WO2022161693A1 - Leistungsneutrale abgastemperatursenkung mit einem abgasturbinenbypass - Google Patents

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WO2022161693A1
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exhaust
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Sebastian Stachowski
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and an exhaust gas aftertreatment device, as well as a control means for carrying out the method and a vehicle drive with such a control means.
  • Constantly increasing requirements with regard to exhaust aftertreatment systems and emission regulations mean that known measures to protect exhaust aftertreatment systems by reducing or maintaining the temperature are not sufficient if at the same time no disadvantages in terms of engine performance and/or fuel consumption in high-load operation are to be accepted.
  • Known measures for reducing the temperature of the exhaust aftertreatment systems are, for example, enriching the combusted air-fuel mixture or the Miller/Atkinson combustion process.
  • the principle of enrichment will - in particular due to legal or other normative requirements - recede more and more into the background in the future because sufficient enrichment will no longer be permitted.
  • the power of the internal combustion engine would then have to be reduced/throttled in order to maintain the temperature level in the exhaust system or to reduce it to the necessary extent.
  • such interventions are undesirable because they are difficult to convey to the vehicle user.
  • a method for controlling an internal combustion engine in particular with an exhaust gas turbocharger and an exhaust gas aftertreatment device, is disclosed.
  • the control method has at least the following method steps, which can be run through in the specified order or in another order that makes sense in the art: (1) Determining, in particular measuring, reading out and/or modeling, a catalytic converter temperature, which is critical in particular with regard to a service life of the exhaust gas aftertreatment device for fulfilling its function.
  • step (2) If the comparison according to step (2) detects that a limit value has been exceeded, the following procedural steps are also carried out:
  • the temperature of the exhaust gas flow, possibly recombined, at the exhaust gas aftertreatment device can be reduced because a higher proportion is routed via the turbine. Because in the turbine, the enthalpy loss of the exhaust gases and the associated reduction in temperature are greater than if the exhaust gas is routed through the turbine bypass.
  • the boost pressure in the cylinders increases as a result of the increased loading of the turbine, which in particular goes beyond the loading actually required for the respective operating state of the internal combustion engine; which leads to an undesirable increase in performance during combustion.
  • a control means is disclosed which is embodied in particular on an engine control unit of the internal combustion engine and is set up to carry out a method according to an embodiment of the invention.
  • a vehicle drive has at least:
  • an intake system with an air control device for the controlled supply of fresh air to the internal combustion engine.
  • an exhaust gas after-treatment device with a temperature determination device (d) an exhaust gas after-treatment device with a temperature determination device.
  • the exhaust aftertreatment device has at least one three-way catalytic converter, with the catalytic coating in particular being damaged directly or indirectly by reducing the service life if the exhaust gases fed into the catalytic converter are so hot and possibly are introduced for so long that an upper temperature limit value of the exhaust aftertreatment device is exceeded.
  • the invention is based, among other things, on the consideration that in modern internal combustion engines for passenger vehicles, the intake valve lift must not be below a minimum level in a higher speed range, since otherwise component damage occurs. Since the options for Miller/Atkinson operation are severely limited in this speed range, the exhaust gas temperature upstream and in the catalytic converter can only be kept in the harmless range by means of enrichment using known methods. In the future, however, this will be more and more prohibited by law.
  • the invention is now based, inter alia, on the idea of allowing more exhaust gas mass to flow over the exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger (particularly in this critical speed range), in order thereby to represent a greater temperature sink.
  • the excess boost pressure generated in this way is regulated down again to the value required for this operating point via the throttle element on the air-carrying side.
  • the wastegate is closed further, in particular further than is actually necessary for this operating state.
  • the resulting increasing boost pressure which would help the overall system to perform better (but is normally undesirable), is slowed down by the throttle valve (or another air control device (rotary valve or similar)) on the air-carrying side or back to the actual side throttled to the level required for this operating state.
  • the output remains constant and the temperature level of the exhaust aftertreatment systems is relieved by the additional enthalpy reduction via the turbine.
  • a general cooling of the exhaust aftertreatment system can also be achieved, which thus has a longer service life due to the lower temperature input.
  • the fresh air supply is reduced by an amount that is dependent on an amount of reduction of the fractions of the exhaust gas in the turbine bypass.
  • the level of compensation can be matched to the boost pressure that is additionally introduced.
  • the interventions in the routing of the combustion fluids - air or mixture before combustion, exhaust gases after combustion - aim to reduce a proportion of the exhaust gases of the internal combustion engine, which are caused by a turbine bypass of the exhaust gas turbocharger; method step (IV): reducing a supply of fresh air to the cylinders of the internal combustion engine) depends on achieving, in particular setting and/or maintaining, a predetermined boost pressure as precisely as possible.
  • the predetermined boost pressure corresponds to that boost pressure which is provided for the present operating state of the internal combustion engine without neglecting the need to cool the exhaust gases.
  • the interventions in the routing of the combustion fluids are ended when the temperature of the catalytic converter falls below a lower limit value.
  • the field of operating states of the internal combustion engine in which the invention is used can thus be clearly delimited.
  • the interventions are activated all the more strongly (in particular, according to method step III, the wastegate is further closed and according to method step IV, the fresh air supply to the combustion chambers is further throttled), the more the upper temperature limit value is exceeded.
