DE102005047820A1

DE102005047820A1 - Virtuelle Messung der Kompressorauslasstemperatur für den Schutz eines Ladeluftkühlers gegen Überhitzung

Info

Publication number: DE102005047820A1
Application number: DE102005047820A
Authority: DE
Inventors: Ping Troy Ge
Original assignee: Detroit Diesel Corp
Current assignee: Detroit Diesel Corp
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2006-05-04
Also published as: US20060086089A1; US7143580B2

Abstract

Ein System und ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine, die ein Abgasrückführsystem (EGR-System) und einen Ladeluftkühler aufweist, dienen dazu, eine Überhitzung des Ladeluftkühlers zu verhindern. Das System berechnet die Ausgangstemperatur eines Turboladerkompressors in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur, dem Luftdruck, der Luftmassenflussrate und der Turboladerdrehzahl durch Verarbeitung einer Gleichung und steuert die Brennkraftmaschine so, dass der Ladeluftfluss geändert wird, um die Ausgangstemperatur des Turboladerkompressors zu verringern, wenn diese Temperatur eine festgestellte, kritische Temperatur überschreitet, oberhalb derer eine Beschädigung des Ladeluftkühlers auftreten könnte.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Steuern der Turbolader-Kompressorausgangstemperatur bei Dieselmotoren, und spezieller ein System und ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur der Ladeluft, welche den Turboladerkompressor verlässt.

Bei einem typischen Dieselmotor, der mit einem System für die Abgasrückführung (EGR) versehen ist, wird eine begrenzte Menge an Abgas einem Saugrohr des Motors zugeführt. Dies stellt sicher, dass unverbrannter Kraftstoff und Nebenerzeugnisse verbrannt werden, bevor sie an die Atmosphäre abgegeben werden, und senkt auch den Spitzenwert der Verbrennungstemperatur ab, um die Erzeugung von Stickoxiden (NOx) zu minimieren. Dieses Merkmal wird durch das Hinzufügen eines EGR-Kühlsystems verbessert, welches die EGR-Gastemperatur verringert, bevor das Abgas dem Saugrohr zugeführt wird. Hierdurch wird die EGR-Ladedichte erhöht, und werden die gesamten Verbrennungstemperaturen und deren Beitrag zur Ausbildung von NOx verringert.

Bei so ausgerüsteten Motoren wird Ansaugluft üblicherweise komprimiert und gekühlt, typischerweise durch Einsatz eines Turboladerkompressors bzw. eines Ladeluftkühlers, um die Leistungsdichte zu erhöhen, also die Leistung pro Fördermenge. Zusätzliche Flexibilität beim Komprimieren von Ansaugluft, im Vergleich zu jenem eines herkömmlichen Turboladerkompressors, wird häufig unter Verwendung eines Turboladers mit variabler Geometrie (VGT) erzielt. Die Flexibilität optimiert die Turboladerdrehzahl und dessen Beschleunigung, wodurch das Turboloch minimiert wird, nämlich die Reaktionszeit, die dazu benötigt wird, bis der Turbolader die Motorleistung nach Betätigung eines Gaspedals zu beeinflussen beginnt. Der VGT wird typischerweise durch ein elektronisches Steuermodul (ECM) gesteuert, um dem Motor Ladedruckmengen zuzuführen, die in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen variieren.

Eine Befürchtung beim Komprimieren von Ansaugluft besteht darin, dass der Ladeluftkühler überhitzt werden könnte. Daher stellt ein verlässliches und exaktes Verfahren zur Bestimmung der Ausgangstemperatur des Kompressors einen wesentlichen Faktor zum Verhindern einer derartigen Überhitzung dar.

Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Dieselmotors zur Verfügung, um die Überhitzung eines Ladeluftkühlers zu verhindern. Ein repräsentatives System und Verfahren überwachen momentane Umgebungs- und Motorbetriebsbedingungen, um festzustellen, ob Bedingungen dazu neigen, den Ladeluftkühler zu überhitzen. Werden derartige Bedingungen festgestellt, wird der Motor so gesteuert, dass eine Überhitzung vermieden wird. Vorzugsweise wird der Motor so gesteuert, dass die Temperatur der Turboladerkompressorluft begrenzt wird. Das vorliegende System und das vorliegende Verfahren verwenden einen virtuellen Sensor zur Bestimmung der Kompressorausgangstemperatur, wobei der virtuelle Sensor als ein Vorhersagemodell einer Brennkraftmaschine definiert ist, das von einem Mikroprozessor verwendet wird, parallel zum realen Motor, in Echtzeit, wobei die gleichen, realen Werte für die gemessenen Umgebungs- und Motorbetriebsbedingungen verwendet werden, wie dies bei dem tatsächlichen Motor der Fall ist.

Bei der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Überwachung momentaner Umgebungsbedingungen die Bestimmung der Umgebungslufttemperatur und des Umgebungsluftdrucks. Das Verfahren zur Überwachung von Motorbetriebsbedingungen umfasst die Bestimmung der Luftmassenflussrate und der Turboladerkompressordrehzahl. Das Verfahren zum Steuern des Motors umfasst die Verwendung der überwachten Umgebungs- und Motorbetriebsbedingungsergebnisse zur Berechnung der Turboladerkompressorausgangstemperatur.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Berechnung der Turboladerkompressorausgangstemperatur (TCO) besteht darin, einen virtuellen TCO-Sensor auf Grundlage der folgenden Gleichung einzusetzen, die in einer elektronischen Steuereinheit (ECU) vorhanden sein kann.

