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Dokumentenidentifikation DE69820436T2 14.10.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000983430
Titel METHODE ZUR REGELUNG VON VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN WÄHREND DES ANLASSENS UND VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE DIE DIESE METHODE VERWENDET
Anmelder Scania CV AB, Södertälje, SE
Erfinder GUSTAFSSON, Krister, S-117 37 Stockholm, SE;
GRANDIN, Börje, S-125 33 Älvsjö, SE;
LEVIN, Tore, S-192 51 Sollentuna, SE
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69820436
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.03.1998
EP-Aktenzeichen 989099296
WO-Anmeldetag 11.03.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/SE98/00436
WO-Veröffentlichungsnummer 0098041746
WO-Veröffentlichungsdatum 24.09.1998
EP-Offenlegungsdatum 08.03.2000
EP date of grant 10.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.10.2004
IPC-Hauptklasse F02D 9/06
IPC-Nebenklasse F02D 41/06   F02D 21/08   F02N 17/08   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und auf einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des dazu gehörenden weiteren unabhängigen Patentanspruchs.

Hintergrund und Stand der Technik

Um das Aufwärmen eines Verbrennungsmotors aus einem Kaltstart zu beschleunigen, ist im Fall von Dieselmotoren in schweren Fahrzeugen bekannte Praxis, den Druck im Auspuffsystem zu erhöhen, indem die Auspuffleitung mit Hilfe einer gewöhnlich in der Auspuffleitung solcher Fahrzeuge eingebauten Auspuffbremsklappe blockiert wird.

Die resultierende Erhöhung der Last auf dem Motor läßt ihn seine normale Arbeitstemperatur schneller erreichen, wodurch auch der Ausstoß von Emissionen und sogenanntem weißen Rauch reduziert wird.

Eine andere bekannte Praxis ist, eine Leitung einzubauen, die das Einlaß- und Auslaßsystem eines Verbrennungsmotors miteinander verbindet, um Abgase vom Auslaßsystem zum Einlaßsystem zu befördern. Diese Leitung ist gewöhnlich ventilgesteuert, um gemäß dem Betriebszustand des Motors die Menge von zur Einlaßseite des Motors rückgeführten Abgasen modifizieren zu können. Eine Rückführung von Abgasen, auch bekannt als EGR (Abgasrückführung), ist während bestimmter Betriebszustände wünschenswert, um die Verbrennungstemperatur des Motors niedrig halten und dadurch die Menge an Emissionen aus dem Motor reduzieren zu können.

Die bekannte Technologie war jedoch bislang nicht imstande, ein effektives Verfahren und eine effektive Vorrichtung zum merklichen Reduzieren von Abgasemissionen während eines Kaltstarts von Verbrennungsmotoren, insbesondere im Fall von Dieselverbrennungsmotoren, anzugeben.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die Abgasemissionen während eines Kaltstarts von Verbrennungsmotoren, insbesondere im Fall von Dieselverbrennungsmotoren, merklich reduzieren.

Die Lösung muß einfach, wirtschaftlich und betriebstechnisch zuverlässig sein.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch das in der Einleitung angegebene Verfahren, das sich durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale auszeichnet. Eine Steuerung eines Auspuffbremsventils und eines EGR-Ventils in der darin angegebenen Weise ermöglicht, die Zeit merklich zu verkürzen, die der Motor benötigt, um aus einem Kaltstart einen stationären Betriebszustand zu erreichen. Daraus folgt eine entsprechende Verringerung des Ausstoßes von Emissionen.

Eine einfache Lösung gemäß der Erfindung wird auch erreicht, indem die im Fall eines elektronisch gesteuerten Motors schon zur Verfügung stehenden Sensorsignale verwendet werden, die Parameter repräsentieren, die sich auf die Kraftstoffeinspeisungsmenge, die Motordrehzahl und den gleichfalls überwachten Parameter beziehen, der die Geschwindigkeit des Fahrzeugs repräsentiert. Eine weitere Reduzierung von Emissionen kann erreicht werden, indem in der in den Unteransprüchen angegebenen Weise das Öffnen und Schließen von Ventilen in Abhängigkeit von der Anzahl Umdrehungen während des Anlassens des Motors gesteuert wird.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich aus durch die im Oberbegriff zu dem einen Verbrennungsmotor betreffenden unabhängigen Patentanspruch angegebenen Merkmale. Eine besonders einfache und wirtschaftliche Lösung kann mit den Ventilen, der Ausführung einer EGR-Leitung und der Steuereinheit erzielt werden, die darin angegeben sind. Eine erhöhte Stabilität und funktionale Zuverlässigkeit des Verfahrens gemäß der Erfindung kann durch das die Ausführung der EGR-Leitung und der Ventile betreffend im Unteranspruch zu diesem unabhängigen Anspruch auch Angegebene erzielt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt schematisch ein System gemäß der Erfindung für eine Abgasrückführung in einem Turbodieselmotor.