  • the interventions are activated, in particular temporarily, weaker or not at all, if and/or as long as an operating state is present that requires a rapid and/or immediate response from the internal combustion engine. In particular, this can be achieved by precontrol once and then no longer readjusting.
  • the catalytic converter temperature is determined repeatedly at short time intervals (of in particular a few milliseconds) and a temperature gradient and/or a temperature prediction is determined therefrom.
  • a temperature prediction can be based, for example, on an evaluation of the determined temperature values and the temperature gradient, so that countermeasures are taken more strongly in the sense of the invention if the temperature rises more quickly.
  • the catalyst temperature can be measured and/or modeled using an operating model, and/or read using a lookup table or the like, in particular using the engine control unit.
  • the interventions are triggered before the upper temperature limit value is reached if, based on a determined temperature gradient and/or a determined temperature prediction, exceeding it is to be expected and/or can no longer be avoided.
  • the proportion of the exhaust gases of the internal combustion engine that are routed through a turbine bypass of the exhaust gas turbocharger is reduced, in particular directly or indirectly, by reducing the degree of opening of a bypass exhaust gas control device, such as a bypass valve and/or a bypass slide and/or or a bypass valve.
  • a bypass exhaust gas control device such as a bypass valve and/or a bypass slide and/or or a bypass valve.
  • the fresh air supply to the cylinders of the internal combustion engine is reduced, in particular directly or indirectly, by reducing the degree of opening of an air control device, such as a throttle valve and/or a throttle slide and/or a throttle valve, of an intake system of the internal combustion engine.
  • an air control device such as a throttle valve and/or a throttle slide and/or a throttle valve
  • FIG. 1 shows a vehicle drive with a control means according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows various diagrams, each with a time profile of different variables, to illustrate a method according to a first exemplary embodiment, carried out on the vehicle drive from FIG.
  • FIG. 3 shows various diagrams, each with a time profile of different variables, to illustrate a method according to a second exemplary embodiment, carried out on the vehicle drive from FIG.
  • the vehicle drive 1 shows a vehicle drive 1 having an internal combustion engine 2.
  • the internal combustion engine 2 is designed as a four-cylinder diesel engine.
  • the internal combustion engine 2 is connected to an intake system 4 to supply it with oxygen and to an exhaust system 6 to clean the exhaust gases.
  • the intake system 4 has a fresh air duct 8 , a charge air cooler 10 , an air control device 12 designed as a throttle valve and an air collector 14 .
  • the exhaust system 6 has an exhaust manifold and an exhaust gas aftertreatment device 20, which has at least one three-way catalytic converter, but in particular has further aftertreatment devices such as at least one particle filter and/or at least one SCR catalytic converter.
  • a two-stage exhaust gas turbocharger 22 is arranged in the fresh air duct 8 of the intake system 4 and in the exhaust gas duct 16 of the exhaust system 6, with the compressor of the exhaust gas turbocharger 22 being arranged in the fresh air duct 8 and the turbines of the exhaust gas turbocharger 22 in the exhaust gas duct 16 are.
  • the high-pressure compressor and the high-pressure turbine 26 of the exhaust-gas turbocharger 22 can each be bypassed by means of a switchable bypass, the exhaust-gas turbine bypass designed as a high-pressure turbine bypass being identified by reference number 28 .
  • the exhaust gas turbine bypass 28 has a bypass exhaust gas control device 18 in the form of a flap or valve, by means of which a proportion of the exhaust gases which is routed through the turbine bypass can be adjusted in several stages or steplessly.
  • the intake system 4 and the exhaust system 6 can be connected by means of a switchable high-pressure EGR line 24, so that hot exhaust gas can be routed from the exhaust manifold 17 into the air collector 14 and mixed with the fresh air there.
  • the exhaust gases in the EGR line 24 can be guided in a switchable manner through an EGR cooler and/or past it.
  • a hot-film air mass meter HFM for measuring an air mass flow mHFM and a temperature sensor for measuring a fresh air temperature T10 are arranged at a fresh air inlet 7 of the fresh air duct 8 .
  • a pressure sensor for measuring a compressor pressure p12 in the fresh air duct is arranged between the two compressors 8 .
  • a temperature sensor for measuring a pre-throttle temperature T21 in the fresh air duct is arranged between the intercooler 10 and the throttle valve 12 .
  • a pressure sensor for measuring a charge pressure p22 is arranged in the air collector 14 .
  • a temperature sensor for measuring an EGR mixture temperature T-nAGR is in the EGR line 24 Entry into the air collector 14 arranged.
  • a pressure sensor for measuring a pre-turbine pressure p31 is arranged in the exhaust manifold.
  • a temperature sensor 29 for measuring a catalytic converter temperature T of the exhaust gases before they enter the exhaust gas aftertreatment arrangement 20 is arranged between the low-pressure turbine of the exhaust gas turbocharger 22 and the exhaust gas aftertreatment arrangement 20 .
  • the vehicle drive 1 also has an engine controller 30 which is set up to control the vehicle drive 1 and all of its components in accordance with the operating requirements of the motor vehicle.
  • the engine controller 30 is also set up to take measured values of all the above-mentioned sensors into account for optimal control of the vehicle drive and its components, as well as to access conventional operating models, lookup tables, etc., if necessary using the recorded and/or processed sensor values .