Hierbei ist:

ATS: die Temperatur des Turboladerkompressoreinlasses;
η_TT: der Kompressorwirkungsgrad;
P_r: das Kompressordruckverhältnis;
γ: das Verhältnis der spezifischen Wärmen; und
CF: der TCO-Sensorkorrekturfaktor.

Der TCO-Wert wird mit einer kritischen Temperatur verglichen, oberhalb derer eine Beschädigung des Ladeluftkühlers auftreten könnte. Wenn der TCO-Wert größer ist als die kritische Temperatur, wird der Motor so gesteuert, dass die Turboladerkompressorausgangstemperatur verringert wird, um eine derartige Beschädigung zu verhindern. Vorzugsweise umfasst das Steuern des Motors zumindest eine Abänderung des EGR-Flusses und/oder umfasst zumindest die Abänderung des Ladeluftflusses durch Schicken eines Anteils der Ladeluft so, dass dieser den Ladeluftkühler umgeht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines repräsentativen Systems oder Verfahrens zum Steuern eines Dieselmotors, um eine Überhitzung eines Ladeluftkühlers zu verhindern, gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines repräsentativen Ladeluftkühlers für einen Dieselmotor, wobei ein Ladeluftkühlerbypass und ein Turboladerkompressor vorgesehen sind, gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Betriebs eines Systems oder Verfahrens zum Steuern eines Dieselmotors zur Verhinderung der Überhitzung eines Ladeluftkühlers gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 ist ein schematisches Blockschaltbild, das den Betrieb eines Systems oder Verfahrens zum Steuern eines Dieselmotors zur Vermeidung einer Überhitzung eines Ladeluftkühlers gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Das System 10 weist einen Mehrzylinder-Dieselmotor auf, beispielsweise einen Dieselmotor 12, der in einem Fahrzeug angebracht sein kann, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet ist, abhängig von dem speziellen Einsatzzweck. Das Fahrzeug 14 umfasst eine Sattelzugmaschine, insgesamt mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet, und einen Sattelauflieger, insgesamt mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet. Der Dieselmotor 12 ist in der Sattelzugmaschine 16 angebracht, und mit verschiedenen Sensoren und Betätigungsgliedern verbunden, die sich auf dem Motor 12, der Sattelzugmaschine 16 und dem Sattelauflieger 18 befinden, über Motor- und Fahrzeugkabelbäume, wie dies nachstehend genauer erläutert wird. Bei anderen Anwendungen kann der Motor 12 dazu verwendet werden, Industrieanlagen und Baumaschinen zu betreiben, oder in ortsfesten Anwendungen eingesetzt werden, zum Antrieb von Generatoren, Kompressoren und/oder Pumpen oder dergleichen.
Ein elektronisches Motorsteuermodul (ECM) 20 empfängt Signale, die von Sensoren und Schaltern des Motors erzeugt werden, insgesamt mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet, sowie von Fahrzeugsensoren, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet sind, und verarbeitet die Signale zum Steuern von Betätigungsgliedern des Motors und/oder des Fahrzeugs, beispielsweise von Kraftstoffinjektoren, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet sind. Das ECM 20 weist vorzugsweise computerlesbare Speichermedien auf, insgesamt mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet, zum Speichern von Daten, welche von einem Computer 108 ausführbare Befehle repräsentieren, um den Motor 12 zu steuern. Die computerlesbaren Speichermedien 28 können auch Kalibrierinformation zusätzlich zu Arbeitsvariablen, Parametern, und dergleichen enthalten. Die computerlesbaren Speichermedien 28 umfassen einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 30, zusätzlich zu verschiedenen, nichtflüchtigen Speichern wie etwa einem Nur-Lesespeicher (ROM) 32, und einem nicht-flüchtigen Speicher (RAM) 34. Die computerlesbaren Speichermedien 28 kommunizieren mit einem Mikroprozessor 38 und einer Eingabe/Ausgabeschaltung (I/O) 36 über einen Standardsteuer/Adressenbus. Fachleute auf diesem Gebiet wissen, dass die computerlesbaren Speichermedien 28 verschiedene Arten physikalischer Geräte zum zeitweiligen und/oder dauernden Speichern von Daten umfassen können, welche Festkörpergeräte, magnetische, optische und Kombinationsgeräte umfassen können. So können beispielsweise die computerlesbaren Speichermedien 28 unter Verwendung eines der mehrerer physikalischer Geräte implementiert werden, beispielsweise DRAM, PROMS, EPROMS, EEPROMS, Flash-Speicher, und dergleichen. Abhängig von der speziellen Anwendung können die computerlesbaren Speichermedien 28 auch Floppy-Disks umfassen, CD-ROM, und dergleichen.
