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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Steuerungssysteme und
-strategien zum Wärmemanagement bei der Nachbehandlung
in einem System mit Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und
sie betrifft insbesondere das Begrenzen des Abgasgegendrucks während
des Temperaturmanagements mittels gesteuerter Drosselung des Abgasstroms.
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Hintergrund
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Viele
unterschiedliche Maschinen, in besonderem Maße kompressionszündende
Dieselmotoren, weisen die Tendenz auf, während des Betriebs unerwünschte
Mengen von Partikeln wie beispielsweise Ruß oder Asche
zu erzeugen. Es ist nunmehr fast durchgängig der Fall,
solche Brennkraftmaschinen mit Partikelfiltern auszustatten, welche
die während des Betriebs ausgestoßenen Mengen
von Rußpartikeln etc. begrenzen. Es sind eine große
Bandbreite an Ausgestaltungen für solche Filter bekannt, von
denen einige einen beträchtlichen kommerziellen Erfolg
haben. Eine Eigenschaft von all diesen allgemein bekannten und im
Handel erhältlichen Filterausgestaltungen ist, dass sie
wegen den eingefangenen Partikeln mit der Zeit dazu neigen, zu verstopfen. Bei
Dieselpartikelfiltern ist es normal, dass sie nach nur wenigen Stunden
Motorlaufzeit wenigstens zum Teil durch Partikel verstopfen. Sobald
Partikel sich über einen bestimmten Punkt hinaus ansammeln, kann
es passieren, dass der Motorbetrieb beeinträchtigt wird.
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Um
den Betrieb einer Brennkraftmaschine oder einer Maschine, die mit
einem verstopften Partikelfilter in Zusammenhang steht, fortzuführen,
ist es normalerweise notwendig, das Filter zu „regenerieren”.
Mit anderen Worten: Es muss etwas anderes getan werden als das unerwünschte
Material in die Umgebung auszustoßen, um die das Filter
verstopfenden Partikel zu entfernen. Bestimmte Maschinen mit einer
Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung haben einen Auslastungsgrad,
bei dem die Brennkraftmaschine in einem relativ hohen Leistungsabgabebereich
arbeitet, was zu Abgastemperaturen führt, die hoch genug
sind, um die zusetzenden Partikel „auszubrennen”.
Andere Maschinen mit niedrigen Auslastungsgraden neigen dazu, hauptsächlich
Abgase mit niedriger Temperatur zu erzeugen, was selten, wenn überhaupt,
ausreicht, um eine Verbrennung der angesammelten Feststoffe zu beginnen.
Unabhängig von dem Auslastungsgrad ist es mehr und mehr üblich,
Brennkraftmaschinensysteme mit einigen Hilfseinrichtungen auszustatten,
um deren Partikelfilter dann zu regenerieren, wenn dies notwendig
ist. Eine übliche Vorgehensweise basiert auf dem Einsatz
von zusätzlicher Wärme, um die in dem Filter eingefangenen
Partikel zu verbrennen, so dass die Feststoffe während
des Ausstoßens der gasförmigen Verbrennungsprodukte
verbraucht werden. Zu diesem Zweck werden elektrische Heizgeräte,
das Einspritzen von Kraftstoff in das Abgassystem stromaufwärts
des Filters und verschiedene andere Vorgehensweisen eingesetzt.
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Eine
etwas modernere Vorgehensweise setzt Wärme von dem Abgas
selbst ein, um die Temperatur des Partikelfilters und der hierin
eingefangenen Feststoffe soweit zu erhöhen, dass eine Verbrennung
startet und folglich ein Verbrauch der Feststoffe beginnt. Hierfür
wurde eine im Stand der Technik bekannte Komponente wie beispielsweise
eine Turbine mit variabler Geometrie eingesetzt. Turbinen mit variabler
Geometrie weisen üblicherweise Turbinenschaufeln oder bewegbare
Wände auf, deren Stellung bzw. Ausrichtung eingestellt
werden kann, um den Abgasstrom durch die Turbine zu drosseln. Infolgedessen
kann der Druck und somit die Temperatur der Abgase erhöht
werden, um eine Verbrennung zu beginnen und ein Ausbrennen der Feststoffe
in dem Filter zu ermöglichen. Es sind auch Systeme bekannt,
in denen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der durch den Motor
zu verbrennenden Mischung angereichert wird, um die Temperatur der
Abgase zur Regeneration eines zugehörigen Filters zu erhöhen.
Es hat sich gezeigt, dass das Vertrauen auf eine dieser Vorgehensweisen
verschiedene Nachteile mit sich bringt. Auf der einen Seite kann
das Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Motors
allein ungenügend sein, um die Abgastemperatur ausreichend zu
erhöhen und die Feststoffe in dem Filter zu verbrennen.
Auf der anderen Seite kann die alleinige Anwendung der eine Turbine
mit variabler Geometrie einsetzenden Strategie ebenfalls ineffektiv
sein und in der Brennkraftmaschine und stromabwärts hiervon Drücke
verursachen, die höher sind als die, für die bestimmte
Brennkraftmaschinensysteme ausgelegt sind.
