DE102005061643A1 - Verfahren zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor - Google Patents

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Kevin Dean Saline Sisken
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Abstract

Ein System zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor umfasst einen Verdichter mit einem Einlass, an dem Luft empfangen wird. Der Verdichter gibt Luft zu einem Einlass des Motors aus. Ein Rezirkulationspfad ist zwischen dem Verdichterauslass und dem Verdichtereinlass vorgesehen. Ein steuerbares Ventil ist entlang des Rezirkulationspfads angeordnet. Eine Steuereinrichtung ist für die Steuerung des Ventils programmiert, um den Luftfluss zu dem Motoreinlass zu variieren und dadurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu steuern. Es sind verschiedene Anwendungen für die Rezirkulation am Verdichter möglich.

Description

  • Die vorliegende Erfindung wurde mithilfe einer Unterstützung durch die Regierung unter dem Vertrag Nr. DE-FC02-99EE50575 gemacht. Die Regierung kann bestimmte Rechte an der Erfindung haben.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor.
  • Nachbehandlungsvorrichtungen wie etwa Mager-NOx-Fallen (Lean NOx Traps bzw. LNTs) werden verwendet, um NOx-Emissionen von Dieselmotoren zu absorbieren und zukünftige Emissionsstandards zu erfüllen. LNTs können sehr effektiv beim Auffangen von NOx sein, müssen aber regelmäßig durch einen Regenerationsprozess gereinigt werden. Eine fette Umgebung (nahe einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14) ist erforderlich, um die Falle zu regenerieren. Durch das Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer und/oder das Einspritzen von Kraftstoff in den Abgasstrom kann das Abgasluft/Kraftstoff-Verhältnis effektiv reduziert werden, wobei jedoch in beiden Fällen zeitliche Beschränkungen dazu gegeben sind, wie viel Kraftstoff eingespritzt werden kann. Wenn nach dem Hauptverbrennungsereignis (späte Nacheinspritzung) zu viel Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, kann dies zu einem Wandfilm und einem Motorschaden führen oder bei einem zu frühen Einspritzen die Motordrehmomentkurve beeinträchtigen. Für das Einspritzen von großen Mengen von Kraftstoff in den Abgasstrom können große und voluminöse Einspritzvorrichtungen erforderlich sein.
  • Aus den oben genannten Gründen besteht ein Bedarf für ein verbessertes Verfahren zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor.
    •
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor anzugeben.
  • Die Erfindung reduziert das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu einem mittleren Wert, indem es eines Luftflusskontrolle während des LNT-Regenerationsprozesses durchführt. Insbesondere wird bei einem super- oder turboaufgeladenen Motor mit einem Verdichter am Einlass durch das Rezirkulieren von etwas Luft von dem Verdichterauslass zurück zu dem Verdichtereinlass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors reduziert. Auf diese Weise werden viele der Anforderungen auf der Kraftstoffeinspritzseite abgemildert, die gewöhnlich mit der LNT-Regeneration assoziiert sind. Eine weitere Reduktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses kann über eine Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungskammer und/oder eine Kraftstoffeinspritzung in den Abgasstrom erzielt werden.
  • Weiterhin kann gemäß der Erfindung dasselbe Verfahren zum Rezirkulieren eines Teils der Luft von dem Verdichterauslass zu dem Verdichtereinlass für eine Reduktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Motors auch verwendet werden, um die Abgastemperatur des Motors zu erhöhen und dadurch die Regeneration eines Dieselpartikelfilters (DPF) zu unterstützen. Wenn das DPF zum Beispiel mit Abgaspartikeln gefüllt ist und eine Regeneration erforderlich ist, kann diese Verdichterrezirkulation verwendet werden, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Die Menge der rezirkulierten Luft wird in Abhängigkeit von der erforderlichen Abgastemperaturerhöhung gewählt.
  • Entsprechend kann dieser Ansatz auch verwendet werden, um die Abgastemperatur für ein schnelleres Anspringen des Katalysators oder zum Verschieben der Abgastemperatur zu einem Bereich, in dem die Effizienz des Katalysators größer ist, verwendet werden.
  • Weiterhin kann dieser Ansatz verwendet werden, um den Betrieb des Turboladers zu optimieren, indem der Betrieb des Verdichters entweder von der Pumpgrenze entfernt wird (Sicherheitsfunktion) oder zu einer höheren Effizienz gebracht wird (Leistungsfunktion).
  • 1 zeigt eine modulierte Verdichterrezirkulation zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt ein Verfahren der Erfindung gemäß der bevorzugten Ausführungsform.