  • the engine controller 30 has a control means 32 which is set up to carry out an exemplary method for controlling the internal combustion engine 2 .
  • the control means 32 is set up to determine the catalytic converter temperature T and to compare it with a limit value Tg, and to activate the throttle valve 12 and the bypass exhaust gas control device 18 if the limit value Tg is exceeded.
  • engine controller 30 and/or control means 32 are set up to use operating models 34 of the vehicle, the vehicle drive and/or the at least one drive motor that are typically stored in current motor vehicles, i.e. in particular data, sensor values, lookup tables that can be accessed there 36 and/or to use model predictions within the meaning of the invention.
  • operating models 34 of the vehicle the vehicle drive and/or the at least one drive motor that are typically stored in current motor vehicles, i.e. in particular data, sensor values, lookup tables that can be accessed there 36 and/or to use model predictions within the meaning of the invention.
  • FIG. 3 then describes the extent to which a second example of the method differs from the first according to FIG.
  • the first exemplary method can be explained using the diagrams in Figure 2: when the internal combustion engine 2 is operating under full load, the temperature T continues to rise until, at time t1, it reaches the upper, critical temperature limit value TG, from which point damage to the exhaust gas aftertreatment device 20 threatens.
  • control means 32 intervenes in engine control 30 when limit value TG is reached (or exceeded) by reducing opening degree Aw of bypass exhaust gas control device 18 and opening degree AD of throttle valve 12 .
  • the degree of opening AD of the throttle valve 12 is also correspondingly reduced at the same time as this reduction from the point in time t1.
  • FIG. 3 shows the same diagrams as for FIG. 2, but for a different, second exemplary method.
  • the second exemplary method differs from the first example according to FIG. 2 in particular in that the temperature T is not controlled by a digital ON/OFF application of the invention, but rather by a continuous and gradual adjustment of the degrees of opening Aw and AD.
  • Air control device e.g. throttle valve
  • control means t points in time when the method is carried out

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Abstract

Leistungsneutrale Abgastemperatursenkung mit einem Abgasturbinenbypass Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgas-Turboaufladung und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, aufweisend zumindest die Verfahrensschritte Ermitteln einer Katalysatortemperatur, Vergleichen der ermittelten Katalysatortemperatur mit einem oberen Temperaturgrenzwert, und, wenn bei dem Vergleich eine Grenzwertüberschreitung erkannt wird, Verringern eines Anteils der Abgase der Brennkraftmaschine, die durch einen Turbinen-Bypass des Abgasturboladers geführt werden. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuermittel und einen Fahrzeugantrieb.

Description

Leistungsneutrale Abgastemperatursenkung mit einem Abgasturbinenbypass
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboaufladung und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, sowie ein Steuermittel zur Durchführung des Verfahrens und einen Fahrzeugantrieb mit einem solchen Steuermittel.
Stetig steigende Anforderung im Hinblick auf die Abgasnachbehandlungssysteme und Emissionsvorschriften führen dazu, dass bekannte Maßnahmen zum Schutz der Abgasnachbehandlungssysteme durch Temperaturabsenkung bzw. -beharrung nicht ausreichend sind, wenn gleichzeitig keine Nachteile hinsichtlich einer Motorleistung und/oder einem Kraftstoffverbrauch im Hochlastbetrieb hingenommen werden sollen. Zudem steigen die Anforderungen an die Lebensdauer bzw. Haltbarkeit des Abgasnachbehandlungssystems und
Bekannte Maßnahmen zur Temperaturabsenkung der Abgasnachbehandlungssysteme sind beispielsweise eine Anfettung des verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemischs bzw. das Miller-/Atkinson-Brennverfahren. Das Prinzip der Anfettung wird - insbesondere durch gesetzliche oder andere normative Vorgaben - zukünftig immer weiter in den Hintergrund rücken, weil eine ausreichende Anfettung nicht mehr erlaubt sein wird.
Unter anspruchsvollen Randbedingungen des Fahrzeugbetriebs - insbesondere im Volllastbetrieb - kommt zudem das Miller-/Atkinson-Brennverfahren systemseitig an seine Grenzen und kann in solchen Fällen nicht mehr für eine Abgastemperaturabsenkung der Abgasnachbehandlungssysteme genutzt werden.
Daher müsste dann beispielsweise die Leistung der Verbrennungskraftmaschine reduziert/gedrosselt werden, um das Temperaturniveau im Abgasstrang zu halten bzw. im nötigen Umfang zu reduzieren. Solche Eingriffe sind aber unerwünscht, weil sie den Fahrzeugnutzer schwer zu vermitteln sind.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Ansteuerung der Brennkraftmaschine und der Komponenten des Fahrzeugantriebs zu verbessern, insbesondere bei einer benötigten Beeinflussung einer Temperatur einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 , ein Steuermittel mit den Merkmalen von Anspruch 10 und einen Fahrzeugantrieb mit den Merkmalen von Anspruch 11. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine , insbesondere mit einer Abgas-Turboaufladung und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, offenbart. Das Steuerungsverfahren weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf, die in der angegebenen oder einer anderen, fachmännisch an sich sinnvollen Reihenfolge durchlaufen werden können: (1) Ermitteln, insbesondere messen, auslesen und/oder modellieren, einer, insbesondere hinsichtlich einer Lebensdauer der Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Funktionserfüllung kritischen, Katalysatortemperatur.
