DE102014017456A1

DE102014017456A1 - System und verfahren zur steuerung der abgastemperatur

Info

Publication number: DE102014017456A1
Application number: DE102014017456.5A
Authority: DE
Inventors: Spencer L. Huhn; Joshua C. Davis; Drew E. Heisel
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2015-05-28
Also published as: US20150143802A1

Abstract

Ein Motorsystem mit interner Verbrennung wird vorgesehen. Das System weist einen Motor auf, der eine Verbrennungskammer definiert. Ferner ein Reinemissionsmodul und eine Luftversorgungseinheit. Das Reinemissionmodul ist strömungsmittelmäßig verbunden mit einer Abgasleitung von der Verbrennungskammer. Die Luftversorgungseinheit ist konfiguriert, um Luft in die Verbrennungskammer zu liefern und weist einen Kompressor und eine Strömungssteuervorrichtung auf, und zwar vorgesehen zwischen dem Kompressor und der Verbrennungskammer. Der Kompressor ist konfiguriert zur Aufnahme von Luft von einem Lufteinlass über einen ersten Durchlass und zur Lieferung der komprimierten Luft in die Verbrennungskammer über einen zweiten Durchlass. Die Strömungssteuervorrichtung ist konfiguriert, um selektiv die Lieferung an komprimierter Luft in die Verbrennungskammer selektiv derart zu reduzieren, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer aufrechterhalten ist, zwischen 15:1 bis 18:1 bei 20–90 Prozent Motorlast während einer Regenerationsperiode für das Reinemissionmodul.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Motor und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung der Abgastemperatur des Motors.
Hintergrund
Turbolader für Diesel und Benzinmotoren sind wohl bekannt. Turbolader geben jedoch Verunreinigungen wie teilchenförmige Dieselstoffe (DPM = Diesel Particulate Matter) oder Soot ab und ferner Stickstoffoxyde (NOx). Um daher diese Emissionen zu regulieren werden im Allgemeinen Dieselteilchenfiltrationsvorrichtungen (DPF = particulate filtration devices) und Dieseloxydationskatalysator (DOC = Diesel Oxidation Catalysts) verwendet.
Die DPF's filtern das teilchenförmige Material aus den Abgasen, um zu verhindern, dass sie in die Atmosphäre eintreten. Da jedoch nach einer Zeitperiode und/oder beim Betrieb fangen die gesammelten teilchenförmigen Materialien an, den Filter zu verstopfen. Daher muss der Filter entweder ersetzt oder zum Zwecke der Reinigung entfernt werden. Jedoch ein Entfernen oder Ersetzen des Filters nicht jedes Mal möglich ist, wird ein Verfahren verwendet, welches als Regenerationsverfahren bekannt ist. Das DPM besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff und ist daher brennbar, so dass ein Regenerationsverfahren verwendet wird, wo die Temperaturen der Abgase hoch genug sind, um das DPM innerhalb des Filters zu verbrennen.
Im US Patent Nr. 8,099,953 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen von einer Abgasströmung in einem Verbrennungsmotor mit interner Verbrennung verwendet, und zwar einem Motor eines Lastwagens oder eines Fahrzeugs, wobei eine Leitung mit einer Luftquelle, beispielsweise einem turbogetriebenen Kompressor verbunden ist, um Luft an das Abgassystem oder den Auspuff zu leiten. Die Leitung wird durch ein Ventil gesteuert, welches durch eine Steuervorrichtung geöffnet und geschlossen wird, und zwar ansprechend auf eine gemessene Abgastemperatur oberhalb einer Schwelle und eine Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb einer Schwelle. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft für Motorabgassysteme, die Behandlungsvorrichtungen besitzen, welche eine hohe Temperaturregeneration erforderlich machen.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Motorsystem mit interner Verbrennung vorgesehen. Das System weist einen Motor auf, der eine Verbrennungskammer definiert, ein sauberes Emissionsmodul und eine Luftversorgungseinheit. Das saubere Emissionsmodul ist strömungsmäßig verbunden mit einer Abgasleitung von der Verbrennungskammer. Die Luftversorgungseinheit ist konfiguriert zur Lieferung von Luft in die Verbrennungskammer und weist einen Kompressor und eine Strömungssteuervorrichtung auf, die vorgesehen ist zwischen dem Kompressor und der Verbrennungskammer. Der Kompressor ist konfiguriert zur Aufnahme von Luft von einem Lufteinlass über einen ersten Kanal und liefert die komprimierte Luft in die Verbrennungskammer über einen zweiten Kanal. Die Strömungssteuervorrichtung ist konfiguriert zur selektiven Reduktion der Versorgung mit komprimierter Luft in die Verbrennungskammer derart, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer aufrecht erhalten wird, welches im Bereich von 15:1 und 18:1 liegt bei 20–90 Prozent Motorbelastung während einer Regenerationsperiode für das Sauberemissionsmodul.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren vorgesehen und zwar zur Modulation der Luftversorgung zu einer Verbrennungskammer eines internen Verbrennungsmotors, um ein Reinemissionsmodul bei einer Motorbelastung von 20–90 Prozent vorzusehen. Das Verfahren umfasst das Vorsehen einer Luftströmung von einem Lufteinlass zu einem Kompressor über einen ersten Kanal oder Durchlass. Ferner umfasst das Verfahren das Vorsehen einer Strömung von komprimierter Luft von dem Kompressor zu der Verbrennungskammer des Motors über einen zweiten Durchlass oder Kanal. Ferner weist das Verfahren das Einstellen einer Strömungssteuervorrichtung auf, die vorgesehen ist zwischen dem Kompressor und der Verbrennungskammer, um selektiv eine Menge an komprimierter Luft vorgesehen für die Verbrennungskammer derart zu reduzieren, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer in einem Bereich von ungefähr 15:1 und 18:1 liegt, und zwar während einer Regenerationsperiode.