DE60216714T3

DE60216714T3 - Steuereinrichtung für Kraftfahrzeug-Dieselmotoren

Info

Publication number: DE60216714T3
Application number: DE60216714T
Authority: DE
Inventors: Jacques Portalier; Nathalie Alhinc
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: EP1314875B2; EP1314875B1; ES2276903T3; DE60216714D1; DE60216714T2; FR2832761A1; FR2832761B1; ES2276903T5; EP1314875A1; ATE348255T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors.
Das Dokument DE 19 927 485 A offenbart ein System zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors, der versehen ist mit Mitteln, um in ihn Frischgas anzusaugen, und mit Kraftstoffversorgungsmitteln, die so beschaffen sind, dass sie eine Phase der Einspritzung von Kraftstoff wenigstens in bestimmte Zylinder des Motors während deren Expansionsphase ausführen, dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechend.
Diese Dieselmotoren sind mit Frischgaseinlassmitteln und Kraftstoffversorgungsmitteln versehen.
Die Verwendung von Kraftstoffeinspritzsystemen mit elektronischer Steuerung bei dieser Art von Motoren hat ermöglicht, besondere Betriebsphasen der Versorgungsmittel zu entwickeln, wie beispielsweise Phasen der Einspritzung von Kraftstoff wenigstens in bestimmte Zylinder des Motors während deren Expansionsphase.
So kann von mehreren Einspritzungen Gebrauch gemacht werden, wobei jene, die insbesondere in Verbindung mit in die Abgasleitungen dieser Motoren integrierten und die Schadstoffemission mindernden Mitteln, beispielsweise Partikelfilter, NOx-Fallen usw., verwendet werden, auch ”Nacheinspritzungen” oder ”späte Einspritzungen” genannt werden.
Diese Mittel zur Schadstoffemissionsminderung sind nämlich entwickelt worden, um die mit dem Betrieb dieser Art von Motoren zusammenhängenden Schadstoffemissionen zu reduzieren, indem sie beispielsweise die Partikel auffangen.
Diese Mittel zur Schadstoffemissionsminderung müssen dann periodisch regeneriert werden, und diese Regenerationsphase wird beispielsweise im Fall eines Partikelfilters durch eine Verbrennung der Partikel verwirklicht oder beispielsweise im Fall einer NOx-Falle durch einen Betrieb mit fettem Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
So sind beispielsweise verschiedene Mittel entwickelt worden, um die Verbrennung der in einem Filter aufgefangenen Partikel auszulösen.
Es handelt sich dabei beispielsweise um ein Additiv, das dem Kraftstoff beigemischt werden kann, damit es sich auf diesen Mitteln zur Schadstoffemissionsminderung ablagert, um die Verbrennungstemperatur der Partikel herabzusetzen.
Was die Kraftstoffeinspritzungen während der Expansionsphase der Zylinder des Motors anbelangt, so ermöglichen sie, die Temperatur der Abgase zu erhöhen, um die Temperatur der Partikel bis zu ihrer Verbrennungstemperatur zu erhöhen.
Es versteht sich dann, dass während der Expansionsphase des oder jedes entsprechenden Zylinders, nach der sogenannten Haupteinspritzung, einmal oder mehrmals Kraftstoff eingespritzt wird.
Nun hängt aber die Verbrennung dieses Kraftstoffs, d. h. Zündverzug und verbrannter Anteil, von den Temperatur- und Druckbedingungen ab, die zum Zeitpunkt der Einspritzung in den Zylinder in diesem herrschen.
Da der Kraftstoff nach dem oberen Totpunkt eingespritzt wird, hat der Druck im Zylinder schon deutlich abgenommen, und folglich spielt die Temperatur die Hauptrolle bei dem Verbrennungsprozess.
Die Temperatur (und der Druck) zum Zeitpunkt der Einspritzung des Kraftstoffs hängt ab von:

a) der Anordnung dieser Einspritzung im Motorzyklus (und in Bezug auf weitere Einspritzungen);
b) der Energie, die in dem Gas zu diesem Zeitpunkt vorhanden ist und aus der Verbrennung vorhergehender Einspritzungen stammt: 1) eingespritzte Menge, Anordnung im Zyklus und verbrannter Anteil; 2) Menge des zu Beginn des Zyklus in den Zylinder eingelassenen Frischgases; 3) Temperatur der zu Beginn des Zyklus in den Zylinder eingelassenen Frischgase.