Beschreibung einer Ausführungsform

1 stellt einen turbo-aufgeladenen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor 1 vorzugsweise der Dieselbauart dar. Das Aufladen des Motors wird von einer ersten Turboeinheit bewerkstelligt, in der eine von Abgasen angetriebene Turbine 4 einen Kompressor 5 antreibt. Die Turbine 4 und der Kompressor 5 sind zur gemeinsamen Rotation auf einer gemeinsamen Antriebswelle 28 gekoppelt. Im Diagramm wird der Einlaßluftstrom durch durchgezogene Strompfeile repräsentiert, während der Abgasstrom durch gestrichelte Strompfeile repräsentiert wird.

Die Abgase vom Verbrennungsmotor werden in einem Abgaskrümmer 3, 3' gesammelt, der hier in zwei separate Zweige 3 und 3' geteilt ist, die eine Verbindung mit dem Einlaß der Turbine 4 schaffen. Die Turbine 4 ist herkömmlicherweise mit einem sogenannten geteilten Einlaßstrang versehen, so daß Auspuffimpulse von einer Gruppe Motorzylinder nicht mit Impulsen von den Zylindern in der anderen Gruppe zusammentreffen. Stromabwärts der Turbine 4 gibt es auch eine Auspuffbremse 50, hier von der Art eines Klappenventils, auf das eine Steuervorrichtung 51 zwischen einer Stellung, die auf den Strom durch die Auspuffleitung eine minimale Drosselung ausübt (Ventil offen), und einer entsprechenden Stellung maximaler Drosselung (Ventil geschlossen) wirkt.

Der Einlaßkrümmer 2 des Verbrennungsmotors fördert die im Kompressor 5 unter Druck gesetzte Luft in herkömmlicher Weise zu den Motorzylindern 8. In einer gleichfalls an sich bekannten Weise ist stromabwärts des Kompressors 5, aber stromaufwärts der Einlaßkrümmer 2, ein Ladeluftkühler 11 angeordnet. Die Einlaßseite des Kompressors 5 wird in ebenfalls herkömmlicher Weise mit gefilterter Luft versorgt.

Eine im folgenden EGR-Leitung genannte Rohrleitung 20 verbindet das Auslaßsystem stromaufwärts der Turbine 4 (vorteilhafterweise direkt vom Abgaskrümmer 3, 3' oder dem Turbineneinlaß) mit dem Einlaßsystem stromabwärts des Kompressors 5 (vorteilhafterweise direkt mit dem Einlaßkrümmer 2). Die EGR-Leitung enthält ein Ventil 17, auf das von einer Steuervorrichtung 30 eingewirkt wird, die in herkömmlicher Weise auf der Basis von Signalen von einer Steuereinheit 32 für ein elektronisches Steuersystem für den Motor den Öffnungsgrad (einschließlich Verschluß) des Ventils steuert.

Es ist vorteilhaft, daß das Ventil 17 nahe dem Punkt liegt, an dem die EGR-Leitung vom Abgaskrümmer abgezweigt wird, mit der Folge, daß kein Abgasvolumen in der EGR-Leitung komprimiert werden muß, wenn die EGR-Leitung geschlossen wird. Als Konsequenz ergibt sich keine Verschlechterung des Ansprechverhaltens während eines herkömmlichen Auspuffbremsens oder einer herkömmlichen Erhöhung der Motorlast.

In der dargestellten Lösung ist die EGR-Leitung direkt mit dem Einlaßkrümmer 2 zentral oder mit der damit verbundenen Einlaßluftleitung so verbunden, daß die rückgeführten Abgase gut mit der Einlaßluft gemischt werden. Es ist vorteilhafterweise jedoch möglich, daß die EGR-Leitung 20 alternativ dazu über mehrere Rohrmündungen, die so verteilt sind, daß sie den Verbindungen der Einlaßkrümmer 2 mit den jeweiligen Zylindereinlaßöffnungen entsprechen, mit dem Einlaßkrümmer 2 verbunden ist.