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Motorsystem mit interner Verbrennung vorgesehen. Das System weist einen Motor auf, der eine Verbrennungskammer definiert, ferner ein Reinemissionsmodul und eine Luftversorgungseinheit. Das Reinemissionsmodul ist strömungsmittelmäßig verbunden mit einer Abgasleitung von der Verbrennungskammer. Die Luftversorgungseinheit ist konfiguriert zur Lieferung von Luft in die Verbrennungskammer und weist einen Kompressor auf, ferner eine Strömungssteuervorrichtung vorgesehen zwischen dem Kompressor und der Verbrennungskammer und ferner ist noch eine Steuervorrichtung vorgesehen. Der Kompressor ist konfiguriert, um Luft von einem Lufteinlass aufzunehmen, und zwar über einen ersten Kanal und zum Liefern der komprimierten Luft in die Verbrennungskammer über einen zweiten Kanal. Die Strömungssteuervorrichtung ist konfiguriert zum selektiven Reduzieren der Versorgung an komprimierter Luft in die Verbrennungskammer. Die Steuervorrichtung ist betriebsmäßig mit der Strömungssteuervorrichtung gekoppelt oder gekuppelt und konfiguriert zur Steuerung der Strömungssteuervorrichtung basierend auf einem vorbestimmten Motorparameter, derart, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer aufrecht erhalten wird, und zwar in einem Bereich von ungefähr 15:1 bis 18:1 bei 20–90 Prozent Motorbelastung während einer Regenerationsperiode des Reinemissionsmoduls.
Weitere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Motorsystems mit einer Strömungssteuervorrichtung positioniert gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
2 veranschaulicht eine schematische Ansicht des Motorsystems mit der Strömungssteuervorrichtung positioniert gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
3 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Motorsystems mit der Strömungssteuervorrichtung positioniert gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und
4 veranschaulicht ein Strömungsdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung der Abgastemperatur.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung der Abgastemperatur in einem Verbrennungsmotor mit interner Verbrennung. Die vorliegende Offenbarung wird nunmehr im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. 1 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Motorsystems 100 einer (nicht gezeigten) Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Verschiedene Ausführungsbeispiele, die hier beschrieben werden, werden für einen Dieselmotor erläutert. Es wird jedoch ins Auge gefasst, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele mit irgendeiner anderen Bauart von funkengezündetem Motor verwendet werden können, wie beispielsweise einem Benzinmotor, einem Erdgasmotor, einem Hybridkraftstoffmotor oder einem Motor, der gasförmige Kraftstoffe verwendet wie Propan oder Methan. Das Motorsystem 100 weist einen Motor 102 auf mit einem oder mehreren Zylindern 104, die aus Metalllegierungen hergestellt sind, wie beispielsweise Stahl, auf Aluminium basierende Legierungen usw. Jeder der Zylinder 104 kann eine Verbrennungskammer 106 definieren und weist einen Kolben (nicht gezeigt) auf, der hin- und herbeweglich in der Kammer angeordnet ist. Ferner kann der Motor 102 Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 108 aufweisen, um Kraftstoff in die entsprechenden Verbrennungskammern 106 zu liefern. Dies ist für einen Durchschnittsfachmann klar, dass die Anzahl der Verbrennungskammern gezeigt in 1 lediglich beispielhaft ist und dass die Anzahl verändert werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Das Motorsystem 100 kann eine Luftversorgungseinheit 110 aufweisen, um Luft in die Verbrennungskammer 106 zu liefern. Die Luftversorgungseinheit 110 weist einen Turbolader 112 auf, um komprimierte Luft zur Verbrennungskammer 106 zu liefern. Obwohl nur ein Turbolader 112 in 1 gezeigt ist, kann ins Auge gefasst werden, mehr als einen Turbolader vorzusehen, und zwar angeordnet parallel oder in Reihe. Der Turbolader 112 weist einen Kompressor 114 auf, der konfiguriert ist zur Aufnahme von Umgebungsluft von einem Lufteinlass 115 über einen ersten Kanal und zur Lieferung der komprimierten Luft an die Verbrennungskammer 106 über einen zweiten Durchlass 118. In einem Ausführungsbeispiel kann der erste Kanal 116 und der zweite Kanal 118 in der Form von Einlasssammelleitungen (intake manifolds) ausgebildet sein. Der zweite Durchlass 118 kann konfiguriert sein, um Fluid in die Strömungskammer 106 zu liefern. Das Fluid oder das Strömungsmittel kann Luft, eine Mischung von Luft- und Motorabgasen usw. sein. Der Kompressor 114 kann ein eine feste Geometrie besitzender Kompressor sein, ein eine variable Geometrie besitzender Kompressor oder irgend eine andere Bauart eines Kompressors wie sie in der Technik bekannt. ist.