Bei einer typischen Aufwendung verarbeitet das ECM 20 Eingaben von den Motorsensoren 22 und den Fahrzeugsensoren bzw. Fahrzeugschaltern 24 durch Ausführung von Befehlen, die in den computerlesbaren Speichermedien 28 gespeichert sind, um entsprechende Ausgangssignale zum Steuern des Motors 12 zu erzeugen. Die Motorsensoren 22 umfassen einen Zündzeitpunktbezugssensor (TRS) 40, der eine Anzeige der Kurbelwellenposition zur Verfügung stellt, und dazu eingesetzt werden kann, die Motordrehzahl zu bestimmen. Ein Öldrucksensor (OPS) 42 und ein Öltemperatursensor (OTS) 44 werden dazu eingesetzt, den Druck bzw. die Temperatur des Motoröls zu überwachen.
Es wird ein Lufttemperatursensor (ATS) 46 dazu eingesetzt, eine Anzeige der momentanen Ansaug- oder Umgebungslufttemperatur zur Verfügung zu stellen. Ein Ladedrucksensor (TBS) 48 wird dazu verwendet, eine Anzeige des Ladedrucks eines Turboladerkompressors 170 (2) zur Verfügung zu stellen, der vorzugsweise ein Turbolader mit variabler Geometrie oder variabler Düse ist, wie dies nachstehend genauer erläutert wird. Wie Fachleute auf diesem Gebiet wissen, kann der TBS 48 auch dazu eingesetzt werden, eine Anzeige des Saugrohrdrucks zur Verfügung zu stellen. Ein Kühlmitteltemperatursensor (CTS) 50 wird dazu verwendet, eine Anzeige der Kühlmitteltemperatur zur Verfügung zu stellen. Abhängig von der speziellen Ausbildung und dem speziellen Einsatz des Motors können verschiedene, zusätzliche Sensoren vorgesehen sein. So weisen beispielsweise Motoren, die eine Abgasrückführung (EGR) gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzen, vorzugsweise einen EGR-Temperatursensor (ETS) 51 auf, einen Umgebungsdrucksensor (APS) 55, und einen EGR-Flusssensor (EFS) 53. Der EFS 53 ist vorzugsweise ein Sensor, der eine Temperaturdifferenz zwischen zwei erwärmten Elementen erfasst, um die Massenflussrate des EGR-Gases durch eine EGR-Schaltung zu bestimmen. Die erwärmten Elemente können vorzugsweise pyrolitisch gereinigt werden, dadurch, dass sie auf eine Temperatur zur Verringerung oder Verhinderung einer Ansammlung von Russ erwärmt werden.
Alternativ kann ein ΔP-Sensor eingesetzt werden, um die EGR-Flussrate zu bestimmen, wie beschrieben in der US-Anmeldung mit der Seriennummer 09/641,256, eingereicht am 16. August 2000, und an den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen, wobei deren Offenbarung insgesamt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird.
Anwendungen, die ein Kraftstoffsystem mit Druckleiste verwenden, können einen entsprechenden Kraftstoffdrucksensor (CFPS) 52 aufweisen. Entsprechend können ein Zwischenkühler-Kühlmitteldrucksensor (ICPS) 54 und ein Temperatursensor (ICTS) 56 vorgesehen sein, um den Druck und die Temperatur des Zwischenkühler-Kühlmittels zu messen. Der Motor 12 weist weiterhin vorzugsweise einen Kraftstofftemperatursensor (FTS) 58 und einen Synchronbezugssensor (SRS) 60 auf. Der SRS 60 stellt eine Anzeige eines bestimmen Zylinders in der Zündreihenfolge des Motors 12 zur Verfügung. Dieser Sensor kann dazu eingesetzt werden, die Steuerung einer Anordnung mit mehreren Motoren zu koordinieren oder zu synchronisieren, wie sie bei einigen ortsfesten Generatoranwendungen eingesetzt wird. Ein EGR-Kühler 150 (2) und ein entsprechender Temperatursensor können ebenfalls dazu vorgesehen sein, EGR-Gas vor dem Einlassen an der Ansaugseite des Motors zu kühlen.
Der Motor 12 kann auch einen Ölniveausensor (OLS) 62 aufweisen, um verschiedene Motorschutzmerkmale zur Verfügung zu stellen, die mit einem niedrigen Ölniveau zusammenhängen. Ein Kraftstoffdrosselsensor (FRS) 64 kann dazu vorgesehen sein, ein Kraftstofffilter zu überwachen, und eine Warnung für vorsorgliche Wartungszwecke zur Verfügung zu stellen. Ein Kraftstoffdrucksensor (FPS) 68 stellt eine Anzeige des Kraftstoffdrucks zur Verfügung, um eine Warnung bei einem drohenden Leistungsverlust und in Bezug auf den Kraftstoffvorrat des Motors abzugeben. Entsprechend stellt ein Kurbelgehäusedrucksensor (CPS) 66 eine Anzeige des Kurbelgehäusedrucks zur Verfügung, die für verschiedene Motorschutzmerkmale eingesetzt werden kann, durch Erfassung eines plötzlichen Anstiegs des Kurbelgehäusedrucks, der eine Motorstörung anzeigt. Weiterhin stellt ein Drehzahlreglersensor (VSG) 69 eine Anzeige der Einstellung eines Drehzahlreglers zur Verfügung. Schalter, die dazu verwendet werden, eine Motorbetriebsart auszuwählen, oder auf andere Art und Weise den Betrieb des Motors 12 oder des Fahrzeugs 14 zu steuern, können einen Motorbremsauswahlschalter 74 umfassen, der vorzugsweise eine Auswahl von Niedrig, Mittel, Hoch und Aus zur Verfügung stellt, Fahrtreglerschalter 76, 78 und 80, einen Diagnoseschalter 82, und verschiedene wahlweise digitale und/oder analoge Schalter 84. Das ECM 20 empfängt auch Signale, die einem Gas- oder Fußpedal 86 zugeordnet sind, einem Kupplungspedal 88, und einem Bremspedal 90. Das ECM 20 kann auch die Position eines Schlüsselschalters 92 und die Systemspannung überwachen, die von einer Fahrzeugbatterie 94 zur Verfügung gestellt wird.