(2) Vergleichen der ermittelten Katalysatortemperatur mit einem oberen Temperaturgrenzwert, oberhalb dessen mit einem Ausfall der Abgasreinigung und/oder mit einer nicht tolerierten Verkürzung der Lebensdauer einer Komponente der Abgasreinigung zu rechnen ist.
Wenn bei dem Vergleich gemäß Schritt (2) eine Grenzwertüberschreitung erkannt wird, werden zusätzlich folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
(III) Verringern eines Anteils der Abgase der Brennkraftmaschine, die durch einen Turbinenbypass des Abgasturboladers geführt werden, insbesondere direkt oder direkter, d.h. mit geringerem Enthalpieverlust, auf die Abgasnachbehandlungseinrichtung, als wenn der entsprechende Abgasanteil durch die Turbine geführt werden würde.
(IV) Verringern einer Frischluftzufuhr zu den Zylindern der Brennkraftmaschine.
Indem ein geringerer Anteil der heißen Abgase direkt auf die Abgasnachbehandlungseinrichtung geführt wird, kann eine Senkung der Temperatur des, ggf. wiedervereinigten, Abgasstromes an der Abgasnachbehandlungseinrichtung erreicht werden, weil ein höherer Anteil über die T urbine geführt wird. Denn in der T urbine fällt der Enthalpieverlust der Abgase und die damit verbundene Temperatursenkung größer aus, als wenn das Abgas durch den Turbinenbypass geführt wird.
Jedoch steigt durch die verstärkte Beaufschlagung der T urbine, die insbesondere über die eigentlich für den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine nötige Beaufschlagung hinausgeht, der Ladedruck in den Zylindern; was zu einer unerwünschten Leistungssteigerung bei der Verbrennung führt. Durch die Verringerung der Frischluftzufuhr, die gemäß einer Ausführung mittels eines geringeren Öffnungsgrads einer Drosselklappe erreicht werden kann, kann die unerwünschten Leistungssteigerung durch den erhöhten Ladedruck kompensiert bzw. vermieden werden, ohne dass ein Miller-/Atkinsonbetrieb mit verringertem Ventilhub erforderlich ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn aufgrund der emissionsregulatorisch nötigen Weiterentwicklung moderner Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge ein reduzierter Ventilhub oberhalb bestimmter Drehzahlgrenzen kinematisch, insbesondere an der Nockenwelle, nicht mehr darstellbar ist.
Die Verfahrensschritte (III) Verringern des Anteils der Abgase der Brennkraftmaschine, die durch einen Turbinen-Bypass des Abgasturboladers geführt werden, und (IV) Verringern der Frischluftzufuhr zu den Zylindern der Brennkraftmaschine werden gemeinsam vorliegend insbesondere als „die Eingriffe in die Fluidstromleitung“ der Brennkraftmaschine bezeichnet. Der Begriff „die Eingriffe“ bezieht sich also insbesondere auf solche Eingriffe, die funktional zumindest primär der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dienen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Steuermittel offenbart, das insbesondere auf einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine ausgebildet und dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einer Ausführung der Erfindung durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeugantrieb offenbart. Der Fahrzeugantrieb weist zumindest auf:
(a) eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Otto- oder einen Dieselmotor.
(b) eine Sauganlage mit einer Luftregeleinrichtung zur geregelten Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft. (c) wenigstens einen oder zwei, insbesondere in Reihe geschaltene, Abgasturbolader zur Aufladung der Frischluft für die Brennkraftmaschine, aufweisend eine Abgasturbine mit einem Abgasturbinenbypass, der eine Bypassabgas-Regeleinrichtung aufweist,
(d) eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einer Temperaturermittlungseinrichtung. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung weist zumindest einen Drei- Wege-Katalysator auf, wobei insbesondere dessen katalytische Beschichtung unmittelbar oder mittelbar über eine Lebensdauer-Verkürzung Schaden nimmt, wenn die in den Katalysator geführten Abgase so heiß sind und ggf. so lange eingeführt werden, dass ein oberer Temperaturgrenzwert der Abgasnachbehandlungseinrichtung überschritten wird.