Ferner wird die komprimierte Luft von dem Kompressor 114 an die Verbrennungskammer 106 geliefert, und zwar über einen Wärmetauscher 120. Der Wärmetauscher 120 kann konfiguriert sein, um Wärme aus der komprimierten Luft vorgesehen durch den Kompressor 114 abzuziehen, um die Temperatur der komprimierten Luft in dem zweiten Durchlass 118 abzusenken und die Luftdichte der Luft zu erhöhen, die in die Verbrennungskammer 106 geliefert wird. Der Wärmetauscher 120 ist strömungsmittelmäßig verbunden mit der Verbrennungskammer 106, und zwar über einen dritten Kanal oder Durchlass 122. Der Fachmann erkennt, dass der dritte Kanal 122 auch in der Form einer Einlasssammelleitung ausgebildet sein kann. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Wärmetauscher 120 eine Luft-zu-Luft-Nachkühler (after cooler) sein, und zwar strömungsmittelmäßig verbunden mit dem Kompressor 114. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Wärmetauscher 120 auch ein flüssiges Kühlmittel verwenden wie beispielsweise Wasser oder andere in dem Stand der Technik bekannte Kühltechniken.
Das Motorsystem 100 umfasst ein Abgassystem 124 konfiguriert zum Empfang oder zur Aufnahme des Abgases von dem Motor 102 über eine Abgasleitung 126. Das Abgassystem 124 weist ferner eine Turbine 128 des Turboladers 112 auf, und zwar konfiguriert zur Aufnahme von Abgas von der Verbrennungskammer 106 über die Abgasleitung 126. Beispielsweise kann die Abgasleitung 126 in der Form von Abgassammelleitungen ausgebildet sein. Die Turbine kann von der Bauart mit fester Geometrie sein, von der Bauart mit variabler Geometrie oder irgend einer anderer im Stand der Technik bekannten Turbine. Die Turbine 128 ist antriebsmäßig mit dem Kompressor 114 durch eine Turbocharger- oder Turboladerwelle 129 verbunden und konfiguriert, um den Kompressor 114 anzutreiben, um die Umgebungsluft zu komprimieren.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Abgassystem 124 ein Reinemissionsmodul 130 aufweisen, und zwar strömungsmittelmäßig verbunden mit der Abgasleitung 126 von der Verbrennungskammer 106. Das Reinemissionsmodul 130 ist konfiguriert, um eine Menge an Dieselteilchenmaterial (DPM) und andere gasförmige Bestandsteile im Abgas von der Verbrennungskammer 106 zu reduzieren. Beispielsweise kann das Reinemissionsmodul 130 eine Dieselteilchenfiltrations(DPF)-Vorrichtung 132 und einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 134 aufweisen, und zwar konfiguriert zur Reduktion des Teilchengehaltes in dem Abgas in der Abgasleitung 126.
Ferner hat überschüssiger Sauerstoffvorhanden in der Luft-Kraftstoffmischung die Folge der Erzeugung von Stickstoffoxyden (NOx) die eine Verunreinigung darstellen. Das Reinemissionsmodul 130 des Abgassystems 124 kann ferner ein selektives katalytisches Reduktions(SCR)-System 136 aufweisen, und zwar konfiguriert zur Reduktion der NOx-Emissionen in der Abgasleitung 126. Im Allgemeinen verwendet das SCR-System 136 katalytische Lösungen, um das NOx in elementaren Stickstoff N₂ und Wasser H₂O umzuwandeln. Beispiele solcher katalytischen Lösungen verwendet in dem SCR-System 136 umfassen Diesel-Abgas-Strömungsmittel (DEF). SCR-Systeme sind empfindlich gegenüber chemischen Verunreinigungen, weshalb die DF-Lösung entmineralisiertes Wasser verwendet, was die DEF klar, nicht toxisch und sicher zur Verwendung macht. Bei verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen können die Diesel-Abgas-Strömungsmittel (DEF) Harnstoff oder wässriges Ammoniak (Ammonia) umfassen. Nach einer zweiten Periode jedoch können sich die Dieselabgasströmungsmittel (DEF) und/oder DPM innerhalb des Reinemissionsmoduls 130 ansammeln, wie beispielsweise in dem SCR-System 136 und/oder dem DPF 132.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung weist die Luftversorgungseinheit 110 des Motorsystems 100 eine Strömungssteuervorrichtung 138 auf, und zwar vorgesehen zwischen dem zweiten Durchlass oder Kanal 118 und dem ersten Durchlass oder Kanal 116. Die Strömungssteuervorrichtung 138 steht in Strömungsmittelverbindung mit dem zweiten Kanal 118, um selektiv die komprimierte Luft in den zweiten Durchlass 118 durch einen Zwischendurchlass 117 und zurück in den ersten Durchlass 116 abzuleiten. Daher reduziert die Strömungssteuervorrichtung 138 selektiv die Versorgung oder Lieferung von komprimierter Luft in die Verbrennungskammer 106. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann die Strömungssteuervorrichtung 138 ein EIN/AUS-Ventil sein oder ein Ventil mit variabler Position sein, das in der Lage ist zur Modulation in irgendeiner Anzahl von Positionen zwischen der EIN-Position und der AUS-Position.