Das ECM 20 kann mit verschiedenen Fahrzeugausgabegeräten kommunizieren, beispielsweise Statusanzeigen oder Lampen 96, Analoganzeigen 98, Digitalanzeigen 100, und verschiedenen analogen oder digitalen Messgeräten 102. Das ECU 20 verwendet eine Industriestandarddatenverbindung 104 zur Übertragung verschiedener Status- und/oder Steuernachrichten, welche die Motordrehzahl, die Gaspedalposition, die Fahrzeuggeschwindigkeit, und dergleichen umfassen können. Vorzugsweise entspricht die Datenverbindung 104 den Vorschriften gemäß SAE J1939 und SAE J1587, um verschiedene Service-, Diagnose- und Steuerinformation für andere Motorsysteme, Untersysteme, und angeschlossene Geräte zur Verfügung zu stellen, beispielsweise für eine Anzeige 100. Vorzugsweise weist das ECM 20 eine Steuerlogik auf, um momentane Umgebungs- und Motorbetriebsbedingungen zu bestimmen, um Bedingungen zu erfassen, die eine Überhitzung eines Ladeluftkühlers 174 (2) fördern, und um den Motor entsprechend zu steuern, um diesen Zustand zu vermeiden. Wie dies nachstehend genauer erläutert wird, überwacht das ECM 20 vorzugsweise die Umgebungstemperatur, den Umgebungsdruck, die Luftmassenflussrate, und die Turboladerkompressordrehzahl, um die Temperatur am Ausgang des Turboladerkompressors zu bestimmen, damit das Einleiten von Strategien zur Verhinderung einer Überhitzung des Ladeluftkühlers 174 erleichtert wird. Die Strategien umfassen, selektiv den EGR-Fluss zu verringern, und zumindest einen Anteil der Ladeluft um den Ladeluftkühler 174 herum umzuleiten.
Ein Servicetool 106 kann periodisch über die Datenverbindung 104 angeschlossen werden, um ausgewählte Parameter zu programmieren, die in dem ECM 20 gespeichert sind, und/oder um Diagnoseinformation von dem ECM 20 zu empfangen. Ebenso kann ein Computer 108 mit der geeigneten Software und Hardware über die Datenverbindung 104 angeschlossen sein, um Information an das ECM 20 zu übertragen, und verschiedene Informationen in Bezug auf den Betrieb des Motors 12 und/oder des Fahrzeugs 14 zu empfangen. Es können auch ein Empfänger 110 und eine Antenne 112 vorgesehen sein, um elektromagnetische Signale von fern gelegenen Orten zu empfangen, und sie an das ECM 20 zu übertragen.
2 ist ein Blockschaltbild, welches ein repräsentatives EGR-System in Kommunikation mit dem ECM 20 zeigt, welches eine Steuerlogik aufweist, um den Betrieb einer EGR-Schaltung 126 zu steuern, damit eine Überhitzung des Turboladerkompressors 170 verhindert wird, gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Motor 12 weist ein Saugrohr 122 auf, einen Auspuffkrümmer 124, und ein Abgasumwälzsystem (EGR-System), insgesamt mit dem Bezugszeichen 126 bezeichnet. Das Motorsteuermodul (ECM) 20 enthält gespeicherte Daten, welche Befehle und Kalibrierinformation zum Steuern des Motors 12 repräsentieren. Das ECM 20 kommuniziert mit verschiedenen Sensoren und Betätigungsgliedern, einschließlich EGR-Sensoren, beispielsweise mit dem EGR-Flusssensor 130 und dem EGR-Temperatursensor 132. Das ECM 20 steuert das EGR-System 126 über Betätigungsglieder, beispielsweise ein EGR-Steuerventil 134, und ein EGR-Kühlerbypassventil (BPV_EGR) 136, und wahlweise über ein oder mehrere Ladeluftkühlerbypassventile (PV_CAC) 138 und 140. Weiterhin steuert das ECM 20 vorzugsweise einen Turbolader (VGT) 142 mit variabler Düse oder variabler Geometrie, und überwacht einen zugehörigen Turbodrehzahlsensor (TSS) 144, einen Luftmassenflussratensensor (AMS) 145, einen Umgebungslufttemperatursensor (ATS) 46 (1), und einen Umgebungsbarometerdrucksensor (APS) 55 (ebenfalls 1).
Das EGR-System 126 weist vorzugsweise einen EGR-Kühler 150 auf, der an eine Motorkühlmittelschaltung angeschlossen ist, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 152 bezeichnet ist. Der EGR-Kühler 150 ist vorzugsweise ein Hauptstromkühler, der in das Motorkühlmittelsystem geschaltet ist, so dass der EGR-Kühler 150 den gesamten Kühlmittelfluss für den Motor 12 empfängt, obwohl andere Anordnungen und Arten von EGR-Kühlern eingesetzt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der EGR-Kühler 150 kann direkt an eine entsprechende Wasser- oder Kühlmittelpumpe 154 angeschlossen sein, oder kann an einem anderen Ort in der Motorkühlschaltung angeordnet sein, abhängig von dem speziellen Einsatzzweck. Weiterhin ist der EGR-Kühler 150 vorzugsweise ein zweistufiger Kühler, der eine erste Stufe zur Verfügung stellt, insgesamt mit dem Bezugszeichen 156 bezeichnet, und eine zweite Stufe, insgesamt mit dem Bezugszeichen 158 bezeichnet, des EGR-Gases durch einen Kühlerkern.