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Das
US-Patent Nr. 6,981,370 von
Opris et al. ist auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regeneration
eines Feststofffilters in einem Abgassystem gerichtet. Opris et
al. offenbart ein Brennkraftmaschinensystem und ein Betriebsverfahren,
bei denen ein stromaufwärts der Brennkraftmaschine angeordnetes
Drosselventil teilweise geschlossen wird, um die Luftmenge, die
in die Motorzylinder gelangt, zu reduzieren. Es wird gesagt, dass
die Luftreduzierung zu einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch führt,
was wiederum die Abgastemperaturen erhöht. Das Drosselventil
wird zusammen mit einer „verlängerten Öffnungsdauer” eines
Einlassventils gesteuert, um eine gewünschte Abgastemperatur
zur Filterregeneration zu erreichen. Obgleich die von Opris et al.
dargelegte Vorgehensweise ganz gut funktionieren mag, kann es in
anderen Fällen wünschenswert sein, ein Filter zu
regenerieren, ohne dass man sich auf eine Steuerung unter Verwendung
eines verstellbaren Ventils stützt.
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf ein oder mehrere der hier dargelegten
Probleme oder Mängel gerichtet.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem
Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben
eines Systems mit Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung bereit.
Das Verfahren beinhaltet den Schritt des Hindurchführens
von Abgasen von der Brennkraftmaschine durch eine Nachbehandlungseinrichtung bei
einer Abgastemperatur, die niedriger ist als eine Solitemperatur,
und den Schritt des Erhöhens der Temperatur der durch die
Nachbehandlungseinrichtung strömenden Abgase auf die Solltemperatur
wenigstens zum Teil durch steuerbares Drosseln des Abgasstroms stromaufwärts
der Nachbehandlungseinrichtung. Das Verfahren beinhaltet ferner
den Schritt des Erzeugens eines den Abgasgegendruck angebenden Signals
während des steuerbaren Drosselns des Abgasstroms und den
Schritt des Reduzierens des Abgasdrucks wenigstens zum Teil durch
gezieltes Reduzieren des Luftstroms zu der Brennkraftmaschine in
einer auf das Signal ansprechbaren Weise.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein System mit
Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung bereit, das eine Brennkraftmaschine
mit innerer Verbrennung mit einer Abgasauslassstrecke und eine in
der Abgasauslassstrecke angeordnete Nachbehandlungseinrichtung umfasst.
Das Brennkraftmaschinensystem beinhaltet ferner eine in der Abgasauslassstrecke
stromaufwärts der Nachbehandlungseinrichtung angeordnete
Strömungsdrosselungseinrichtung zum Erhöhen der
Temperatur der Abgase der Brennkraftmaschine, wobei die Strömungsdrosselungseinrichtung wenigstens
zwei Zustände aufweist, einen offenen Zustand, der mit
einem relativ niedrigen Abgasgegendruck in Zusammenhang steht, und
einen gedrosselten Zustand, der mit einem relativ hohen Abgasgegendruck
in Zusammenhang steht. Das Brennkraftmaschinensystem beinhaltet
des Weiteren ein Ansaugluftstromsteuerelement, das stromaufwärts der
Brennkraftmaschine angeordnet ist, und ein Steuerelement, das mit
dem Ansaugluftstromsteuerelement operativ gekoppelt ist, um den
Luftstrom zu der Brennkraftmaschine wenigstens zum Teil basierend
auf dem Abgasgegendruck gezielt zu reduzieren.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Steuerungssystem zum
Wärmemanagement einer Nachbehandlungseinrichtung einer
Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung bereit. Das Steuerungssystem
beinhaltet eine elektronische Steuereinheit, die dazu ausgebildet
ist, die Temperatur der durch eine Nachbehandlungseinrichtung strömenden
Abgase gezielt auf eine Solltemperatur zu erhöhen, wenigstens
zum Teil darüber, dass einer sich strömungstechnisch
zwischen der Brennkraftmaschine und der Nachbehandlungseinrichtung
befindenden variablen Strömungsdrosselungseinrichtung befehligt
wird, sich von einem relativ offeneren Zustand zu einem relativ
gedrosselteren Zustand zu verstellen. Das Steuerungssystem beinhaltet
ferner eine Ausgabeeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Signal
auszugeben, das den Abgasgegendruck stromaufwärts der Strömungsdrosselungseinrichtung
angibt, wobei die elektronische Steuereinheit des Weiteren so ausgebildet ist,
dass der Abgasdruck stromaufwärts der Strömungsdrosselungseinrichtung
reduziert wird, indem einem Ansaugluftstromsteuerelement für
die Brennkraftmaschine befehligt wird, sich in einer auf das Signal
ansprechbaren Weise zu verstellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Maschine mit einem eine Brennkraftmaschine mit
innerer Verbrennung umfassenden System gemäß einer
Ausführungsform, und
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2 ist
ein Flussdiagramm, das einen Steuerungsprozess gemäß einer
Ausführungsform veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung
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Es
wird nun auf die 1 Bezug genommen, in der eine
Maschine 10 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung gezeigt ist. Die Maschine 10 kann
ein Gestell 12, das den Untergrund kontaktierende Elemente 13 aufweist,
und ein hierauf angebrachtes Arbeitsgerät 14 umfassen.