Es kann ins Auge gefasst werden, dass während des Regenerationsprozesses eine Temperatur des Abgases, die im Folgenden austauschbar als die Abgastemperatur bezeichnet wird, aus dem Motor 102 über die Abgasleitung 126 austritt, derart erhöht ist, dass das DEF und das DPM in dem Reinemissionsmodul 130, das SCR-System 136 und der DPF-Filter 132 verbrannt werden zur Reinigung des Reinemissionsmoduls 130. Die Temperatur der aus dem Motor 102 austretenden Abgase kann mindestens und/oder teilweise von dem Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis der Mischung, verbrannt in der Verbrennungskammer 106 abhängen. Daher kann die Strömungssteuervorrichtung 138 die Luftmenge vorgesehen in der Verbrennungskammer 106 reduzieren. Was ein reduziertes Verhältnis von Luft bezüglich Kraftstoff in der Luft-Kraftstoff-Mischung zur Folge hat, die vorgesehen ist in der Verbrennungskammer was die Temperatur des Abgases erhöhen kann. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird für eine Last von ungefähr 20–90 Prozent am Motor 102 während der Regenerationsperiode für das Reinemissionsmodul 130 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskammer 106 in einem Bereich von ungefähr 15:1 bis 18:1 gehalten. Dies bedeutet, dass für jede 15 bzw. 18 Einheiten von Luft nur jeweils 1 Einheit von Kraftstoff in der Luft-Kraftstoff-Mischung verwendet wird. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis demgemäß für eine Last von bis zu 100 Prozent am Motor während der Regenerationsperiode aufrecht erhalten werden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird eine Steuervorrichtung 140 vorgesehen, um den Betrieb der Strömungssteuervorrichtung 138 zu steuern, und zwar basierend auf einem erwünschten oder Soll-Motor-Parameter und/oder dann, wenn Regeneration erforderlich ist. Ein Fachmann erkennt, dass die Steuervorrichtung 140 ein Maschinen-Motor-Steuermodul (ECN = engine control module) sein kann. Die Luftströmung von dem zweiten Durchlass 118 zum ersten Durchlass 116 kann reguliert werden, und zwar durch Verwendung einer Strömungssteuervorrichtung 138, um so die Ableitung zu denjenigen Situationen zu begrenzen, wenn es erwünscht ist, die Temperatur der Abgase zu erhöhen. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Steuerung 140 mit den Drucksensoren assoziiert mit dem Reinemissionsmodul 130 und/oder dem DPF-Filter 132 in Verbindung stehen oder kommunizieren, um eine Druckänderung an dem Reinemissionsmodul 130 zu überwachen und zu bestimmen, wann Regeneration erforderlich ist.
In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Motorparameter eine Soll-Temperatur des Abgases sein, basierend worauf die Steuervorrichtung 140 selektiv die Operationen der Strömungssteuervorrichtung 138 steuern kann, und zwar in entsprechender Weise die Luftmenge geliefert an die Verbrennungskammer zu steuern. Anders ausgedrückt kann die Steuervorrichtung 140 die Operationen der Strömungssteuervorrichtungen 138 steuern, um die Abgastemperatur in der Abgasleitung 126 zu steuern. Ferner, durch Ableiten der komprimierten Luft in den zweiten Durchlass 118 zurück in den ersten Durchlass 116 kann eine Temperatur der Einlassluft vorgesehen für den Kompressor 114 auch erhöht werden, was ferner in einer erhöhten Abgastemperatur resultieren kann.
In einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Steuerung 140 mit einer Abfühl- oder Sensoranordnung 142 in Verbindung stehen, die mit dem Reinemissionsmodul 130 des Abgassystems 124 assoziiert ist, um die Abgastemperatur zu bestimmen. Beispielsweise kann die Sensoranordnung 142 Temperatursensoren (nicht gezeigt) umfassen, und zwar assoziiert mit jedem der DPF-Filter 132, dem DOC 134, dem SCR-System 136. Die Sensoranordnung 142 kann konfiguriert sein, um die Temperatur des Abgases in der Abgasleitung 126 und/oder dem Reinemissionsmodul 130 zu überwachen, um Ausgangssignale, die eine Anzeige für die überwachte Temperatur bilden zur Steuervorrichtung 140 zu liefern.