Das EGR-Kühlerbypassventil (BPV_EGR) 136 kann selektiv von dem ECM 20 betätigt werden, um die Temperatur des EGR-Flusses zu steuern, durch Ableitung oder keine Ableitung eines gewissen Anteils des Flusses um den EGR-Kühler 150 herum, auf Grundlage momentaner Umgebungs- und Motorbetriebsbedingungen, wie dies unter Bezugnahme auf 3 dargestellt ist und beschrieben wird. Das Ventil 136 kann ein durch einen Elektromagneten betätigtes Ein/Ausschaltventil sein, so dass ein gewisser Anteil des EGR-Flusses, oder auch gar keiner, den EGR-Kühler 150 umgeht. Obwohl ein modulierendes Bypassventil bei einigen Anwendungen nützlich sein kann, ist dies nicht erforderlich, da eine Modulation des EGR-Steuerventils 134 dazu eingesetzt werden kann, den gesamten EGR-Fluss zu steuern. Entsprechend können ein oder mehrere Ladeluftbypassventile (BPV_CAC) 138 und 140 vorgesehen sein, um selektiv die Temperatur der Luft einzustellen, welche den Turboladerkompressor 170 verlässt, und durch den Ladeluftkühler 174 hindurchgeht. Wie dargestellt, zweigt das Ladeluftbypassventil 138 keine Ladeluft, oder einen Anteil der Ladeluft, um den Ladeluftkühler 174 herum ab, um dessen Temperatur zu steuern. Vorzugsweise betätigt das ECM 20 die Ventile 136 und/oder 138 und/oder 140 so, dass die EGR-Temperatur gesteuert wird, auf Grundlage momentaner Umgebungs- und Motorbetriebsbedingungen, um eine Überhitzung des Ladeluftkühlers 174 zu verhindern. Wie nachstehend erläutert wird, kann die Steuerstrategie die Turbodrehzahl verwenden, die Luftmassenflussrate, die Umgebungslufttemperatur, und die barometrische Umgebungstemperatur, um zu bestimmen, wann das EGR-Steuerventil 134 und ein oder mehrere Bypassventile 136, 138, und 140 gesteuert werden müssen, um einen Überhitzungszustand zu verhindern.
Im Betrieb steuert das ECM 20 das EGR-System 126 und den VGT 142 auf Grundlage momentaner Umgebungs- und Motorbetriebsbedingungen und von Kalibrierinformation, um EGR-Gas mit Ladeluft über einen Mischer 162 zu mischen, der vorzugsweise ein Rohrverbindungs-T-Stück ist. Die Mischung aus Ladeluft und EGR-Gas wird dann dem Motor 12 über das Saugrohr 122 zugeführt. Der dargestellte, repräsentative Motor 12 ist ein Sechszylinder-Dieselmotor. Das ECM 20 weist Steuerlogik auf, um momentane Umgebungsbetriebsbedingungen zu überwachen, beispielsweise die Temperatur und wahlweise die Feuchte, sowie Motorsteuerparameter und Betriebsbedingungen, um das EGR-System 126 zu steuern. Im Betrieb des Motors 12 gelangt Ansaugluft durch den Kompressorabschnitt 170 des VGT 142 hindurch, der von einem Turbinenabschnitt 172 über heiße Abgase angetrieben wird. Luft, die von dem Kompressor 170 komprimiert wurde, gelangt dann durch den Ladeluftkühler 174, der vorzugsweise ein Luft-Luftkühler ist, der durch Staudruckluft 176 gekühlt wird. Die Ladeluft fließt dann durch den Mischer 162, wo sie sich mit EGR-Gas vereinigt. EGR-Gas, das den Motor 12 über den Auspuffkrümmer 124 verlässt, gelangt durch das EGR-Steuerventil 134, bei welchem ein Anteil des Abgases selektiv durch den EGR-Kühler 150 abgezweigt werden kann. Das Bypassventil 136 wird selektiv betätigt, um einen Anteil (keinen oder einen gewissen) des abgezweigten Abgases um den Kühler 150 abzuzweigen, um so die Temperatur des EGR-Gases einzustellen. Das EGR-Gas fließt über den EGR-Flusssensor 130 und den Temperatursensor 132 hinaus zum Mischer 162, wo es mit komprimierter Ladeluft vereinigt wird. Verbleibendes Abgas, das nicht durch das EGR-Steuerventil 134 abgezweigt wird, geht durch den Turbinenabschnitt 172 des VGT 142 und einen Schalldämpfer 180 hindurch, bevor es an die Atmosphäre abgelassen wird. Der EGR-Kühler 150 kühlt das erwärmte EGR-Gas unter Verwendung von Motorkühlmittel, das durch die Motorkühlmittelschaltung 152 fließt. Motorkühlmittel wird durch ein Kühlgebläse 184 und einen Kühler 186 gekühlt.
Wie voranstehend geschildert, können ein oder mehrere Bypassventile der Einlassseite des Motors 12 stromabwärts des Ladeluftkühlers (CAC) 174 zugefügt werden, um selektiv einen gewissen Anteil (oder auch keinen) der Ladeluft von dem Kompressorabschnitt 170 des VGT 142 abzuzweigen. Das Bypassventil, oder die Bypassventile, des Ladeluftkühlers (CAC) wird bzw. werden entsprechend dem EGR-Bypassventil 136 betätigt, unter bestimmten Umgebungs- und Motorbetriebsbedingungen, die eine Überhitzung des Ladeluftkühlers 174 fördern könnten, wie in Bezug auf 3 gezeigt und beschrieben. Die Strategie, die eine derartige Überhitzung verhindert, beruht auf einer virtuell gemessenen Turboladerkompressorausgangstemperatur (TCO), die in Abhängigkeit von Signalen bestimmt wird, die von dem Turbodrehzahlsensor (TSS) 144 empfangen werden, dem Luftmassenflussratensensor (AMS) 145, dem Lufttemperatursensor (ATS) 46 (1), und dem Umgebungsdrucksensor (APS) 55 (ebenfalls 1).