In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet die Maschine 10 eine
derartige Art von Arbeitsgerät wie sie gewöhnlich
in Maschinen benutzt wird, die im Stand der Technik als Teleskoplader
bekannt sind. Es ist aber zu beachten, dass die Maschine 10 verschiedenste
Ausgestaltungen haben könnte. Beispielsweise könnten
geländegängige Maschinen wie beispielsweise Traktoren,
Lader, etc. wie auch Straßenlastkraftwagen und dergleichen
gemäß den hier dargelegten Lehren ausgebildet
und betrieben werden. In noch anderen Ausführungsformen
könnte die Maschine 10 eine stationäre
Maschine sein, wie beispielsweise ein Generatorset. Die Maschine 10 kann ein
Brennkraftmaschinensystem 16 beinhalten, wie beispielsweise
ein System mit Dieselmotor mit Kompressionszundung, der ein Motorgehäuse 18 mit mehreren
darin befindlichen Zylindern 46 aufweist. Eine Ansaugluftstrecke 32 ist
zum Einspeisen von Luft in das Brennkraftmaschinensystem 16 vorhanden,
und eine Abgasauslassstrecke 34 ist zum Ausstoßen
von Abgasen der Brennkraftmaschine durch einen Partikelfilter 30 und
ein Abgasendrohr 59 hindurch vorhanden. Wie hierin des
Weiteren erörtert wird, kann das Brennkraftmaschinensystem 16 so konfiguriert
und betrieben werden, dass das Partikelfilter 30 in einer
Weise regeneriert wird, die gegenüber bekannten Vorgehensweisen
Vorteile aufweist. Andere Nachbehandlungssysteme wie beispielsweise
Harneinspritzsysteme zur NOx-Reduzierung können ebenfalls
von der Anwendung der Lehren der vorliegenden Offenbarung profitieren.
Deswegen ist hervorzuheben, dass die vorliegende Offenbarung nicht
auf irgendeine bestimmte Nachbehandlung begrenzt sein sollte, obwohl
ein großer Teil der nachfolgenden Beschreibung die Regeneration
von Partikelfiltern herausstellt, sondern als auf irgendein Brennkraftmaschinensystem
anwendbar zu erachten ist, bei dem das Wärmemanagement
in einem Nachbehandlungssystem oder -prozess erwünscht
ist. Es ist in Erwägung zu ziehen, dass die hierin beschriebenen
Strategien zum Betreiben eines Brennkraftmaschinensystems, insbesondere
für Maschinen wie beispielsweise Teleskoplader geeignet
sind, die einen relativ niedrigen Auslastungsgrad haben. Mit anderen
Worten: Maschinen, wie beispielsweise eine Maschine 10,
mögen für eine relativ große Zeitspanne
in einem niedrigen Teil eines verfügbaren Leistungsausgabebereichs
betrieben werden, beispielsweise in einer unteren Hälfte
eines verfügbaren Leistungsausgabebereichs. Die vorliegende
Offenbarung ist jedoch nicht auf die Verwendung in solchen Maschinen
beschränkt, wie es des Weiteren aus der nachfolgenden Beschreibung
deutlich wird.
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Die
Maschine 10 kann außerdem einen Turbolader 20,
der einen Kompressor 22 mit einem Einlass 23 aufweist,
und eine Turbine 24, die auch einen Einlass 25 aufweist,
enthalten, die über eine Welle 21 miteinander
verbunden sind. In einer Ausführungsform kann die Turbine 24 eine
Turbine mit variabler Geometrie von der Bauart umfassen, die innere
Turbinenschaufeln (nicht gezeigt) aufweist, welche steuerbar verstellbar
sein können, um eine relative Drosselung des Stroms der
durch die Abgasauslassstrecke 34 strömenden Abgase
des Brennkraftmaschinensystems 16 zu verändern.
Turbinen mit variabler Geometrie, die zum Einstellen einer Abgaskanalhöhe oder
-breite bewegbare Wände oder eine bewegbare Platte oder
dergleichen aufweisen, die ebenfalls in dem Kontext der vorliegenden
Offenbarung verwendet werden können, sind bekannt. In anderen
Ausführungsformen könnte anstatt einer Turbine
mit variabler Geometrie irgendeine andere Strömungsdrosselungseinrichtung
verwendet werden, wie beispielsweise eine veränderbare
Sperre oder dergleichen, die innerhalb der Abgasauslassstrecke 34 angeordnet
ist. Die Turbine 24 könnte auch in bestimmten Ausführungsformen
mit einem Bypassventil ausgestattet sein, um zu ermöglichen,
das Abgase die Turbine 24 umgehen. Ein Aktuator 50 kann
mit der Turbine 25 operativ gekoppelt sein, um zu ermöglichen, dass
die Turbine 24 von einem relativ offeneren Zustand in einen
relativ geschlosseneren Zustand oder umgekehrt verstellt werden
kann, um das Ausmaß zu verändern, mit dem der
Abgasstrom hierdurch gedrosselt wird. Fachleute werden verstehen,
dass das Drosseln des Abgasstroms mittels der Turbine 24 die Abgase
unter Druck setzen wird und folglich deren Temperatur erhöhen
wird. Der Aktuator 50 kann über eine Kommunikationsleitung 52 mit
einer elektronischen Steuereinheit 60 gekoppelt sein. In
einer Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit 60 eine
Motorsteuerung für das Brennkraftmaschinensystem 16 umfassen.
In anderen Ausführungsformen kann sie auch eine Steuerung
sein, die von der Motorsteuerung getrennt ist.