(e) ein Steuermittel gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass bei modernen Brennkraftmaschine für Personenkraftfahrzeuge in einem höheren Drehzahlbereich der Einlassventilhub nicht unterhalb eines Mindestniveaus liegen darf, da es ansonsten zu Bauteilschäden kommt. Da somit die Möglichkeiten eines Miller- /Atkinson-Betriebs in diesem Drehzahlbereich stark eingeschränkt sind, kann mit bekannten Methoden die Abgastemperatur vor und im Katalysator nur mittels Anfettung im unschädlichen Bereich gehalten werden. Diese wird aber zukünftig mehr uns mehr gesetzlich untersagt sein.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, (insbesondere in diesem kritischen Drehzahlbereich) mehr Abgasmasse über die Abgasturbine des Abgasturboladers fließen zu lassen, um dadurch eine größere Temperatursenke darzustellen. Der dabei generierte überschüssige Ladedruck wird über das Drosselorgan auf der luftführenden Seite wieder auf den für diesen Betriebspunkt notwendigen Wert herunter geregelt. Insbesondere, wenn das Abgasnachbehandlungssystem an seine systemseitigen Grenzen stößt, wird also das Wastegate weiter geschlossen, insbesondere weiter als eigentlich für diesen Betriebszustand nötig. Der daraus resultierende steigende Ladedruck, welcher dem Gesamtsystem zu mehr Leistung verhelfen würde (aber normalerweise unerwünscht ist), wird durch die Drosselklappe (oder eine andere Luftregeleinrichtung (Drehschieber o.ä.)) auf der luftführende Seite abgebremst bzw. wieder auf das an sich für diesen Betriebszustand benötigte Niveau gedrosselt. Dadurch bleibt die Leistung konstant und die Abgasnachhandlungssysteme werden über den zusätzlichen Enthalpieabbau über die Turbine in ihrem Temperaturniveau entlastet. Darüber hinaus kann damit auch eine generelle Abkühlung des Abgasnachbehandlungssystems erzielt werden, welches somit eine längere Haltbarkeit aufgrund geringerem Temperatureintrag bekommt.
Gemäß einer Ausführung wird die Frischluftzufuhr in einem Maß verringert, das von einem Maß der Verringerung der Anteile des Abgases in dem Turbinenbypass abhängig ist. Dadurch kann das Kompensationsniveau auf den zusätzlich eingebrachten Ladedruck abgestimmt werden.
Gemäß einer Ausführung zielen die, insbesondere verfahrensgemäßen, Eingriffe in die Führung der Verbrennungsfluide - Luft oder Gemisch vor der Verbrennung, Abgase nach der Verbrennung - (insbesondere Verfahrensschritt (III): Verringern eines Anteils der Abgase der Brennkraftmaschine, die durch einen Turbinen-Bypass des Abgasturboladers geführt werden; Verfahrensschritt (IV): Verringern einer Frischluftzufuhr zu den Zylindern der Brennkraftmaschine) darauf ab, einen vorbestimmten Ladedruck möglichst genau zu erreichen, insbesondere einzustellen und/oder zu halten. Insbesondere entspricht der vorbestimmte Ladedruck demjenigen Ladedruck, der für den vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine ohne unter Vernachlässigung der Notwendigkeit einer Abkühlung der Abgase vorgesehen ist. Gemäß einer Ausführung werden die, insbesondere verfahrensgemäßen, Eingriffe in die Führung der Verbrennungsfluide beendet, wenn ein unterer Temperaturgrenzwert der Katalysatortemperatur unterschritten wird. Damit kann das Feld der Betriebszustände der Brennkraftmaschine, bei welchen die Erfindung zur Anwendung kommt, klar abgegrenzt werden.
Gemäß einer Ausführung werden die, insbesondere verfahrensgemäßen, Eingriffe umso stärker angesteuert (insbesondere wird also gemäß Verfahrensschritt III das Wastegate weiter geschlossen und gemäß Verfahrensschritt IV die Frischluftzufuhr zu den Brennräumen weiter gedrosselt), je stärker der obere Temperaturgrenzwert überschritten ist. Dies ermöglicht eine kontinuierliche und/oder stetige und/oder fein abgestimmte Durchführung des Verfahrens.
Gemäß einer Ausführung werden die, insbesondere verfahrensgemäßen, Eingriffe, insbesondere vorübergehend, schwächer oder nicht angesteuert, wenn und/oder solange ein Betriebszustand vorliegt, der eine schnelle und/oder unmittelbare Response der Brennkraftmaschine erfordert. Insbesondere kann das erreich werden, indem einmal vorgesteuert und anschließend nicht mehr nachgeregelt wird.
Gemäß einer Ausführung wird die Katalysatortemperatur wiederholt, in kurzen Zeitabständen (von insbesondere wenigen Millisekunden), ermittelt und daraus ein Temperaturgradient und/oder eine Temperaturprädiktion ermittelt. Eine Temperaturprädiktion kann beispielsweise auf einer Auswertung der ermittelten Temperaturwerte und des Temperaturgradienten beruhen, sodass bei einer schnelleren Steigerung der T emperatur stärker im Sinne der Erfindung gegengesteuert wird. Dadurch kann die Temperaturfestigkeit der kritischen Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung voll ausgenutzt werden, ohne Gefahr zu laufen, durch Regelungsverzögerungen einen Lebensdauer-kritischen Temperatureintrag zu verursachen.
Für die Durchführung der Erfindung ist es an sich irrelevant, wie die Katalysatortemperatur ermittelt wird. Insbesondere kann die Katalysatortemperatur gemessen und/oder anhand eines Betriebsmodells modelliert, und/oder mittels einer Lookup- Tabelle oder dergleichen ausgelesen werden, insbesondere unter Verwendung des Motorsteuergeräts.
Gemäß einer Ausführung werden die, insbesondere verfahrensgemäßen, Eingriffe bereits vor einem Erreichen des oberen Temperaturgrenzwerts angesteuert, wenn aufgrund eines ermittelten Temperaturgradients und/oder einer ermittelten Temperaturprädiktion eine Überschreitung zu erwarten und/oder nicht mehr zu vermeiden ist.