Bei den bisher verwirklichten Steuersystemen werden die Mengen und die Anordnungen der verschiedenen Einspritzungen für Druck- und Temperaturbedingungen am Einlass des Motors, die bei seiner Entwicklung festgehalten werden, eingestellt.
Deshalb sind dann die oben angeführten Bedingungen a) und b)-1 fest.
Diese Mengen und Anordnungen der Mehrfacheinspritzungen sind derart festgelegt, dass bei einer Anforderung durch den Fahrzeugführer, die zwischen Betriebsarten abgegeben wird, das gleiche Motordrehmoment mit und ohne Nacheinspritzung erhalten bleibt.
Unter normalen Fahrbedingungen eines Fahrzeugs werden die Druckbedingungen und vor allem die Temperaturbedingungen am Einlass des Motors durch die äußeren Bedingungen beeinflusst, sodass dadurch der Verbrennungsprozess verschiedener Mengen eingespritzten Kraftstoffs modifiziert wird, was Verbrennungsinstabilitäten, überhöhte Emissionen von Kohlenwasserstoffen, Veränderungen des Drehmoments usw. hervorrufen kann.
In bestimmten Betriebsbereichen des Motors kann dies bis zur Nicht-Verbrennung des nacheingespritzten Kraftstoffs gehen.
Um diese Probleme zu lösen und um den Einfluss der äußeren Bedingungen auf die Verbrennung des in der Expansionsphase der Zylinder eingespritzten Kraftstoffs zu verringern, sind Systeme zur Steuerung der Temperatur der Gase am Einlass des Motors platziert worden, wobei diese Systeme beispielsweise Wärmetauscher und/oder Systeme zur Korrektur von Motorsteuerungen beispielsweise in Abhängigkeit von der Außentemperatur umfassen.
Aber diese Systeme sind verhältnismäßig teuer und können bei der Integration in den Aufbau derzeitiger Fahrzeuge Probleme bereiten.
Außerdem ist es bei sehr niedrigen Motordrehzahlbelastungen auch unter Nenntemperatur- und -druckbedingungen nicht möglich, bei konstantem Drehmoment den nacheingespritzten Kraftstoff ordnungsgemäß zu verbrennen, weil nach der oder den ersten Einspritzungen die Restenergie in den Abgasen zu niedrig ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, diese Probleme zu lösen.
Dazu hat die Erfindung ein System und ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors gemäß Anspruch 1 bzw. 11 zum Gegenstand.
Die Erfindung wird besser verstanden beim Lesen der folgenden Beschreibung, die lediglich beispielhaft gegeben ist und sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht, die ein Übersichtsschema zeigt, das den allgemeinen Aufbau eines Steuersystems gemäß der Erfindung zeigt.
In dieser Figur ist nämlich ein System zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors zu erkennen, bei dem der Motor mit dem allgemeinen Bezugszeichen 1 bezeichnet ist.
Auf herkömmliche Weise sind diesem Motor am Einlass Mittel zum Ansaugen von Frischgas, mit dem allgemeinen Bezugszeichen 2 bezeichnet, und am Auslass Auspuffmittel, mit dem allgemeinen Bezugszeichen 3 bezeichnet, zugeordnet. In diese Auspuffmittel können Mittel zur Schadstoffemissionsminderung, wie beispielsweise ein Partikelfilter, eine NOx-Falle usw., integriert sein.
In dem in dieser Figur veranschaulichten Beispiel ist dem Motor außerdem ein Turbokompressor zugeordnet, mit dem allgemeinen Bezugszeichen 4 bezeichnet, dessen Turbinenteil 5 mit den Auspuffmitteln des Motors verbunden ist und dessen Kompressorteil 6 mit den Mitteln zum Einlassen von Gas in diesen verbunden ist.
Dem Motor sind außerdem Kraftstoffversorgungsmittel zugeordnet, in dieser Figur mit dem allgemeinen Bezugszeichen 7 bezeichnet, die so beschaffen sind, dass sie eine Phase der Einspritzung von Kraftstoff wenigstens in bestimmte Zylinder des Motors während deren Expansionsphase ausführen.