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Ein
Brennkraftmaschinensystem 16 kann ferner ein Ansaugluftstromsteuerelement 38 enthalten.
Das Ansaugluftstromsteuerelement 38 kann ein Ventilglied 40 enthalten,
das zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung bewegbar
ist, wodurch ein erster Fluidkanal 36 und ein zweiter Fluidkanal 64 wahlweise
miteinander verbunden werden. Das Ansaugluftstromsteuerelement 38 kann
auch in mehrere, zwischen dessen erster und zweiter Stellung befindliche
Stellungen bewegbar sein, um eine Anzahl von verschiedenen strömungstechnischen Verbindungszuständen
zwischen den Kanälen 36 und 64 zu schaffen.
Zusammen schaffen die Kanäle 36 und 64 eine
strömungstechnische Verbindung von einer Stelle stromabwärts
des Kompressors 22 zu einer Stelle stromaufwärts
des Kompressors 22. Die Wichtigkeit dieses Sachverhalts
wird aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich.
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Die
elektronische Steuereinheit 60 kann zur Steuerung über
eine Kommunikationsleitung 64 mit einem Aktuator 41 in
Verbindung stehen, um das Verstellen des Ventilglieds 40 in
seine verschiedenen Zustände zu ermöglichen und
um die strömungstechnische Verbindung zwischen den Kanälen 36 und 64 zu
steuern. In anderen Ausführungsformen könnte anstatt
einer elektronischen Steuerungsstrategie eine Druckmembrane oder
dergleichen verwendende passive Steuerungsstrategie angewandt werden, um
die Positionierung des Ventilglieds 40 zu steuern. In der
gezeigten Ausführungsform ist das Ansaugluftstromsteuerelement 38 zwischen
dem Kompressor 22 und einem Luft-Luft-Nachkühler 42 angeordnet, der
ebenfalls in der Ansaugluftstrecke 32 angeordnet ist, um
die durch den Kompressor 22 komprimierte Luft zu kühlen.
Stromabwärts des Nachkühlers 42 befindet
sich ein Ansaugsammelrohr 44, das dazu ausgestaltet ist,
in herkömmlicher Weise Luft den Zylindern 46 zuzuführen.
Wie zuvor erwähnt, kann die elektronische Steuereinheit 60 dazu
ausgebildet sein, den Zustand der Turbine 24 mit variabler
Geometrie als auch das Ansaugluftstromsteuerelement 38 und
potenziell andere Komponenten der Maschine 10 zu steuern.
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Die
elektronische Steuereinheit 60 kann einen computerlesbaren
Speicher 62 enthalten, der Programminformationen bzw. Software
zum Ausführen von dessen verschiedenen Steuerfunktionen speichert.
Die elektronische Steuereinheit 60 kann ferner Eingänge
von einer Ausgabeeinrichtung, wie beispielsweise einem Sensor 48, über
eine Kommunikationsleitung 49 empfangen, wobei die Eingänge einen
Ansaugsammelrohrdruck angeben. Die elektronische Steuereinheit 60 kann
ferner Eingänge von einem anderen Sensor 69 über
eine Kommunikationsleitung 66 empfangen, die einen Druckabfall über das
Filter 30 angeben. Von dem Sensor 69 empfangene
Signale können von der elektronischen Steuereinheit 60 dazu
benutzt werden, zu ermitteln, dass ein durch im Filter 30 angesammelte
Partikel bedingter Druckabfall ausreicht, um den Beginn von dessen Regeneration
zu rechtfertigen.
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Es
ist zu berücksichtigen, dass das Erfassen eines Druckabfalls über
das Filter 30 eine praktische Realisierung darstellt, um
zu ermitteln, wann der Beginn der Filterregeneration zweckmäßig
ist. Es sind aber auch Alternativen denkbar, wie beispielsweise das
Regenerieren des Filters 30 zu vorbestimmten Zeitpunkten
oder nach vorbestimmten Betriebsperioden unabhängig vom
Druckverlust. Es könnten auch andere Aspekte des Betriebs
des Brennkraftmaschinensystems 16 überwacht werden,
um indirekt davon abzuleiten, wann die Regeneration des Filters 30 zweckmäßig
ist, wie beispielsweise das Überwachen, wie oft und/oder
für wie lange das Brennkraftmaschinensystem 16 bei
Leerlaufdrehzahl oder niedriger Last etc. betrieben wird, oder wie
oft und/oder für wie lange das Brennkraftmaschinensystem 16 bei einer
vorbestimmten hohen Drehzahl und/oder hohen Last betrieben wird.