Dies unterstützt ein Einregeln der Temperatur an der Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem verhältnismäßig engen Temperaturband und damit einen Kompo- nenten-schonenden Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. der Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Gemäß einer Ausführung erfolgt das Verringern des Anteils der Abgase der Brennkraftmaschine, die durch einen Turbinen-Bypass des Abgasturboladers geführt werden, insbesondere mittelbar oder unmittelbar, mittels eines Verringerns eines Öffnungsgrads einer Bypassabgas-Regeleinrichtung, wie beispielsweise eines Bypassventils und/oder eines Bypassschiebers und/oder einer Bypassklappe. Dadurch kann die Erfindung auch ohne hardwareseitige Anpassung an die Erfindung, beispielsweise mittels Standardkomponenten der Luft- und Abgasführung von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen umgesetzt werden.
Gemäß einer Ausführung erfolgt das Verringern der Frischluftzufuhr zu den Zylindern der Brennkraftmaschine, insbesondere mittelbar oder unmittelbar, mittels eines Verringerns eines Öffnungsgrads einer Luftregeleinrichtung, wie beispielsweise eines Drosselventils und/oder eines Drosselschiebers und/oder einer Drosselklappe, einer Sauganlage der Brennkraftmaschine. Dadurch kann die Erfindung hardwareseitig mittels auch in Systemen ohne die Erfindung verbauten Komponenten umgesetzt werden. Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Fig. 1 zeigt einen Fahrzeugantrieb mit einem Steuermittel gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
Fig. 2 zeigt verschiedene Diagramme, jeweils mit einem Zeitverlauf unterschiedlicher Größen, zur Verdeutlichung eines Verfahrens nach einer ersten beispielhaften Ausführung, durchgeführt an dem Fahrzeugantrieb aus Figur 1.
Fig. 3 zeigt verschiedene Diagramme, jeweils mit einem Zeitverlauf unterschiedlicher Größen, zur Verdeutlichung eines Verfahrens nach einer zweiten beispielhaften Ausführung, durchgeführt an dem Fahrzeugantrieb aus Figur 1.
Fig. 1 zeigt einen Fahrzeugantrieb 1 , aufweisend eine Brennkraftmaschine 2. Die Brennkraftmaschine 2 ist im Ausführungsbeispiel als Vierzylinder-Dieselmotor ausgebildet. Die Brennkraftmaschine 2 ist zur Versorgung mit Sauerstoff an eine Sauganlage 4 angeschlossen, und zur Reinigung der Abgase an eine Abgasanlage 6.
Die Sauganlage 4 weist eine Frischluftführung 8, einen Ladeluftkühler 10, eine als Drosselklappe ausgebildete Luftregeleinrichtung 12 und einen Luftsammler 14 auf.
Die Abgasanlage 6 weist entlang einer Abgasführung 16 einen Abgaskrümmer sowie eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 auf, die zumindest einen Dreiwegekatalysator aufweist, insbesondere aber weitere Nachbehandlungseinrichtungen wie beispielsweise wenigstens einen Partikelfilter und/oder wenigstens einen SCR-Katalysator aufweist.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Zur Steigerung der Leistung der Brennkraftmaschine 2 ist in der Frischluftführung 8 der Sauganlage 4 und in der Abgasführung 16 der Abgasanlage 6 ein zweistufiger Abgasturbolader 22 angeordnet, wobei die Verdichter des Abgasturboladers 22 in der Frischluftführung 8 und die Turbinen des Abgasturboladers 22 in der Abgasführung 16 angeordnet sind.
Der Hochdruckverdichter und die Hochdruckturbine 26 des Abgasturboladers 22 sind im Ausführungsbeispiel jeweils mittels eines schaltbaren Bypasses umgehbar ausgebildet, wobei der als Hochdruckturbinenbypass ausgebildete Abgasturbinenbypass mit dem Bezugszeichen 28 gekennzeichnet ist.
Der Abgasturbinenbypass 28 weist eine als Klappe oder Ventil ausgebildete Bypassabgas-Regeleinrichtung 18 auf, mittels der in mehreren Stufen oder stufenlos ein Anteil der Abgase, welcher durch den Turbinenbypass geführt wird, angepasst werden kann.
Die Sauganlage 4 und die Abgasanlage 6 sind mittels einer schaltbaren Hoch- druck-AGR-Leitung 24 verbindbar, sodass heißes Abgas aus dem Abgaskrümmer 17 in den Luftsammler 14 geführt und dort mit der Frischluft vermischt werden kann. Im Ausführungsbeispiel können die Abgase in der AGR-Leitung 24 schaltbar durch einen AGR-Kühler und/oder daran vorbei geführt werden.
An einem Frischlufteingang 7 der Frischluftführung 8 ist ein Heißfilmluftmassenmesser HFM zur Messung eines Luftmassenstroms mHFM sowie ein Temperatursensor zur Messung einer Frischlufttemperatur T10 angeordnet. Zwischen den beiden Verdichtern 8 ist ein Drucksensor zur Messung eines Verdichterdrucks p12 in der Frischluftführung angeordnet. Zwischen dem Ladeluftkühler 10 und der Drosselklappe 12 ist ein Temperatursensor zur Messung einer Vordrosseltemperatur T21 in der Frischluftführung angeordnet. In dem Luftsammler 14 ist ein Drucksensor zur Messung eines Ladedrucks p22 angeordnet. In der AGR-Leitung 24 ist ein Temperatursensor zur Messung einer AGR-Gemischtemperatur T-nAGR beim Eintritt in den Luftsammler 14 angeordnet. In dem Abgaskrümmer ist ein Drucksensor zur Messung eines Vorturbinendrucks p31 angeordnet.
