ist, wodurch der Druckabfall über dem Wärmetauschersystem weiter verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Druckabfall direkt erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Druckabfall auf der Basis von sich auf die Verbrennungskraftmaschine beziehenden Daten berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Druckabfall auf der Basis von Daten von einem Einspritzsystem der Verbrennungskraftmaschine berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Daten von dem Einspritzsystem den Ansaug-Luftmassenstrom enthalten.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Daten von dem Einspritzsystem die Menge von eingespritztem Kraftstoff enthalten.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Druckabfall auf der Basis der Motordrehzahl berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die vorbestimmten Grenzwerte, bei denen das Ventil (10) von der ersten Position in die Zwischenposition und von der Zwischenposition in die zweite Position geschaltet wird, identisch sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Teil des Abgases zwischen 50 % und 90 % des gesamten Abgasstroms beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zweite Teil nahezu 0 % beträgt.