Basierend auf der Temperatur der Abgase in der Abgasleitung 126 empfangen von der Sensoranordnung 142 kann die Steuervorrichtung bzw. Steuerung 140 die Menge an komprimierter Luft bestimmen, die für die Verbrennungskammer 106 vorgesehen werden muss. Wenn beispielsweise die Temperatur der Abgase hoch genug ist, um das akkumulierte DEF und DPM in dem DPF-Filter 132 zu verbrennen, dann kann die Steuervorrichtung 140 die Strömungssteuervorrichtung 138 vollständig schließen, um zu gestatten, dass die komprimierte Luft an die Verbrennungskammer 106 geliefert wird. Man kann ins Auge fassen, dass während hoher Betriebslasten am Motor 102 die Abgastemperatur hoch genug ist, um ohne Hilfe die Regeneration durchzuführen.
Wenn jedoch die Abgastemperatur niedrig ist, wie beispielsweise während leichter oder hochzyklischer Belastungen oder wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, so kann die Steuerung 140 konfiguriert sein, um die Menge an komprimierter Luft vorgesehen für die Verbrennungskammer 106 zu regulieren, und zwar durch selektives Steuern der Strömungssteuervorrichtung 138, um die Abgastemperatur demgemäß weiter zu erhöhen.
Ferner können die Hochtemperaturabgase in der Abgasleitung 126 an das Reinemissionsmodul 130 geliefert werden, um den Regenerationsprozess zu erleichtern, um die angesammelten DEFs und DPMs zu verbrennen. Regeneration wird typischerweise für eine vorbestimmte Zeitdauer durchgeführt. Die Steuerung 140 kann eine Zeitsteuerfunktion umfassen, um zu bestimmen, wann die Regeneration vollendet ist. Alternativ kann die Steuervorrichtung bzw. Steuerung 140 mit den Drucksensoren assoziiert mit dem Reinemissionsmodul 130 kommunizieren, um eine Druckänderung an dem Reinemissionsmodul 130 zu überwachen, um zu bestimmen, wann die Regeneration vollendet ist.
Gemäß einem exemplarischen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Motorsystem 100 auch einen NOx-Reduktionsstrategie(NRS)-Kühler 144 aufweisen, und zwar konfiguriert zum Kühlen eines Teils der aus dem Motor 102 austretenden Abgase, gemischt mit sauberer Luft und zurückgespeist zu der Verbrennungskammer 106.
2 veranschaulicht eine schematische Repräsentation des Motorsystems 100 mit einer Strömungssteuervorrichtung 138 positioniert an einer anderen Stelle gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Wie in 2 gezeigt kann die Strömungssteuervorrichtung 138 strömungsmittelmäßig verbunden sein mit dem zweiten Kanal oder Durchlass 118 und konfiguriert sein, um selektiv die komprimierte Luft von dem Kompressor 114 in den zweiten Durchlass oder Kanal 118 abzuleiten, und zwar zu einer Abgasleitung 202, die aus dem Reinemissionsmodul 130 des Abgassystems 124 austritt über einen Durchlass 204 oder alternativ von dem zweiten Durchlass 118 durch den Zwischendurchlass 117 und zurück in den ersten Durchlass 116. Daher kann die Menge an komprimierter Luft vorgesehen für die Verbrennungskammer 106 vermindert werden, was die erhöhte Abgastemperatur zur Folge hat. Wenn ferner die Regeneration vollendet ist, kann das Abgas, welches aus dem Reinemissionsmodul 130 über die Abgasleitung 202 austritt, verdünnt werden und/oder herabgekühlt werden durch abgeleitete Luft von dem zweiten Durchlass 118.
Wenn ferner die Regeneration vollendet ist, kann das Reinemissionsmodul 130 Herabkühlung benötigen. Daher kann die Steuervorrichtung 140 konfiguriert sein, um eine Temperatur vom Ausgang des Reinemissionsmoduls 130 und die Drehzahl des Motors 102 überwachen, um demgemäß die Strömungssteuervorrichtung 138 zu steuern, um die komprimierte Luft von dem zweiten Durchlass 118 in die Abgasleitung 202 abzuleiten, austretend aus dem Reinemissionsmodul 130. Beispielsweise, wenn die Drehzahl des Motors 102 kleiner ist als ein vorbestimmter Wert, um anzuzeigen, dass die Maschine sich in einem Leerlaufzustand befindet oder mit niedriger Drehzahl läuft, dann kann die Steuerung 140 die Strömungssteuervorrichtung 138 öffnen, um die komprimierte Luft zur Verdünnung und Kühlung des Abgases abzuleiten, welches aus dem Reinemissionsmodul 130 und der Maschine austritt.