Die Steuereinheit 32 steuert die Steuervorrichtung 30 und daher das Ventil 17 auf der Basis überwachter Motor- und Fahrzeugparameter wie z. B. Motordrehzahl, Motortemperatur und Ladeluftdruck, die zusammen den Betriebszustand des Motors repräsentieren, und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Diese Parameter werden über auf dem Motor und dem Fahrzeug angeordnete jeweilige Sensoren 33, 34, 35 und 36 durch die Steuereinheit 32 überwacht. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 36 erscheint im Diagramm auf dem schematisch dargestellten Fahrzeug 19. Außerdem versorgt ein Stromsensor 42, der z. B. ein Venturi-Meßgerät in der Leitung 20 aufweisen kann, die Steuereinheit 32 mit einem die abgegebene EGR-Menge repräsentierenden Signal. Dieses Signal wie diejenigen, die die Motorparameter repräsentieren, werden über Signaleingangsleitungen 39 von der Steuereinheit 32 empfangen. Auf deren Basis steuert die Steuereinheit 32 die Steuervorrichtungen 30 und 51 mit Hilfe von Signalen über gepunktete Steuerleitungen 38. Die Stromversorgung für die Steuereinheit 32 und auch für einen herkömmlichen elektrischen Anlassermotor 21 zum Anlassen des Motors wird von einer Batterie 43 geliefert.

Beim Anlassen des Motors läßt in herkömmlicher Weise der Anlassermotor 21 den Motor bei einer Drehzahl von etwa 60 Umdrehungen/Minute rotieren, bevor irgendeine Verbrennung in einem der Motorzylinder stattfindet. In dieser Phase sind sowohl das Auspuffbremsventil 15 als auch das EGR-Ventil 17 geschlossen, um eine maximale Last auf dem Motor und daher einen Kompressions- und Wärmeaufbau in den Zylindern zu erzeugen. Der Motor wird mit Kraftstoff versorgt, nachdem der Anlassermotor den Motor einige (ungefähr drei) Umdrehungen rotieren lassen hat. In dieser Phase reicht die in den Zylindern aufgebaute Wärme gewöhnlich aus, damit der eingespritzte Kraftstoff zündet, selbst wenn unter sehr kalten Bedingungen (Temperaturen in der Größenordnung –20°C) gestartet wird. Nach einigen (ungefähr drei) weiteren Umdrehungen öffnet das EGR-Ventil 17, so daß Abgase von der Verbrennung, die stattgefunden hat, über die EGR-Leitung 20 zum Einlaßluftkrümmer 2 des Motors rückgeführt werden können. Die wenigen weiteren Umdrehungen können auch aus dem Auftreten einer vorbestimmten Erhöhung der Motordrehzahl in Bezug auf die Drehzahl des Anlassermotors festgestellt werden. Die so über die EGR-Leitung rückgeführten Abgase werden mit der kalten Einlaßluft gemischt und danach in die Motorzylinder geleitet. Die so resultierende Einlaßluft hat eine höhere Temperatur, die die Zündung des in die Zylinder eingespritzten Kraftstoffs merklich erleichtert. Je größer die Anzahl der Motorzylinder ist, in denen dies stattfindet, desto größer ist die Zunahme der Abgasrückführung, was zur Folge hat, daß die Verbrennung in den Zylindern schneller einen normalen Zustand erreicht, wodurch auch eine wünschenswerte Reduzierung des Ausstoßes schädlicher Emissionen erzielt wird.

Wenn die Motordrehzahl für eine gewisse vorbestimmte Zeit innerhalb gewisser Grenzen gehalten wurde, die einer normalen Leerlaufdrehzahl entsprechen, wird der EGR-Gasstrom durch allmähliches Schließen des EGR-Ventils und gleichermaßen allmähliches Öffnen des Auspuffbremsventils reduziert. In dieser Phase hört der Anlassermotor auch auf, den Verbrennungsmotor anzutreiben. In Tests an einem Dieselmotor zum Betreiben schwerer Fahrzeuge betrug die vorbestimmte Zeit etwa 10 Sekunden, und die Drehzahlgrenzen betrugen 575 Umdrehungen/Minute und 625 Umdrehungen/Minute, d. h. eine Leerlaufdrehzahl von 600 Umdrehungen/Minute + 25 Umdrehungen/Minute.