Zwischen der Niederdruckturbine des Abgasturboladers 22 und der Abgasnachbehandlungsanordnung 20 ist ein Temperatursensor 29 zur Messung einer Katalysatortemperatur T der Abgase vor dem Eintritt in die Abgasnachbehandlungsanordnung 20 angeordnet.
Der Fahrzeugantrieb 1 weist zudem eine Motorsteuerung 30 auf, die dazu eingerichtet ist, den Fahrzeugantrieb 1 und alle Komponenten davon entsprechend der Betriebserfordernisse des Kraftfahrzeugs anzusteuern. Die Motorsteuerung 30 ist auch dazu eingerichtet, für eine optimale Ansteuerung des Fahrzeugantriebs und seiner Komponenten Messwerte aller oben erwähnten Sensoren zu berücksichtigen, sowie auf an sich übliche Betriebsmodelle, Lookup-Tabellen, etc. zuzugreifen, gegebenenfalls unter Verwendung der erfassten und/oder verarbeiteten Sensorwerte.
Die Motorsteuerung 30 weist ein Steuermittel 32 auf, das dazu eingerichtet ist, ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung der Brennkraftmaschine 2 durchzuführen. Insbesondere ist das Steuermittel 32 dazu eingerichtet, die Katalysatortemperatur T zu ermitteln und mit einem Grenzwert Tg zu vergleichen, sowie im Falle eines Überschreitens des Grenzwerts Tg die Drosselklappe 12 und die Bypassabgas-Regeleinrichtung 18 anzusteuern.
Zur Verrichtung dieser Aufgaben ist die Motorsteuerung 30 und/oder das Steuermittel 32 dazu eingerichtet, in gegenwärtigen Kraftfahrzeugen typischerweise hinterlegte Betriebsmodelle 34 des Fahrzeugs, des Fahrzeugantriebs und/oder des wenigstens einen Antriebsmotors zu verwenden, insbesondere also dort zugreifbare Daten, Sensorwerte, Lookup-Tabellen 36 und/oder Modellprädiktionen im Sinne der Erfindung zu verwenden. Die Durchführung des beispielhaften Verfahrens ist nachfolgend detailliert anhand von Erläuterungen zu der Darstellung der Figur 2 für ein erstes beispielhaftes Verfahren beschrieben. In Figur 3 ist anschließend beschrieben, inwiefern sich ein zweites Beispiel des Verfahren von dem ersten gemäß Figur 2 unterscheidet.
In den Diagrammen der Figur 2 sind - jeweils über die Zeit - angezeichnet: a) die mittels des Temperatursensors 29 kontinuierlich gemessenen Temperaturen T der Abgase in der Abgasführung 16 unmittelbar vor dem Eingang zur Abgasnachbehandlungseinrichtung 20. b) ein Öffnungsgrad Aw der Bypassabgas-Regeleinrichtung 18. c) ein Öffnungsgrad AD der Drosselklappe 12.
Anhand der Diagramme der Figur 2 lässt sich damit das erste beispielhafte Verfahren erläutern: in einem Volllast Betrieb der Brennkraftmaschine 2 steigt die Temperatur T immer weiter an, bis sie beim Zeitpunkt t1 den oberen, kritischen Temperaturgrenzwert TG erreicht, ab dem eine Schädigung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 droht.
Im Ausführungsbeispiel greift aufgrund des Erreichens (bzw. bei Überschreitung) des Grenzwerts TG das Steuermittel 32 in der Motorsteuerung 30 ein, indem der Öffnungsgrad Aw der Bypassabgas-Regeleinrichtung 18 und der Öffnungsgrad AD der Drosselklappe 12 verringert werden.
Dadurch wird einerseits durch die Verringerung des Öffnungsgrads Aw der Bypassabgas-Regeleinrichtung 18 ein größerer Anteil der Abgase über die Hochdruckturbine 26 geleitet, als eigentlich für diesen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 erforderlich. Dadurch verliert die Gesamtheit der Abgase am Eingang in die Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 mehr Enthalpie und damit Temperatur als zuvor. In der Folge sinkt die gemessene Temperatur T zunächst unter den oberen Grenzwert TG und später weiter bis zu einem unteren Grenzwert TOK ab.
Gleichzeitig würde sich aber ein erhöhter Ladedruck aufbauen, der über die Beeinflussung des Verhaltens der Verdichter des Abgasturboladers einen unerwünschten Einfluss auf die Leistung der Brennkraftmaschine hat.
Um diesen Effekt der Verringerung des Öffnungsgrads Aw zu kompensieren bzw. vermeiden, wird zeitgleich mit dieser Veringerung ab dem Zeitpunkt t1 auch der Öffnungsgrad Öffnungsgrad AD der Drosselklappe 12 entsprechend verringert.
Wenn beim Zeitpunkt t2 der untere Grenzwert TOK der gemessenen Temperatur T - sprich ein unkritischer Temperaturbereich - erreicht ist, werden die Öffnungsgrade Aw und AD wieder auf die eigentlich für diesen Betriebszustand Brennkraftmaschine 2 vorgesehene Größe gestellt.