    •
  • Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Motor 10 eine Vielzahl von Zylindern, die durch Kraftstoffeinspritzventile versorgt werden. Der Motoreinlass ist durch das Bezugszeichen 14 angegeben, während der Motorauslass durch das Bezugszeichen 16 angegeben ist. In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der Motor mit einem Abgasrezirkulationssystem (EGR-System) ausgestattet. Das EGR-System rezirkuliert einen Teil der Abgase zurück zu dem Motoreinlass 14, um übermäßig hohe Verbrennungstemperaturen zu vermeiden, die ansonsten eine Erzeugung von NOx zur Folge haben. Die EGR-Kühlung 18 kühlt das rezirkulierte Abgas, bevor dieses am Motoreinlass 14 wieder eingeführt wird.
  • Wie gezeigt ist der Motor mit einem Turboladersystem 20 ausgestattet. Das System 20 umfasst eine Turbine 22, die durch Abgase betrieben wird. Die Turbine 22 treibt den Verdichter 24 an. Der Ladeluftkühler (CAC) 26 kühlt die Ladeluft aus dem Verdichter 24, bevor diese am Motoreinlass 14 eingeführt wird.
  • Gemäß der Erfindung wird die Luftflusskontrolle des Motors verwendet, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Motor zu reduzieren. Insbesondere ist ein Rezirkulationspfad 30 von dem Verdichterauslass zu dem Verdichtereinlass vorgesehen, wobei ein steuerbares Ventil 32 entlang dieses Rezirkulationspfads 30 angeordnet ist. Eine Steuereinrichtung 33 ist für eine Modulation des steuerbaren Ventils 32 programmiert, um den Luftfluss zu dem Motoreinlass 14 und dadurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu variieren.
  • Insbesondere kann ein modulierter Verdichterrezirkulationsfluss zum Beispiel das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 25 auf 17 reduzieren (es wurden hier beliebige Zahlenwerte als Beispiel gewählt), wobei dann Kraftstoffeinspritz-Strategien verwendet werden können, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 17 auf 14 zu reduzieren, wo die Regeneration effektiv wird. In 1 ist die Mager-NOx-Falle (LNT) durch das Bezugszeichen 36 angegeben. Der erfinderische Ansatz sieht das Rezirkulieren eines gewissen Luftflusses (Ladeluft) von dem Verdichterauslass zu dem Verdichtereinlass vor. Die in jedem Zylinder des Motors 10 verfügbare Luftmenge wird dadurch reduziert, was eine fettere Kraftstoffverbrennung in dem Motor zur Folge hat. Die an der LNT 36 ankommenden Abgase sind fett an Kraftstoff und unterstützen den Regenerationsprozess. Nach Beendigung der LNT-Regeneration wird die Verdichterrezirkulation deaktiviert, wodurch der Motor zurück zu den mageren Betriebsbedingungen gebracht wird, bei denen er am effizientesten läuft.
  • Die Erfindung kann auf super- und turboaufgeladene Motoren angewendet werden. In der bevorzugten Ausführungsform von 1 wird der Rezirkulationspfad 30 durch ein externes Rohr gebildet, das zwischen dem Verdichterauslass und dem Verdichtereinlass des Turboladersystems 20 eingeführt wird. Dieses Rohr dient dazu, verdichtete Luft aus dem Verdichterauslass zurück zu dem Verdichtereinlass zu rezirkulieren. Das Rohr (die Rezirkulationsleitung) kann auch direkt in das Gehäuse des Verdichters integriert sein. Die Luft strömt selbsttätig von dem Verdichterauslass (Hochdruckseite) zu dem Verdichtereinlass (Niederdruckseite).
  • Das Modulatorventil 32 kann den Luftfluss modulieren und ist in dem Rohr installiert, um eine Verdichter-Abzweigleitung zu bilden. Die Menge der durch die Bypassleitung gehenden Luft wird durch die Größe des Rohrs und die Ventilposition (vollständig geöffnet oder moduliert) bestimmt. Das Ventil wird elektronisch durch eine Steuereinrichtung 33 moduliert, um ein variables und steuerbares Luft/Kraftstoff-Verhältnis vorzusehen. Es ist zu beachten, dass die Steuereinrichtung 33 eine beliebige geeignete Steuereinrichtung sein kann, was dem Fachmann auf dem Gebiet von Motorsteuersystemen deutlich sein sollte. Das heißt, die Steuereinrichtung 33 kann eine Motorsteuereinrichtung oder eine andere Steuereinrichtung sein, die ein oder mehrere Subsysteme des Motors steuert.