3 veranschaulicht eine schematische Darstellung des Motorsystems 100 mit einer Strömungssteuervorrichtung 138 positioniert an einer anderen Stelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Wie in 3 gezeigt, kann die Strömungssteuervorrichtung 138 in Strömungsmittelverbindung mit dem dritten Durchlass 122 sein, und zwar zwischen dem Wärmetauscher 120 und der Verbrennungskammer 106 und/oder dem zweiten Durchlass 118 zwischen dem Kompressor 114 und der Verbrennungskammer 106. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist die Strömungssteuervorrichtung 138 konfiguriert, um selektiv die komprimierte Luft in den zweiten Durchlass 118 abzuleiten, und zwar von dem Kompressor 114 zu einer externen Atmosphäre außerhalb des Motorsystems 100. Daher kann die Menge an komprimierter Luft vorgesehen für die Verbrennungskammer 106 reduziert werden, wodurch die Abgastemperatur erhöht wird. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann die komprimierte Luft austretend aus dem Motorsystem 100 und der Maschine über einen Geräuschdämpfer und/oder einen Auspuff (nicht gezeigt) abgegeben werden. Der Auspuff kann innerhalb des Abgassystems 124 installiert sein und die abgeleitete Luft kann zu der externen Atmosphäre über den Auspuff in das Abgassystem 124 geleitet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die industrielle Anwendbarkeit der Steuerung 140 in dem Motorsystem 100 zur Steuerung der Abgastemperatur wie dies hier beschrieben wurde kann aufgrund der vorstehenden Diskussion verstanden werden.
Turbolader für Diesel und Benzinmotoren sind bekannt. Turbolader geben jedoch Verunreinigungen ab, wie beispielsweise Dieselteilchenmaterial (DPM = Diesel Particulate Matter) oder Ruß (soot) und ferner Stickoxyde (NOx). Daher werden zur Regulierung solcher Emissionen im Allgemeinen Dieselteilchenfiltrationsvorrichtungen (DPF) und Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) verwendet.
Die DPF's filtern das teilchenförmige Material aus den Abgasen, um sie daran zu hindern aus dem Motor auszutreten. Jedoch, nach einer Periode der Zeit und/oder des Betriebs beginnt das angesammelte teilchenförmige Material den Filter zu verstopfen. Daher muss der Filter entweder ersetzt oder zum Zwecke der Reinigung entfernt werden. Da das Entfernen oder Ersetzen des Filters jedes Mal nicht möglich sein kann, wird ein Regenerationsverfahren verwendet, um die akkumulierten DEF oder DPM innerhalb des Filters zu verbrennen.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt die Steuervorrichtung 140 betriebsmäßig verbunden mit der Strömungssteuervorrichtung 138 zur Steuerung der Abgastemperatur während des Regenerationsprozesses. Die Steuervorrichtung 140 kann bestimmen, wann die Regeneration erforderlich ist und/oder wann die Regeneration vollendet ist, und zwar geschieht dies unter Verwendung einer Anzahl von Sensoren assoziiert mit dem Reinemissionsmodul 130. Ferner kann die Steuervorrichtung 140 selektiv den Betrieb der Strömungssteuervorrichtung 138 steuern, um die Luftmenge geliefert an die Verbrennungskammer 106, während des Regenerationsprozesses zu steuern. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird die Menge der komprimierten Luft geliefert an die Verbrennungskammer 106 reduziert, und zwar durch Steuerung der Strömungsteuervorrichtung 138. Infolgedessen kann das Verhältnis von Luft bezüglich Kraftstoff reduziert werden, was zur Folge hat, dass mehr Kraftstoff verbrannt wird. Wenn mehr Kraftstoff verbrannt wird, hat dies zur Folge, dass sich eine erhöhte Verbrennungstemperatur den Motor 102 verlassend ergibt, was weiterhin verwendet werden kann durch das Reinemissionsmodul 130 für den Regenerationsprozess. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann die Strömungssteuervorrichtung 138 derart gesteuert werden, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer 106 aufrecht erhalten wird in einem Bereich von ungefähr 15:1 bis 18:1 für eine Last von ungefähr 20–90 Prozent am Motor 102 während des Regenerationsprozesses. Die Steuervorrichtung 140 und die Steuervorrichtung 138 zusammen liefern eine kompakte Lösung für die Regeneration ohne ein zusätzliches externes Regenerationssystem wie dies konventioneller Weise getan wird, zu benötigen. Dies ist auch kosteneffektiv und leicht zu implementieren, ohne irgendeine zusätzliche Hinzufügung von Komponenten.
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 400 der Modulation der Menge komprimierter Luft geliefert an die Verbrennungskammer 106 zur Steuerung der Abgastemperatur. Im Schritt 402 wird eine Luftströmung vorgesehen, und zwar von einem Lufteinlass 115 in den Kompressor 114 über den ersten Durchlass 116. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der erste Durchlass 116 in der Form einer Einlasssammelleitung (intake manifold) ausgewählt sein. Ferner wird die Umgebungsluft durch den Kompressor 114 komprimiert.
Im Schritt 404 wird komprimierte Luft der Verbrennungskammer 106 über den zweiten Durchlass 118 zugeführt. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der zweite Durchlass 118 auch in der Form einer Einlasssammelleitung ausgebildet sein. Ferner wird die komprimierte Luft vom Kompressor 114 in die Verbrennungskammer 106 geliefert, und zwar über den Wärmetauscher 120, um die Strömungsmitteltemperatur in dem zweiten Durchlass 118 abzusenken und die Luftdichte der komprimierten Luft vorgesehen für die Verbrennungskammer 106 zu erhöhen.