Falls dies zur Folge hat, dass die Temperatur T nach einem weiteren Zeitintervall (beispielsweise beim Zeitpunkt t3) wieder den oberen Grenzwert TG erreicht bzw. überschreitet, werden wieder die gleichen erfindungsgemäßen Maßnahmen ergriffen.
In Figur 3 sind die gleichen Diagramme wie zu Figur 2 dargestellt, allerdings für ein anderes, zweites beispielhaftes Verfahren. Das zweite Beispiel Verfahren unterscheidet sich von dem ersten gemäß Figur 2 insbesondere dadurch, dass die Temperatur T nicht durch eine digitale ON/OFF-Anwendung der Erfindung, sondern durch eine kontinuierliche und graduelle Anpassung der Öffnungsgrade Aw und AD geregelt wird.
Dies ermöglicht insbesondere eine ein Regelung der Temperatur T in einem kleineren Temperaturband, dass zudem einen größeren Abstand zum kritischen Wert TG aufweisen kann. Damit kann sichergestellt werden, dass die temperaturkritischen Bauteile eine höhere Lebensdauer aufweisen. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Fahrzeugantrieb
2 Brennkraftmaschine
4 Sauganlage
6 Abgasanlage
8 Frischluftführung
10 Ladeluftkühler
12 Luftregeleinrichtung, z.B. Drosselklappe
14 Luftsammler
16 Abgasführung
18 Bypassabgas-Regeleinrichtung, z.B. Wastegateventil
20 Abgasnachbehandlungsanordnung
22 Abgasturbolader
24 Hochdruck-AGR-Leitung
26 Hochdruckabgasturbine
28 Hochdruckturbinenbypass
29 Temperatursensor
30 Motorsteuerung
32 Steuermittel t Zeitpunkte bei einer Durchführung des Verfahrens
T Katalysatortemperatur
TG oberer, kritischer Grenzwert der Katalysatortemperatur
TOK unterer Grenzwert der Katalysatortemperatur
Aw Öffnungsgrad der Bypassabgas-Regeleinrichtung
AD Öffnungsgrad der Luftregeleinrichtung

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (2), aufweisend zumindest die Verfahrensschritte:
(I) Ermitteln einer Katalysatortemperatur (T),
(II) Vergleichen der ermittelten Katalysatortemperatur mit einem oberen Temperaturgrenzwert (TG), dadurch gekennzeichnet, dass, wenn bei dem Vergleich eine Grenzwertüberschreitung erkannt wird, die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:
(III) Verringern eines Anteils der Abgase der Brennkraftmaschine, die durch einen Turbinenbypass (28) eines Abgasturboladers (22) der Brennkraftmaschine geführt werden,
(IV) Verringern einer Frischluftzufuhr zu den Zylindern der Brennkraftmaschine.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftzufuhr in einem Maß verringert wird, das von einem Maß der Verringerung der Anteile des Abgases in dem Turbinenbypass abhängig ist.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verfahrensgemäßen Eingriffe (III, IV) in die Führung der Verbrennungsfluide beendet werden, wenn ein unterer Temperaturgrenzwert (TOK) der Katalysatortemperatur unterschritten wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffe (III, IV) umso stärker angesteuert werden, je stärker der obere Temperaturgrenzwert überschritten ist.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatortemperatur wiederholt ermittelt und daraus ein Temperaturgradient und/oder eine Temperaturprädiktion ermittelt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verfahrensgemäßen Eingriffe bereits vor einem Erreichen des oberen Temperaturgrenzwerts angesteuert werden, wenn aufgrund eines ermittelten Tem- peraturgradients und/oder einer ermittelten Temperaturprädiktion eine Überschreitung zu erwarten und/oder nicht mehr zu vermeiden ist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verringern des Anteils der Abgase der Brennkraftmaschine, die durch einen Turbinen-Bypass des Abgasturboladers geführt werden, insbesondere mittelbar oder unmittelbar, mittels eines Verringerns eines Öffnungsgrads (Aw) einer Bypassabgas-Regeleinrichtung erfolgt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verringern der Frischluftzufuhr zu den Zylindern der Brennkraftmaschine, insbesondere mittelbar oder unmittelbar, mittels eines Verringerns eines Öffnungsgrads (AD) einer Luftregeleinrichtung einer Sauganlage der Brennkraftmaschine erfolgt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere verfahrensgemäßen, Eingriffe schwächer oder nicht angesteuert werden, wenn und/oder solange ein Betriebszustand vorliegt, der eine schnelle und/oder unmittelbare Response der Brennkraftmaschine erfordert. Steuermittel (32), insbesondere ausgebildet auf einer Motorsteuerung (30) der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Fahrzeugantrieb (1), aufweisend
- eine Brennkraftmaschine (2),
- eine Sauganlage (4) mit einer Luftregeleinrichtung (12),
- einen Abgasturbolader (22) mit einer Abgasturbine (26) und einem Abgasturbinenbypass (28), der eine Bypassabgas-Regeleinrichtung (18) aufweist,
- eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (20) mit einer Temperaturermittlungseinrichtung (29), - 17 - gekennzeichnet durch ein Steuermittel (32) gemäß Anspruch 9.
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