Der Anteil an rückgeführten EGR-Gasen sollte etwa 50 Gew.-% des Luftbedarfs des Motors nicht übersteigen. Am Beginn des Anlaßprozesses kann er vorteilhafterweise in der Größenordnung von 33 Gew.-% liegen, wenn das EGR-Ventil geöffnet hat, und kann später auf die Größenordnung von 25 Gew.-% abgesenkt werden, wenn der Motor eine stationäre Leerlaufdrehzahl für die oben erwähnte vorbestimmte Zeit beibehalten hat. Danach beginnt das EGR-Ventil, die EGR-Leitung allmählich zu schließen, aber ein vollständiger Verschluß der EGR-Leitung und ein vollständiges Öffnen des Auspuffbremsventils werden nur erreicht, wenn die Leerlaufdrehzahl für eine vorbestimmte Zeit wie oben beschrieben innerhalb vorausgewählter Grenzen im Hinblick auf Schwankung und Absolutpegel gehalten wurde. Alternativ dazu kann die Tatsache, daß der Motor eine gewisse vorbestimmte Arbeitstemperatur wie z. B. die durch die Kühlmitteltemperatur repräsentierte erreicht hat, das Kriterium sein, welches entscheidet, wann das EGR-Ventil und das Auspuffbremsventil schließen bzw. öffnen wird.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors (1), vorzugsweise eines Mehrzylinder-Dieselmotors, mit einem Einlasssystem (2), einem Auslasssystem (3, 3'), einer EGR-Leitung (20), zum Rückführen von Abgasen vom Auslasssystem (3, 3') zum Einlasssystem (2), einem EGR-Ventil (17) in der EGR-Leitung (20), einem Auspuffbremsventil (50) im Auslasssystem, um den Druck im Auslasssystem stromaufwärts davon zu erhöhen, und einer Steuerung (32), um den Öffnungs- und Schließgrad der Ventile (17, 50) auf der Basis von Signalen zu steuern, die den Betriebszustand des Motors repräsentieren und von Sensoren (3335, 42) am Motor an das Steuerungssystem (32) geliefert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (32) das EGR-Ventil (17, 50) offen und das Auspuffbremsventil (50) in einer Stellung hält, die den Abgasstrom erheblich drosselt, solange ein erstes Signal angibt, dass der Motor während seines Anlassens einen stationären Betriebszustand noch nicht erreicht hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal einen Wert repräsentiert, der angibt, daß die Motordrehzahl einem instabilen Zustand unterhalb oder nahe der Leerlaufdrehzahl des Motors entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal einen Wert repräsentiert, der angibt, daß die Arbeitstemperatur des Motors unterhalb eines vorbestimmten Wertes ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselmotor ein Fahrzeug (19) mit Sensoren antreibt, die Signale an die Steuerung (32) liefern, um den Öffnungs- und Schließgrad der Ventile (17, 50) auf der Basis der Signale zu steuern, dass die Steuerung (32) das EGR-Ventil (17) offen und das Auspuffbremsventil (50) in einer Stellung hält, die den Abgasstrom erheblich drosselt, wenn die Steuerung nicht nur mit einem die Fahrzeuggeschwindigkeit 0 (Null) km/h repräsentierenden ersten Signal, sondern auch mit einem zweiten Signal versorgt wird, das angibt, dass der Motor während seines Anlassens einen stationären Betriebszustand noch nicht erreicht hat.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für eine vorbestimmte erste kleine Anzahl Umdrehungen vom Beginn des Anlassprozesses des Motors die Steuerung (32) das EGR-Ventil (17) geschlossen und das Auspuffbremsventil (50) in einer Stellung hält, die den Abgasstrom erheblich drosselt, wonach die Steuerung das EGR-Ventil öffnet, aber das Auspuffbremsventil weiter in der erheblich drosselnden Stellung hält, solange die Steuerung mit dem ersten und zweiten Signal versorgt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzufuhr zum Motor nach einer kleinen Anzahl Umdrehungen beginnt, die kleiner als die erste Anzahl Umdrehungen ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass der EGR-Gasanteil am Beginn des Anlassprozesses größer ist als am Ende.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der EGR-Gasanteil nicht mehr als 50 Gew.-% des Luftbedarfs des Motors beträgt und am Beginn des Anlassprozesses des Motors vorteilhafterweise in der Größenordnung von 33 Gew.-% liegt, wenn das EGR-Ventil (17) geöffnet hat.
  9. Verbrennungsmotor, vorzugsweise ein aufgeladener Mehrzylinder-Dieselmotor, in einem Fahrzeug zum Implementieren des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Einlasssystem (2), einem Auslasssystem (3, 3'), einer EGR-Leitung (20), zum Rückführen von Abgasen vom Auslasssystem zum Einlasssystem, einem EGR-Ventil (17) in der Leitung, einem Auspuffbremsventil (50) im Auslasssystem, um den Druck im Auslasssystem stromaufwärts davon zu erhöhen, und einer Steuerung (32), um den Öffnungs- und Schließgrad der Ventile (17, 50) auf der Basis von Signalen zu steuern, welche den Betriebszustand des Motors und des Fahrzeugs repräsentieren und von Sensoren (3336, 42) an dem Motor und dem Fahrzeug an die Steuerung geliefert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die EGR-Leitung (20) über mehrere Öffnungen zu einem Ansaugluftkrümmer führt, der einen Teil des Einlasssystems (2) bildet, und dass Einrichtungen das EGR-Ventil offen und das Auspuffbremsventil in einer drosselnden Stellung halten, die den Abgasstrom erheblich drosseln, solange der Motor während einer Anlassperiode einen stationären Betriebszustand noch nicht erreicht hat.
  10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das EGR-Ventil (17) nahe der Verbindung der EGR-Leitung (20) zur Verbindung des Abgaskrümmers (3) zu einer Turbine (4) liegt, die einen Teil einer Aufladeeinheit für den Motor bildet.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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