  • Wenn eine Regeneration an dem LNT 36 erforderlich ist (was möglicherweise anhand der NOx-Wandlungsrate des LNT bestimmt wird), wird das Bypassventil 32 geöffnet, sodass Hochdruckluft (Ladeluft) durch das Bypassrohr zirkuliert und zu dem Verdichtereinlass zurückgeführt wird, um die in den Motoreinlass 14 und die Motorzylinder eintretende Luftmenge zu reduzieren, wodurch eine fette Verbrennung in den Zylindern vorgesehen wird. Die zu den Nachbehandlungsvorrichtungen (d.h. zu der LNT 36 in 1) geführten Abgase sind fett an Kraftstoff und enthalten eine hohe thermische Masse. Derartige Bedingungen fördern eine LNT-Regeneration.
  • Die Menge des um den Verdichter 24 abgezweigten Luftflusses kann auf der Basis eines angestrebten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses moduliert werden. Sobald die Regeneration abgeschlossen ist, wird das Bypassventil 32 geschlossen und der Motor kehrt zu den normalen mageren Betriebsbedingungen zurück. Anpassungen an den Mengen und Zeiten der Kraftstoffzufuhr des Motors können während der Regenerationsphase vorgenommen werden, um das Drehmoment auf derselben Höhe wie unter normalen mageren Betriebsbedingungen zu halten, sodass die Kraftstoffökonomie minimal beeinträchtigt wird. Während der Rezirkulation fallen das Verdichterdruckverhältnis und die Geschwindigkeit ab, wobei sich der Luftmassendurchsatz des Verdichters erhöht. Diese Eigenschaften haben sichere Betriebsbedingungen für den Verdichter zur Folge, weil sich der Betriebspunkt von der Pumpgrenze des Verdichters entfernt.
  • Um ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14 zu erhalten (in dem Beispiel), werden auch Kraftstoffeinspritz-Strategien verwendet. Der Betrieb und die Strategie der Kraftstoffeinspritzung können in Abhängigkeit von der Implementierung variieren, was dem Fachmann auf dem Gebiet von Motorsteuersystemen deutlich sein sollte.
  • Wie weiterhin in 1 gezeigt, besteht die primäre Anwendung der modulierten Verdichterrezirkulation darin, das angestrebte Luft/Kraftstoff-Verhältnis für die LNT-Regeneration vorzusehen. Der Betrieb des Ventils 32 kann elektronisch durch die Steuereinrichtung 33 auf der Basis der Anforderungen der LNT-Regeneration und der Motorbetriebsbedingungen zu diesem Zeitpunkt gesteuert werden. Die Abzweigmodulation und Strategien für die Mengen und Zeiten der Kraftstoffzufuhr des Motors können alle optimiert werden, um das erforderliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis und die Abgastemperatur für die LNT-Regeneration vorzusehen, wobei das Motordrehmoment für eine gute Fahrbarkeit und eine minimale Beeinträchtigung der Kraftstoffökonomie aufrechterhalten werden kann.
  • Eine weitere Anwendung der Erfindung ist eine vorübergehende Erhöhung des Motorabgastemperaturen zur Unterstützung der Regeneration eines Dieselpartikelfilters. In 1 ein Dieselpartikelfilter durch das Bezugszeichen 34 angegeben.
  • Eine weitere Anwendung der Erfindung ist eine Erhöhung der Abgastemperatur, um ein schnelleres Anspringen des Katalysators vorzusehen oder die Abgastemperatur zu einem Wert zu erhöhen, bei dem die Effizienz des Katalysators größer ist, was eine Reduktion der Emissionen zur Folge hat. In 1 ist ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) durch das Bezugszeichen 38 angegeben.
  • Eine weitere Anwendung der Erfindung ist eine Optimierung des Turboladerbetriebs, wobei der Betrieb des Verdichters entweder von der Pumpgrenze entfernt wird (Sicherheitsfunktion) oder zu einer höheren Effizienz gebracht wird (Leistungsfunktion).
  • 2 zeigt ein Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Gemäß dem Verfahren zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem Motor wird ein Rezirkulationspfad vorgesehen, der sich von dem Verdichterauslass zu dem Verdichtereinlass erstreckt (Block 50). Ein steuerbares Ventil wird an einer Position entlang des Rezirkulationspfads vorgesehen (Block 52). Gemäß dem Verfahren wird das Ventil gesteuert, um den Luftfluss zu dem Motoreinlass zu variieren und dadurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu steuern (Block 54). Das Verfahren kann für verschiedene Anwendungen verwendet werden.
  • Es wurden Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die Beschreibung ist beispielhaft und nicht einschränkend, wobei verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.