Weiterhin wird in einem Schritt 406 die Strömungssteuervorrichtung 138 eingestellt, um selektiv die Menge an komprimierter Luft vorgesehen für die Verbrennungskammer 106 zu reduzieren derart, dass das Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer 106 in einem Bereich von ungefähr 15:1 und 18:1 während des Regenerationsprozesses liegt. In einem exemplarischen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Strömungssteuervorrichtung 138 vorgesehen zwischen dem Kompressor 114 und der Verbrennungskammer 106. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist die Strömungssteuervorrichtung 138 in Strömungsmittelverbindung mit dem zweiten Durchlass 118 derart, dass die komprimierte Luft vom Kompressor 114 selektiv zurück in den ersten Durchlass 116 umgelenkt wird, und zwar über den Zwischendurchlass 117. Wie zuvor erläutert, wird durch Umleiten der komprimierten Luft in den zweiten Durchlass 118 zurück in den ersten Durchlass 116 die Temperatur der Einlassluft auch angehoben, was ferner die Temperatur des Abgases anhebt, welches den Motor 102 verlässt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Strömungssteuervorrichtung 138 in Strömungsmittelverbindung mit dem zweiten Durchlass 118 derart vorgesehen sein, dass die komprimierte Luft in dem zweiten Durchlass 118 selektiv abgelenkt wird, zu der Auslass- oder Abgasleitung 202 austretend aus dem Reinemissionsmodul 130 über den Durchlass 204, nachdem der Regenerationsprozess vollendet ist oder durch den Zwischendurchlass 117 zum ersten Durchlass 116. Daher wird die Menge an komprimierter Luft geliefert an die Verbrennungskammer 106 reduziert, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Wie zuvor erläutert durch Ableiten der komprimierten Luft in die Abgasleitung 202 wird die Temperatur des Abgases in der Abgasleitung 202 reduziert, und zwar vor dem Austritt aus dem Motorsystem 100 und der Maschine.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Strömungssteuervorrichtung 138 in Strömungsmittelverbindung mit dem zweiten Durchlass 118 derart vorgesehen sein, dass die komprimierte Luft abgeleitet wird in die externe Umgebung außerhalb des Motorsystems 100. Daher kann die Menge der zur Verbrennungskammer 106 vorgesehenen Luft reduziert werden, was eine erhöhte Temperatur der Abgase in der Abgasleitung 126 zur Folge hat.
Obwohl Aspekte der vorliegenden Offenbarung speziell gezeigt und beschrieben wurden unter Bezugnahme auf die obigen Ausführungsbeispiele erkennt man, dass dem Fachmann verschiedene zusätzliche Ausführungsbeispiele durch Modifikation der offenbarten Maschinensysteme und -verfahren zur Verfügung stehen, ohne den Rahmen der Offenbarung zu verlassen. Solche Ausführungsbeispiele fallen in den Bereich der vorliegenden Offenbarung wie sie durch die Ansprüche und jedwede Äquivalente bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8099953 [0004]

Claims

Ein Verbrennungsmotorsystem mit interner Verbrennung, wobei Folgendes vorgesehen ist: ein eine Verbrennungskammer definierender Motor; ein Reinemissionsmodul strömungsmittelmäßig verbunden mit einer Abgasleitung von der Verbrennungskammer; und eine Luftversorgungseinheit konfiguriert zur Lieferung von Luft in die Verbrennungskammer, wobei die Luftlieferungseinheit Folgendes aufweist: einen Kompressor konfiguriert zum Empfang von Luft von einem Lufteinlass über einen ersten Durchlass, wobei der Kompressor ferner konfiguriert ist, um komprimierte Luft in die Verbrennungskammer über einen zweiten Durchlass zu liefern; und eine Strömungssteuervorrichtung vorgesehen zwischen dem Kompressor und der Verbrennungskammer des Motors, wobei die Strömungssteuervorrichtung konfiguriert ist, um selektiv die Versorgung mit komprimierter Luft in die Verbrennungskammer derart zu reduzieren, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer in einem Bereich von 15:1 bis 18:1 bei 20–90 Prozent Motorlast während einer Regenerationsperiode des Reinemissionsmoduls aufrechterhalten bleibt.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Luftversorgungseinheit ferner eine Steuerung bzw. Steuervorrichtung aufweist, und zwar betriebsmäßig gekuppelt mit der Strömungssteuervorrichtung und konfiguriert zur Steuerung der Strömungssteuervorrichtung basierend auf einem vorbestimmten Motorparameter.
Das System nach Anspruch 2, wobei der vorbestimmte Motorparameter eine Soll-Temperatur assoziiert mit einem Abgas des Motors ist.