3 ist ein Blockschaltbild, das den Betrieb einer Ausführungsform eines Systems oder Verfahrens zum Steuern eines Motors zur Verhinderung einer Überhitzung des Ladeluftkühlers 174 (2) gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Fachleute auf diesem Gebiet werden merken, dass das Blockschaltbild von 3 Steuerlogik repräsentiert, die als Hardware, Software, oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert oder ausgeführt sein kann. Die verschiedenen Funktionen werden vorzugsweise von einem programmierten Mikroprozessor durchgeführt, etwa einem solchen, der in einer DDEC-Steuerung vorhanden ist, die von der Detroit Diesel Corporation, Detroit, Michigan hergestellt wird. Selbstverständlich kann die Steuerung des Motors bzw. des Fahrzeugs eine oder mehrere Funktionen enthalten, die durch spezielle elektrische, elektronische oder integrierte Schaltungen implementiert werden.
Wie Fachleute auf diesem Gebiet ebenfalls erkennen werden, kann die Steuerlogik unter Verwendung jeder einer Anzahl bekannter Programmier- und Verarbeitungstechniken implementiert werden, oder entsprechender Strategien, und ist nicht auf die Reihenfolge oder Abfolge beschränkt, die in 3 dargestellt ist. So wird typischerweise eine Interrupt- oder ereignisabhängige Verarbeitung bei Echtzeit-Steueranwendungen eingesetzt, beispielsweise bei der Steuerung eines Motors oder eines Fahrzeugs, anstelle der rein aufeinanderfolgenden Strategie, wie sie dargestellt ist. Weiterhin können Parallelverarbeitungs-, Multitasking- oder Multithread-Systeme und -verfahren dazu eingesetzt werden, die Ziele, Merkmale, und Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erreichen.
Die Erfindung ist unabhängig von irgendeiner speziellen Programmiersprache, einem speziellen Betriebssystem, einem Prozessor oder einer Schaltung, die dazu verwendet werden, die dargestellte Steuerlogik zu entwickeln und/oder zu implementieren. Entsprechend können, abhängig von der speziellen Programmiersprache und Verarbeitungsstrategie, verschiedene Funktionen in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden, im Wesentlichen gleichzeitig, oder aufgrund einer anderen Reihenfolge, während die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Die dargestellten Funktionen können abgeändert werden, oder in einigen Fällen weggelassen werden, ohne vom Wesen oder Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die dargestellte Steuerlogik wird hauptsächlich durch Software implementiert, und ist in computerlesbaren Speichermedien in dem ECM 20 gespeichert (2). Wie Fachleute auf diesem Gebiet wissen, können verschiedene Steuerparameter, Befehle, und Kalibrierinformationen, die in dem ECM 20 gespeichert sind, selektiv durch den Benutzer oder Inhaber des Fahrzeugs geändert werden, wogegen andere Informationen autorisiertem Wartungs- oder Firmenpersonal vorbehalten bleiben. Die computerlesbaren Speichermedien können ebenfalls dazu verwendet werden, Motor/Fahrzeugbetriebsinformation für Benutzer oder Eigner des Fahrzeugs zu speichern, sowie Diagnoseinformation für Wartungspersonal. Obwohl nicht explizit dargestellt, können verschiedene Schritte oder Funktionen wiederholt durchgeführt werden, abhängig von der Art der eingesetzten Verarbeitung.
Bei der repräsentativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 3 dargestellt ist, werden momentane Umgebungsbedingungen bestimmt oder überwacht, wie durch einen Block 200 repräsentiert. Umgebungsbedingungen können unter Verwendung geeigneter Sensoren bestimmt werden, oder in Abhängigkeit von dem speziellen Einsatzzweck abgeschätzt oder geschlossen werden. Vorzugsweise repräsentiert der Block 200 zumindest eine Bestimmung der Umgebungslufttemperatur, wie durch einen Block 202 repräsentiert, und des Umgebungsluftdrucks, wie durch einen Block 204 repräsentiert.
Momentane Motorbetriebsbedingungen werden so überwacht oder bestimmt, wie dies durch einen Block 210 repräsentiert ist. Motorbetriebsbedingungen können unter Verwendung geeigneter Sensoren bestimmt werden, oder in Abhängigkeit von dem speziellen Einsatzzweck abgeschätzt oder geschlossen werden. Vorzugsweise repräsentiert der Block 210 zumindest eine Bestimmung der Rate des Luftmassenflusses, wie durch einen Block 212 repräsentiert, und einer Turboladerkompressordrehzahl, wie durch einen Block 214 repräsentiert. Die Bestimmung der momentanen Umgebungs- und Motorbetriebsbedingungen, repräsentiert durch den Block 200 bzw. 210, wird dann dazu verwendet, die Temperatur (TCO) am Ausgang des Turboladerkompressors zu berechnen, wie durch einen Block 216 repräsentiert.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Berechnung der Turboladerkompressorausgangstemperatur (TCO) besteht in der Verwendung eines virtuellen TCO-Sensors auf Grundlage der folgenden Gleichung, die in dem ECM 20 vorgesehen sein kann.
Hierbei ist:

ATS:: Die Temperatur des Turboladerkompressoreinlasses;
η_TT:: Der Kompressorwirkungsgrad (2D-Tabellenkalibrierfunktion des korrelierten Massenflusses und der korrigierten Turbodrehzahl);
P_r:: Kompressordruckverhältnis (2D-Tabellenkalibrierfunktion des korrigierten Massenflusses und der korrigierten Turbodrehzahl);
γ:: Verhältnis der spezifischen Wärmen (Konstante = 1,4); und
CF:: Der TCO-Sensorkorrekturfaktor (skalare Kalibrierung).

Wie voranstehend erläutert, sind sowohl der Kompressorwirkungsgrad als auch das Turboladerkompressordruckverhältnis jeweils eine zweidimensionale Tabellenkalibrierfunktion der korrigierten Turbodrehzahl und des korrigierten Luftmassenflusses. Ein bevorzugtes Verfahren zur Berechnung dieser letztgenannten zwei Werte beruht auf den folgenden Gleichungen, die in dem ECM 20 vorgesehen sein können.
Hierbei ist:

APS:: Barometrischer Umgebungsdruck;
ATS:: Temperatur des Turboladerkompressoreinlasses;
TSS:: Turboladerdrehzahl;
T_ref:: Bezugstemperatur, für welche die Kennfelddaten gelten;
P_ref:: Bezugsdruck, für welchen die Kennfelddaten gelten; und
M •turbo:: Luftmassenflussrate durch den Kompressor.