Somit ist offensichtlich, dass die vorliegende Offenbarung nicht
auf irgendeine besondere Strategie zum Ermitteln des in Gang Setzens
der Filterregeneration beschränkt ist. Ungeachtet dessen
kann, sobald festgelegt wurde, dass die Filterregeneration zweckmäßig
ist, die elektronische Steuereinheit 60 eine Filterregeneration
gemäß einer einzigartigen Strategie ausführen,
wonach die Abgastemperatur ausgehend von einer Temperatur, die geringer
ist als eine Filterregenerationstemperatur, auf eine Temperatur
erhöht wird, die gleich oder höher ist als eine
Filterregenerationstemperatur, um die Verbrennung von in dem Filter 30 eingefangenen Feststoffe
zu starten. Wie zuvor erwähnt, kann in anderen Ausführungsformen
die Abgastemperatur aus anderen Gründen als zur Filterregeneration
erhöht werden, wie beispielsweise zum Ermöglichen
des Betriebs einer anderen Art von Nachbehandlungseinrichtung. In
einer Ausführungsform könnten vielleicht die Abgastemperaturen
durch steuerbares Drosseln der Abgasströmung stromaufwärts
des Filters 30 durch eine Turbine 24 mit variabler
Geometrie erhöht werden. Insbesondere mag die elektronische
Steuereinheit 60 Signale an den Aktuator 50 zum
Einstellen von Schaufeln, Wänden oder irgendeiner anderen einstellbaren
Strömungsdrosselungsanordnung innerhalb der Turbine 24 ausgeben,
um den Abgasstrom zu drosseln. Fachleute werden leicht erkennen,
dass das Drosseln des Abgasstroms mittels der Turbine 24 stromaufwärts
der Turbine 24 einen Abgasgegendruck erzeugen wird. Die
vorliegende Offenbarung stellt ferner ein Mittel zum gezieltes Reduzieren
des Abgasdrucks stromaufwärts der Turbine 24 bereit,
um eine Beschädigung von Teilen des Brennkraftmaschinensystems 16 zu vermeiden
oder irgendwie sonst den Betrieb des Brennkraftmaschinensystems 16 zu
beeinflussen.
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Während
des steuerbaren Drosselns des Abgasstroms mit der Turbine 24 kann
die elektronische Steuereinheit 60 den Ansaugsammelrohrdruck angebende
Signale empfangen, die mittels des Sensors 48 erzeugt wurden.
Diese Signale bzw. Eingänge können zur Steuerung
des Ansaugluftstromsteuerelementes 38 zur Begrenzung des
Abgasgegendrucks verwendet werden. Es könnte in gleicher
Weise auch ein Abgassammelrohr-Drucksensor eingesetzt werden. Allgemein
wird der Ansaugsammelrohrdruck ansteigen, wenn der Abgasgegendruck stromaufwärts
der Turbine 24 ansteigt. Es besteht wenigstens eine allgemeine
proportionale Beziehung zwischen dem Ansaugsammelrohrdruck und dem Abgasgegendruck
stromaufwärts der Turbine 24. Die elektronische
Steuereinheit 60 kann durch Überwachen des Ansaugsammelrohrdrucks
ermitteln, wann der Abgasgegendruck einen Schwellenwert erreicht oder überschreitet,
dann Steuerbefehle an das Element 38 ausgeben, um selektiv
den Luftstrom zum Brennkraftmaschinensystem 16 einzustellen
und hierdurch den Abgasgegendruck stromaufwärts der Turbine 24 reduziert,
wie es weiter hierin beschrieben ist. Die elektronische Steuereinheit 60 kann
somit dahingehend zu sehen sein, dass sie den Luftstrom zum Brennkraftmaschinensystem 16 in
einer Weise gezielt drosselt, die auf Signale, die mittels des Sensors 48 erzeugt
werden, ansprechbar ist, die den Abgasgegendruck angeben.
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Die
Ausgabeeinrichtung 48 könnte auch eine Einrichtung
umfassen, die Signale ausgibt, welche auf Parametern basieren, die
indirekt den Ansaugsammelrohrdruck angeben und deswegen indirekt den
Abgasgegendruck stromaufwärts der Turbine 24 angeben.
Beispielsweise könnten die Turboladerdrehzahl, die Motordrehzahl,
die Last, die Kraftstoffzuführung, etc. gegenüber
dem Ansaugsammelrohrdruck abgebildet werden und folglich könnten
sie auf den Abgasgegendruck abgebildet werden. Es sollte deswegen
anerkannt werden, dass das Erzeugen eines Signals, das den Abgasgegendruck
angibt, und von der Einheit 60 verwendet wird, um den Abgasdruck
stromaufwärts der Turbine 24 zu drosseln, auf unterschiedliche
Weise stattfinden könnte, anstatt nur durch Ausgeben eines
Signals von einem Drucksensor. Entsprechend könnte die
Einheit 60 oder ein diesbezüglicher Prozessor
in einigen Ausführungsformen angemessen als Ausgabeeinrichtung
erachtet werden, da sie ein Signal erzeugen könnten, das den
Abgasgegendruck basierend auf Kennfeldwerten, Werten, die über
eine Gleichung etc. berechnet wurden, angibt.
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Es
könnten auch Stellungsdaten des Elementes 38 aufgezeichnet
und zu den aufgezeichneten Abgasgegendruckdaten in Bezug gesetzt
werden, beispielsweise Druckdaten, die in einem Labor oder während
des Kalibrierens des Brennkraftmaschinensystem 16 erarbeitet
wurden. Mit anderen Worten: Bei der Inbetriebnahme des Brennkraftmaschinensystem 16 zum
Betreiben desselben könnte das Ansaugluftstromsteuerelement 38 während
des Betriebs des Brennkraftmaschinensystems 16 verändert
werden und die Abgasgegendruckdaten könnten aufgezeichnet
werden, um ein Kennfeld zu ermitteln, das Bedingungen für
den Abgasgegendruck und einer Stellung des Ansaugluftstromsteuerelements 38 oder
einer Position des Aktuators 41 hat. Diese Vorgehensweise
würde das Steuern des Abgasgegendrucks über Steuersignale
zum Element 38 ermöglichen, die erzeugt werden,
ohne dass direkt der Druck irgendwo im Brennkraftmaschinensystem 16 erfasst wird.