Das System nach Anspruch 3 weist ferner einen oder mehrere Sensoren auf, und zwar assoziiert mit dem Abgas des Motors, wobei die Sensoren konfiguriert sind, um Ausgangssignale an die Steuervorrichtung zu liefern, die eine Anzeige für die Abgastemperatur vorsehen.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Strömungssteuervorrichtung konfiguriert ist, um selektiv eine Luftmenge vom zweiten Durchlass abzuleiten zum ersten Durchlass.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Strömungssteuervorrichtung konfiguriert ist, um selektiv eine Menge an komprimierter Luft vom zweiten Durchlass wegzuleiten zu einer externen Atmosphäre außerhalb des Motorsystems.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Strömungssteuervorrichtung konfiguriert ist, um selektiv eine Menge an komprimierter Luft vom zweiten Durchlass wegzuleiten zu einem Auslass- bzw. Abgasdurchlass, der aus dem Reinemissionsmodul austritt.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Strömungssteuervorrichtung ein Ventil mit variabler Position aufweist.
Ein Verfahren zum Modellieren der Luftversorgung für eine Verbrennungskammer in einem Verbrennungsmotor mit interner Verbrennung zur Regenerierung eines Reinemissionsmoduls bei einer Motorbelastung von 20–90 Prozent, wobei das Verfahren Folgendes vorsieht: Vorsehen einer Strömung von Luft von einem Lufteinlass zu einem Kompressor über einen ersten Durchlass; Vorsehen einer Strömung von komprimierter Luft von dem Kompressor zu der Verbrennungskammer des Motors über einen zweiten Durchlass; und Einstellen der Strömungssteuervorrichtung vorgesehen zwischen dem Kompressor und der Verbrennungskammer, um selektiv eine Menge an komprimierter Luft vorgesehen für die Verbrennungskammer derart zu reduzieren, dass das Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer zwischen 15:1 und 18:1 während einer Regenerationsperiode liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Einstellung der Strömungssteuervorrichtung ferner das Einstellen der Strömungssteuervorrichtung umfasst, und zwar basierend auf einer vorbestimmten Temperatur assoziiert mit dem Abgas des Motors.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: Selektives Ableiten bzw. Wegleiten einer Menge komprimierter Luft vom zweiten Durchlass zum ersten Durchlass.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei Folgendes vorgesehen ist: Selektive Ableitung einer Menge an komprimierter Luft von dem zweiten Durchlass zu einer externen Atmosphäre außerhalb des Motorsystems.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei ferner folgendes vorgesehen ist: Selektive Ableitung einer Menge komprimierter Luft vom zweiten Durchlass zu einem Abgasdurchlass, der aus dem Reinemissionsmodul austritt.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Strömungssteuervorrichtung ein Ventil mit variabler Position aufweist.
Ein Motorsystem mit interner Verbrennung, wobei Folgendes vorgesehen ist: ein Motor, der eine Verbrennungskammer definiert; ein Reinemissionsmodul strömungsmittelmäßig verbunden mit einer Abgasleitung von der Verbrennungskammer; und eine Luftversorgungseinheit konfiguriert zur Lieferung von Luft in die Verbrennungskammer, wobei die Luftversorgungseinheit Folgendes aufweist: einen Kompressor konfiguriert zur Aufnahme von Luft von einem Lufteinlass über einen ersten Durchlass bzw. Kanal, wobei der Kompressor ferner konfiguriert ist, um komprimierte Luft in die Verbrennungskammer über einen zweiten Durchlass bzw. Kanal zu liefern; eine Strömungssteuervorrichtung vorgesehen zwischen dem Kompressor und der Verbrennungskammer des Motors, wobei die Strömungsmittelvorrichtung konfiguriert ist, um selektiv die Lieferung von komprimierter Luft in die Verbrennungskammer zu reduzieren; und eine Steuervorrichtung betriebsmäßig gekoppelt bzw. gekuppelt mit der Strömungssteuervorrichtung und konfiguriert um die Strömungssteuervorrichtung zu steuern, und zwar basierend auf einem vorbestimmten Motorparameter, derart, dass ein Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer beibehalten wird zwischen 15:1 und 18:1 bei 20–90 Prozent Motorlast während einer Regenerationsperiode für das Reinemissionsmodul.
Das System nach Anspruch 15, wobei der vorbestimmte Motorparameter eine Solltemperatur ist, die mit einem Abgas des Motors assoziiert ist.
Das System nach Anspruch 15, wobei die Strömungssteuervorrichtung ein Ventil mit variabler Position aufweist.
Das System nach Anspruch 15, wobei die Strömungssteuervorrichtung konfiguriert ist, um selektiv eine Luftmenge vom zweiten Durchlass zum ersten Durchlass abzuleiten.
Das System nach Anspruch 15, wobei die Strömungssteuervorrichtung konfiguriert ist, um selektiv eine Menge an komprimierter Luft von dem zweiten Durchlass zu einer externen Atmosphäre außerhalb des Motorsystems abzuleiten.
Das System nach Anspruch 15, wobei die Strömungssteuervorrichtung konfiguriert ist, um selektiv eine Menge an komprimierter Luft von dem zweiten Durchlass zu einem Abgasdurchlass austretend aus dem Reinemissionsmodul abzuleiten.