Der Wert von TCO wird dann, wie durch einen Block 218 repräsentiert, mit einer kritischen (kalibrierbaren und/oder anpassbaren) Temperatur verglichen, oberhalb welcher eine Beschädigung des Ladeluftkühlers 174 (2) auftreten könnte. Wenn der Wert von TCO größer ist als die kritische Temperatur, wird der Motor 12 (1 und 2) so gesteuert, dass die Turboladerkompressorausgangsspannung verringert wird, um eine derartige Beschädigung zu verhindern. Vorzugsweise umfasst das Steuern des Motors 12 zumindest eine Abänderung des EGR-Flusses und/oder umfasst zumindest eine Abänderung des Ladeluftflusses durch Abzweigen zumindest eines Anteils von diesem so, dass der Ladeluftkühler 174 (2) umgangen wird.
Der virtuelle TCO-Sensor weist eine erheblich kürzere Reaktionszeit auf als ein realer, körperlicher Sensor. Angesichts dieser Tatsache wird ein wohlbekanntes Tiefpassfilter (nicht gezeigt), das eine einstellbare Reaktionszeit aufweist, vorzugsweise dem TCO-Sensormodell hinzugefügt, so dass die zeitliche Reaktion des virtuellen Sensors mit jener von Motorsteuersignalen korreliert werden kann.
Wie voranstehend geschildert, stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Verhindern einer Überhitzung des Ladeluftkühlers 174 zur Verfügung. Zwar wurde voranstehend die Erfindung dargestellt und beschrieben, jedoch ist es nicht angestrebt, dass sämtliche möglichen Formen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden. Stattdessen sind die bei der Beschreibung verwendeten Begriffe eher beschreibende als einschränkende Begriffe; und es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Dieselmotors, der eine EGR-Schaltung aufweist, einen Turboladerkompressor, und einen Ladeluftkühler, um eine Überhitzung des Ladeluftkühlers zu verhindern, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmung einer kritischen Temperatur, oberhalb derer eine Beschädigung des Ladeluftkühlers auftreten könnte; Bestimmung momentaner Umgebungsbedingungen; Bestimmung momentaner Motorbetriebsbedingungen; Verarbeiten einer Gleichung, in welcher ein Wert einer Turboladerkompressorausgangstemperatur in Abhängigkeit von Parametern vorhergesagt wird, welche die festgestellten momentanen Umgebungsbedingungen und die momentanen Motorbetriebsbedingungen repräsentieren; Vergleichen der vorhergesagten Turboladerkompressorausgangstemperatur mit der ermittelten kritischen Temperatur; und Steuern des Motors zur Verhinderung einer Beschädigung des Ladeluftkühlers, wenn die Turboladerkompressorausgangstemperatur die ermittelte kritische Temperatur überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Bestimmung einer kritischen Temperatur das Zuordnen eines Wertes von einem Speicher oder einer Speichervorrichtung für Daten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Bestimmung momentaner Umgebungsbedingungen die Bestimmung der Umgebungslufttemperatur und des Luftdrucks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Bestimmung momentaner Motorbetriebsbedingungen die Bestimmung der Luftmassenflussrate und der Turboladerkompressordrehzahl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Steuerns des Motors die Verringerung der Temperatur des Ladeluftkühlers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Temperatur des Ladeluftkühlers umfasst, zumindest einen Anteil der Ladeluft um den Ladeluftkühler herum umzuleiten, bevor er einem Saugrohr des Motors zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass der Schritt der Verarbeitung einer Gleichung Befehle zum Verarbeiten der folgenden Gleichung umfasst:
wobei: ATS die Temperatur des Turboladerkompressoreinlasses ist; η_TT der Kompressorwirkungsgrad ist; P_r das Kompressordruckverhältnis ist; γ das Verhältnis der spezifischen Wärmen ist; und CF der TCO-Sensorkorrekturfaktor ist.
Computerlesbares Speichermedium, welches gespeicherte Daten aufweist, die Befehle repräsentieren, die von einem Computer ausführbar sind, um einen Dieselmotor zu steuern, der eine EGR-Schaltung aufweist, einen Ladeluftkühler, und einen Turboladerkompressor, um eine Überhitzung des Ladeluftkühlers zu verhindern, wobei das computerlesbare Speichermedium aufweist: Befehle zur Bestimmung einer kritischen Temperatur, oberhalb welcher eine Beschädigung des Ladeluftkühlers auftreten könnte; Befehle zur Bestimmung momentaner Umgebungsbedingungen; Befehle zur Bestimmung momentaner Motorbetriebsbedingungen; Befehle zur Verarbeitung einer Gleichung, mit welcher ein Wert für die Turboladerkompressorausgangstemperatur vorhergesagt wird, in Abhängigkeit von Parametern, welche die ermittelten momentanen Umgebungsbedingungen und die momentanen Motorbetriebsbedingungen repräsentieren; Befehle zum Vergleichen der vorhergesagten Turboladerkompressorausgangstemperatur mit der ermittelten kritischen Temperatur; und Befehle zum Steuern des Motors, um eine Beschädigung des Ladeluftkühlers zu verhindern, wenn die Turboladerkompressorausgangstemperatur die festgestellte kritische Temperatur überschreitet.
Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehle zur Bestimmung einer kritischen Temperatur Befehle zum Zuordnen eines Wertes von einem Speicher oder einer Speichervorrichtung für Daten umfassen.
Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehle zur Bestimmung momentaner Umgebungsbedingungen Befehle zur Bestimmung der Umgebungslufttemperatur und des Luftdrucks umfassen.
Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehle zur Bestimmung momentaner Motorbetriebsbedingungen Befehle zur Bestimmung der Luftmassenflussrate und der Turboladerkompressordrehzahl umfassen.
Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehle zum Steuern des Motors Befehle zur Verringerung der Temperatur des Ladeluftkühlers umfassen.
Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehle zur Verringerung der Temperatur des Ladeluftkühlers Befehle zum Umleiten zumindest eines Anteils der Ladeluft um den Ladeluftkühler herum umfassen, bevor sie einem Saugrohr des Motors zugeführt wird.
Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehle zur Verarbeitung einer Gleichung Befehle zur Verarbeitung der folgenden Gleichung umfassen:
wobei: ATS die Temperatur des Turboladerkompressoreinlasses ist; η_TT der Kompressorwirkungsgrad ist; P_r das Kompressordruckverhältnis ist; γdas Verhältnis der spezifischen Wärmen ist; und CF der TCO-Sensorkorrekturfaktor ist.
System zum Steuern eines Dieselmotors, der eine EGR-Schaltung aufweist, einen Turboladerkompressor, und einen Ladeluftkühler, um eine Überhitzung des Ladeluftkühlers zu verhindern, wobei das System aufweist: ein computerlesbares Speichermedium, das einen Wert für eine kritische Temperatur speichert, oberhalb dessen eine Beschädigung des Ladeluftkühlers auftreten könnte; Umgebungsbedingungssensoren zur Bestimmung momentaner Umgebungsbedingungen; Motorzustandssensoren zur Bestimmung momentaner Motorbetriebszustände; ein Ladeluftbypassventil zum selektiven Umgehen des Ladeluftkühlers durch zumindest einen Anteil der Ladeluft, bevor sie mit rückgeführtem Abgas vereinigt wird; und einen Prozessor zur Berechnung einer Gleichung, bei welcher ein Wert für die Turboladerkompressorausgangstemperatur als Funktion von Parametern vorhergesagt wird, welche die festgestellte, momentane Umgebungslufttemperatur repräsentieren, den momentanen Luftdruck, die Drehzahl des Turboladerkompressors, und die Luftmassenflussrate, wobei der Prozessor die vorhergesagte Turboladerkompressorausgangstemperatur mit der ermittelten, kritischen Temperatur vergleicht, und das Ladeluftbypassventil auf einen Prozessorbefehl reagiert, zumindest einen Anteil der Ladeluft um den Ladeluftkühler herumzuführen, wenn die vorhergesagte Turboladerkompressorausgangstemperatur die ermittelte, kritische Temperatur überschreitet.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungszustandssensoren aufweisen: einen Temperatursensor zur Bestimmung der momentanen Umgebungslufttemperatur; und einen Drucksensor zur Bestimmung des momentanen Luftdrucks.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorzustandssensoren umfassen: einen Turbodrehzahlsensor zur Bestimmung der Drehzahl des Turboladerkompressors; und einen Luftmassenflussratensensor zur Bestimmung der Luftmassenflussrate durch den Turboladerkompressor.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Prozessor berechnete Gleichung umfasst:
wobei: ATS die Temperatur des Turboladerkompressoreinlasses ist; η_TT der Kompressorwirkungsgrad ist; P_r das Kompressordruckverhältnis ist; γ das Verhältnis der spezifischen Wärmen ist; und CF der TCO-Sensorkorrekturfaktor ist.