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Die
elektronische Steuereinheit 60 wird somit normalerweise,
aber nicht notwendigerweise, den Abgasdruck stromaufwärts
der Turbine 24 in einer Weise drosseln, die auf Signale
vom Sensor 48 reagiert. Wie zuvor erwähnt, kann
die Reduzierung des Abgasdrucks dadurch erzielt werden, dass der
Luftstrom zum Brennkraftmaschinensystem 16 über
das Ansaugluftstromsteuerelement 38 gezielt gedrosselt wird.
Wenn die elektronische Steuereinheit 16 feststellt, dass
der Abgasgegendruck zu hoch ist, könnte sie insbesondere
Steuersignale zu dem Ansaugluftstrornsteuerelement 38 ausgeben,
um das Ventilelement 40 über den Aktuator 41 in
eine Stellung zu bringen, in der die strömungstechnische
Verbindung zwischen dem Kanal 36 und dem Kanal 64 besteht. Infolgedessen
wird durch den Kompressor 22 erzeugte Druckluft von der
Ansaugluftstrecke 32 abgezapft, was zur effektiven Verringerung
des Luftstroms zu den Zylindern 46 führt. Es ist
zu beachten, dass „Ansaugluftstrecke 32” allgemein
Primärlufteinlasskanäle stromaufwärts
des Kompressors 32 und auch stromabwärts des Kompressors 32 zu
Zylinder 46 bezeichnet. Die Kraftstoffeinspritzung in die
Zylinder 46 wird gemäß der Befehligung
durch die elektronische Steuereinheit 60 oder irgendeine
andere Motorsteuerung typischerweise fortgesetzt werden, um dem Brennkraftmaschinensystem 16 basierend
auf der Drehzahl und/oder Last etc. Kraftstoff bereitzustellen. Das
Abzapfen von Luft in der Ansaugluftstrecke 32 mittels des
Ansaugluftstromsteuerelements 38 wird normalerweise zwei
Effekte auf das Brennkraftmaschinensystem 16 haben.
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Zum
einen wird das Reduzieren des Ansaugluftstroms den Luftdruck, der
dem Ansaugsammelrohr 44 zugeführt wird, und folglich
den Zylindern 46, verringern. Diese Verringerung des Luftdrucks
kann den Abgasgegendruck verringern, was durch die Drosselung des
Abgasstroms mittels der Turbine 24 bewirkt wird. Das Abzweigen
von Luft in der Ansaugluftstrecke 32 kann auch den Effekt
haben, dass ein relativ gesehen höheres Kraftstoff-Luft-Verhältnis, das
dem Brennkraftmaschinensystem 16 bereitgestellt wird, erzeugt
wird, was zu einer entsprechenden Temperaturzunahme der der Turbine 24 zugeführten
Abgase führt und ferner dem Filter 30. Mit anderen
Worten: Für eine vorgegebene Kraftstoffenergie wird eine
relativ kleinere Luftmasse eine relativ höhere Temperatur
erreichen als es der Fall sein würde mit einer größeren
Luftmasse.
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Entsprechend
kann durch Steuern des Brennkraftmaschinensystems 16 in
der beschriebenen Weise der Abgasgegendruck, der durch Drosseln
des Abgasstroms mittels der Turbine 24 erzeugt wird, verringert
werden, während die Temperatur der Abgase, die zum Starten
der Verbrennung der Feststoffe in dem Filter 30 zugeführt
wird, tatsächlich beibehalten oder erhöht werden
kann. Mit anderen Worten: Ein problematischer Abgasdruck kann verringert werden,
ohne dass es zu einem ansonsten vielleicht erwarteten Kompromiss
mit reduzierter Abgastemperatur kommt.
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Das
Ansaugluftstromsteuerelement 38 ist als veränderbare
Sperre gezeigt, die so positioniert ist, dass Luft aus der Ansaugluftstrecke 32 abgezweigt wird,
dann stromaufwärts des Kompressors 22 in einem
bereits verdichteten Zustand in die Ansaugluftstrecke 32 zurückgeleitet
wird. Dies ist zwar als eine praktische Realisierung denkbar, jedoch
ist die vorliegende Offenbarung hierauf nicht beschränkt.
In anderen Ausführungsformen könnte die Ansaugluft
irgendwo stromabwärts des Kompressors 22 an verschiedenen
Stellen abgezapft werden und sie könnte auch an anderen
als den gezeigten Stellen innerhalb des Brennkraftmaschinensystems
zurückgeleitet werden, möglicherweise stromabwärts
der Turbine 24 oder auch stromabwärts des Filters 30.