Claims (16)

  1. System zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor, wobei das System umfasst: einen Motor (10), der eine Vielzahl von Zylindern, die durch Kraftstoffeinspritzventile versorgt werden, einen Einlass (14) und einen Auslass (16) umfasst, einen Verdichter (24) mit einem Luft empfangenden Einlass, wobei der Verdichter (24) Luft zu dem Motoreinlass (14) ausgibt, einen Rezirkulationspfad von dem Verdichterauslass zu dem Verdichtereinlass, ein steuerbares Ventil (32) entlang des Rezirkulationspfads, und eine Steuereinrichtung (33), die zum Steuern des Ventils (32) programmiert ist, um den Luftfluss zu dem Motoreinlass (14) zu variieren und dadurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu steuern.
  2. System nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch: eine Turbine (22), die durch das Motorabgas betrieben wird, wobei die Turbine (22) den Verdichter (24) antreibt.
  3. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (32) gesteuert wird, um den Betrieb der Turbine (22) und des Verdichters (24) zu optimieren, indem der Betrieb des Verdichters (24) von einer Pumpbedingung entfernt wird oder indem der Betrieb des Verdichters (24) zu einer Bedingung höherer Effizienz gebracht wird, jeweils in Abhängigkeit von den aktuellen Motorbetriebsbedingungen.
  4. System nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: eine Mager-NOx-Falle (36), die das Motorabgas empfängt, wobei die Mager-NOx-Falle (36) eine fette Kraftstoffmischung für die Regeneration erfordert, und wobei die Steuereinrichtung (33) für die periodische Regeneration der Mager-NOx-Falle (36) programmiert ist, indem das Ventil (32) zum Reduzieren des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gesteuert wird.
  5. System nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: ein Dieselpartikelfilter (34), der das Motorabgas empfängt, wobei das Dieselpartikelfilter (34) eine hohe Temperatur für die Regeneration erfordert, und wobei die Steuereinrichtung (33) für die periodische Regeneration des Dieselpartikelfilters (34) programmiert ist, indem das Ventil (32) zum Reduzieren des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gesteuert wird, wodurch die Abgastemperatur erhöht wird.
  6. System nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: einen Dieseloxidationskatalysator (38), der das Motorabgas empfängt, und wobei die Steuereinrichtung (33) programmiert ist, um das Ventil (32) zum Reduzieren des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu steuern, wodurch die Abgastemperatur erhöht wird und der Dieseloxidationskatalysator (38) unterstützt wird.
  7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (32) gesteuert wird, um die Abgastemperatur für ein schnelleres Anspringen des Katalysators (38) zu erhöhen.
  8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (32) gesteuert wird, um die Abgastemperatur zu einem Bereich zu erhöhen, in dem die Effizienz des Katalysators (38) größer ist.
  9. Verfahren zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor, wobei der Motor eine Vielzahl von Zylindern, die durch Kraftstoffeinspritzventile versorgt werden, einen Einlass und einen Auslass umfasst, wobei ein Verdichter einen Einlass zum Empfangen von Luft aufweist und wobei der Verdichter Luft zu dem Motoreinlass ausgibt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Vorsehen eines Rezirkulationspfads, der sich von dem Verdichterauslass zu dem Verdichtereinlass erstreckt, wobei ein steuerbares Ventil entlang der Rezirkulationspfads angeordnet ist, und Steuern des Ventils, um den Luftfluss zu dem Motoreinlass zu variieren und dadurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu steuern.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch das Motorabgas angetriebene Turbine den Verdichter betreibt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Steuern des Ventils, um den Betrieb der Turbine und des Verdichters zu optimieren, indem der Betrieb des Verdichters von einer Pumpbedingung entfernt wird oder indem der Betrieb des Verdichters zu einer Bedingung höherer Effizienz gebracht wird, jeweils in Abhängigkeit von den aktuellen Motorbetriebsbedingungen.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mager-NOx-Falle das Motorabgas empfängt, wobei die Mager-NOx-Falle eine fette Kraftstoffmischung für die Regeneration erfordert, wobei das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt umfasst: periodisches Regenerieren der Mager-NOx-Falle, indem das Ventil zum Reduzieren des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gesteuert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dieselpartikelfilter das Abgas empfängt, wobei das Dieselpartikelfilter eine hohe Temperatur für die Regeneration erfordert, wobei das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt umfasst: periodisches Regenerieren des Dieselpartikelfilters, indem das Ventil gesteuert wird, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu reduzieren, wodurch die Abgastemperatur erhöht wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dieseloxidationskatalysator die Motorabgase empfängt, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritt umfasst: Steuern des Ventils, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu reduzieren, wodurch die Abgastemperatur erhöht wird und der Dieseloxidationskatalysator unterstützt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil gesteuert wird, um die Abgastemperatur zu erhöhen, damit der Katalysator schneller anspringt.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil gesteuert wird, um die Abgastemperatur zu einem Bereich zu erhöhen, in dem die Effizienz des Katalysators größer ist.
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