Ansaugluft könnte des Weiteren auch einfach aus der Atmosphäre
abgezapft und ausgestoßen werden oder in irgendein anderes
Untersystem der Maschine 10 abgezweigt oder ausgestoßen
werden, wo Druckluft benötigt wird.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Es
wird nun Bezug genommen auf die 2, in der
ein beispielhaftes Steuerungs- bzw. Regelungsverfahren gemäß der
vorliegenden Offenbarung anhand eines Flussdiagramms 100 gezeigt
ist. Das Verfahren gemäß dem Flussdiagramm 100 beginnt
bei START oder einem Initialisierungsschritt 110. Vom Schritt 110 kann
das Verfahren zum Schritt 120 voranschreiten, bei dem die
elektronische Steuereinheit 60 erfragen kann, ob das Partikelfilter 30 regeneriert
werden muss. In einer keine Filterregeneration darstellenden wärmetechnischen
Anwendung könnte der Schritt 120 die Nachfrage
beinhalten, ob erhöhte Abgastemperaturen stromabwärts
des Motorgehäuses 18 gewünscht sind.
Wenn nicht, kann das Verfahren 100 zum Schritt 125 voranschreiten, bei
dem die elektronische Steuereinheit 60 die Turbine 24 und
das Ansaugluftstromsteuerelement 38 oder die „Kompressorausblasung” für
den regulären Betrieb unverändert lässt.
Und von da kann das Verfahren enden oder für einen Neubeginn
zurück gehen. Wenn das Filter 30 regeneriert werden
muss, kann das Verfahren 100 vom Schritt 120 zum
Schritt 130 voranschreiten, um abzufragen, ob das Brennkraftmaschinensystem 16 derart
betrieben wird, dass eine Regeneration mit dem Betrieb in Konflikt
kommen wird. Mit anderen Worten: Im Schritt 130 wird ermittelt,
ob durch Einleiten der Steuerung der Turbine 24 und/oder
des Elementes 38 zur Regeneration der Betrieb beeinträchtigt
würde, wie es beispielsweise der Fall sein könnte,
wenn das Brennkraftmaschinensystem 16 in einem höheren
Bereich seines Leistungsbereichs betrieben wird und der Abgasstrom gedrosselt
wird oder die Ansaugluftströmung in unerwünschter
Weise reduziert würde. Wenn im Schritt 130 das
Brennkraftmaschinensystem 16 derart betrieben wird, dass
eine Regeneration nicht wünschenswert ist, kann das Verfahren 100 zum
Schritt 135 weitergehen, um damit zu enden, dass die Turbine 24 und
das Element 38 für einen regulären Betrieb in
Ruhe gelassen werden. Das Verfahren 100 kann dann zum Schritt 120 zurückkehren
oder es könnte beendet werden. Wenn die Regeneration des
Filters 30 im Schritt 130 nicht mit dem Betrieb
in Konflikt kommen wird, kann das Steuerungsverfahren zum Schritt 140 voranschreiten,
bei dem die elektronische Steuereinheit 60 Steuerbefehle
an den Aktuator 50 ausgeben kann, um die Schaufeln der
Turbine 24 zu schließen, bewegbare Wände
etc. einzustellen. Das Verfahren kann vom Schritt 140 zum
Schritt 150 voranschreiten, um abzufragen, ob sich die
Schaufeln des Turboladers mit variabler Geometrie in einer geschlossenen
Position oder in einer vorbestimmten, teilweise geschlossenen Position
etc. befinden. Wenn dies nicht der Fall ist, kann das Verfahren
zum Schritt 140 zurückkehren. Wenn dies zutrifft,
kann das Verfahren zum Schritt 160 voranschreiten.
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Im
Schritt 160 kann die elektronische Steuereinheit 60 abfragen,
ob der Abgassammelrohrdruck einen zulässigen Wert überschreitet.
Man wird sich wieder ins Gedächtnis rufen, dass die elektronische Steuereinheit 60 diese
Ermittlung basierend auf den Ansaugsammelrohrdruck angebenden Eingaben
von dem Sensor 48 durchführen kann; es könnten
aber auch andere Strategien angewandt werden. Beispielsweise kann
die elektronische Steuereinheit 60 in dem Speicher 62 abgespeicherte
Motorbetriebsdaten heranziehen, um zu Ermitteln, ob aktuelle Betriebsbedingungen
einem einen zulässigen Wert überschreitenden Abgassammelrohrdruck
entsprechen. So könnten beispielsweise die Motordrehzahl, die
Last, die Kraftstoffeinspritzmenge, die Drehzahl des Turboladers
etc. gegenüber dem Abgassammelrohrdruck abgebildet werden.
Auf diese Weise könnte die elektronische Steuereinheit 60 Eingaben
empfangen, die einigen oder all diesen Parametern entsprechen, und
hierauf basierend ermitteln, ob der Abgassammelrohrdruck wahrscheinlich
einen zulässigen Wert berschreitet.
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Wenn
im Schritt 160 der Abgassammelrohrdruck nicht höher
ist als der zulässige Wert, kann das Verfahren zum Schritt 130 zurückkehren
oder es könnte enden. Wenn im Schritt 160 der
Abgassammelrohrdruck nicht zu hoch ist, kann das Verfahren zum Schritt 170 voranschreiten,
bei dem die elektronische Steuereinheit 60 Steuerbefehle
an das Ansaugluftstromsteuerelement 38 ausgeben wird, um das
Ventilglied 40 einzustellen und somit den Ansaugluftstrom
in das Brennkraftmaschinensystem 16 zu drosseln. Von dem
Schritt 170 kann das Verfahren zum Schritt 180 weitergehen,
bei dem die elektronische Steuereinheit 60 wiederum abfragen
kann, ob der Abgassammelrohrdruck den zulässigen Wert überschreitet.
Wenn dies der Fall ist, kann das Verfahren zum Schritt 170 zurückkehren,
um das Ansaugluftstromsteuerelement 38 wieder zu öffnen, oder
es kann das Ansaugluftstromsteuerelement 38 weiter öffnen.
Es sollte beachtet werden, dass andere Parameter als der Abgasdruck
ein Öffnen bzw. Einstellen des Elements 38 erfordern
können, wie beispielsweise die Turbinendrehzahl. Auf diese
Weise könnte das Ansaugluftstromsteuerelement 38 wiederholt
geöffnet werden, dann könnte es ihm erlaubt werden,
sich zu schließen, oder es könnte inkremental
geöffnet werden, umso stärker, je mehr der Abgassammelrohrdruck
ansteigt. Wenn der Abgassammelrohrdruck den zulässigen
Wert nicht überschreitet, kann das Verfahren vom Schritt 180 zum
Schritt 190 voranschreiten, um zu bestimmen, dass die Turbine 24 und
das Element 38 in Ruhe gelassen werden sollten. Vom Schritt 190 kann
das Verfahren an einem ENDE 200 enden oder zu einem früheren
Teil der Steuerungsschlaufe zurückkehren.
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Die
vorliegende Beschreibung dient lediglich zur Veranschaulichung und
sollte nicht auf irgendeine Weise zur Begrenzung der vorliegenden
Offenbarung interpretiert werden. Somit werden Fachleute erkennen,
dass in den vorliegenden offenbarten Ausführungsformen
verschiedene Modifikationen durchgeführt werden könnten,
ohne dass der vollständige und angemessene Schutzbereich
der vorliegenden Offenbarung verlassen wird. Obwohl die vorliegende Offenbarung
eine primäre Einrichtung zur Regeneration eines Filters
hervorhebt, sollte beispielsweise klar sein, dass die hier offenbarte
Strategie oftmals in Verbindung mit anderen Strategien eingesetzt
werden kann. Viele Brennkraftmaschinensysteme werden zumindest periodisch
bei Temperaturen betrieben, die ausreichend sind, um Abgase mit
einer Temperatur zu erzeugen, die hoch genug ist, um eine Verbrennung
von Feststoffen zu beginnen. Dies wird allgemein als „passive
Regeneration” bezeichnet und kann in manchen Systemen oft
genug auftreten, sodass eine „aktive Regeneration”,
wie sie hierin beispielhaft beschrieben wird, nur selten benutzt
wird und primär als Back-up Strategie nur dann implementiert
wird, nachdem ein zugehöriges Brennkraftmaschinensystem
so betrieben wird, dass eine passive Regeneration nicht auftritt
oder als sehr unwahrscheinlich erachtet wird. Die vorliegende Offenbarung
könnte auch in Systemen implementiert werden, die eine
andere verfügbare aktive Regenerationsstrategie haben,
wie beispielsweise elektrische Heizer etc. Es wird für
Fachleute somit offensichtlich, dass die vorliegende Offenbarung
in Maschinen und Brennkraftmaschinensystemen unabhängig
von deren Verwendung, Auslastungsgrad etc. weithin anwendbar ist.
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden nach einer Überprüfung
der beigefügten Zeichnungen und beigefügten Ansprüche
deutlich.
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Zusammenfassung
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BRENNKRAFTMASCHINENSYSTEM, BETRIEBSVERFAHREN
UND STEUERUNGSSTRATEGIE ZUM WÄRMEMANAGEMENT BEI NACHBEHANDLUNG
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Verfahren
zum Betreiben eines Systems (16) mit Brennkraftmaschine
mit innerer Verbrennung, welches das Hindurchlassen von Abgasen
von der Brennkraftmaschine (18) zu einer Nachbehandlungseinrichtung
(30) wie beispielsweise ein Partikelfilter (30)
bei einer Abgastemperatur, die geringer ist als eine Solltemperatur,
und das Erhöhen einer Temperatur der Abgase, die durch
die Nachbehandlungseinrichtung (30) strömen, auf
die Solltemperatur durch steuerbares Drosseln des Abgasstroms stromaufwärts
des Filters (30) beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet ferner
das Erzeugen eines den Abgasgegendruck angebenden Signals und das
Reduzieren des Abgasdrucks durch gezieltes Reduzieren des Luftstroms
zu der Brennkraftmaschine (18) in Antwort auf das Signal.
Ein System (16) mit Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung
und ein zugehöriges Steuerungssystem (58) beinhalten
eine elektronische Steuereinheit (60), die dazu ausgebildet
ist, eine Temperatur der Abgase, die durch ein Partikelfilter (30)
strömen, über eine verstellbare Strömungsdrosselungseinrichtung
(24) gezielt auf eine Regenerationstemperatur zu erhöhen.
Die elektronische Steuereinheit (60) ist des Weiteren dazu
ausgebildet, den Abgasdruck stromaufwärts der Strömungsdrosselungseinrichtung
(24) zu reduzieren, indem einem Ansaugluftstromsteuerelement
(38) für die Brennkraftmaschine (18)
in Erwiderung auf ein dem Abgasgegendruck entsprechenden Signal
eine Verstellung befehligt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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