Von dieser Betriebsphase, ”Kraftstoff-Nacheinspritzungsphase” genannt, wird Gebrauch gemacht, wenn beispielsweise eine Regeneration der in die Abgasleitung des Motors integrierten Mittel zur Schadstoffemissionsminderung stattfindet, indem die Temperatur seiner Abgase oder der Kraftstoffanteil im Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht werden.
Falls ein Partikelfilter verwendet wird, kann außerdem dem Kraftstoff ein Additiv beigemischt werden. Dieses Additiv ist dazu bestimmt, sich auf den Mitteln zur Schadstoffemissionsminderung abzulagern, um die Verbrennungstemperatur der darin aufgefangenen Partikel herabzusetzen.
Selbstverständlich können weitere Mittel in Aussicht genommen werden.
Die Mittel zum Ansaugen von Frischgas in den Motor umfassen auf herkömmliche Weise ein System zum Ansaugen von Luft, mit dem allgemeinen Bezugszeichen 8 bezeichnet, ein Ansaugplenum, mit dem allgemeinen Bezugszeichen 9 bezeichnet, und Mittel, die ein Ventil bilden, mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Außerdem können Temperatur- und Gasdrucksensoren am Einlass des Motors vorgesehen sein, ebenso Mittel zum Messen des Massendurchsatzes des eingelassenen Frischgases.
Diese Sensoren sind in der Figur mit dem allgemeinen Bezugszeichen 11 bezeichnet und ermöglichen, an die Informationsverarbeitungsmittel, mit dem allgemeinen Bezugszeichen 12 bezeichnet, Informationen zu liefern, die der Temperatur, dem Druck und dem Durchsatz entsprechen.
Diese Informationsverarbeitungsmittel 12 sind nämlich so beschaffen, dass sie den Betrieb des Turbokompressors, der Kraftstoffversorgungsmittel und der ein Ventil bildenden Mittel vorsteuern, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
Diese Mittel sind nämlich so beschaffen, dass sie die Mittel zum Einlassen von Gas in den Motor vorsteuern, um die in den oder jeden entsprechenden Zylinder eingelassene Gasmasse zu steuern, um die Temperatur in diesem zu steuern und die Verbrennung des während der Expansionsphase in diesen eingespritzten Kraftstoffs zu optimieren.
Dies ermöglicht unter Umständen, keinen Wärmetauscher bei den Mitteln zum Einlassen von Gas in den Motor zu verwenden, was in einer Kostenersparnis und günstigen Bedingungen für eine Integration des Systems in das Fahrzeug Ausdruck findet.
Außerdem ermöglicht dies auch, gegebenenfalls eine stabile Verbrennung des durch ein Mehrfach-Nacheinspritzsystem eingespritzten Kraftstoffs an Betriebspunkten mit sehr niedriger Motorbelastung sicherzustellen.
Zur Steuerung der Temperatur der Gase zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung(en) ist, wie an früherer Stelle angegeben wurde, die Informationsverarbeitungseinheit 12 so beschaffen, dass sie die Einlassmittel vorsteuert, um die Masse des in den entsprechenden Zylinder eingelassenen Gases zu steuern.
Für gegebene Einspritzungsmengen und -anordnungen ist nämlich die Energie, die zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung zur Verfügung steht, um die gewünschte Temperatur zu erzeugen, gleich.
Die Temperatur der Gase zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung hängt dann von der Temperatur und der zu Beginn des Zyklus in den Zylinder eingelassenen Gasmasse ab.
So kann, um diese Temperatur zu erhöhen, beispielsweise entschieden werden, die Masse des eingelassenen Gases bei einer sehr niedrigen Belastung und/oder bei frostiger Umgebung des Fahrzeugs zu reduzieren, wobei der Turbokompressor verwendet wird.
So kann die Entladung des Turbokompressors über seinen Solldruck vorgesteuert werden.
Falls diese Steuerung nicht ausreicht, kann auch eine Steuerung der ein Ventil bildenden Mittel 10 am Einlass des Motors verwendet werden, um eine Minderung des Drucks der Gase am Einlass des Letzteren in dem Fall sicherzustellen, in dem die erste Einwirkung auf den Turbokompressor nicht ausreichend ist.
Außerdem kann, um die Temperatur der Gase im Zylinder zu verringern, die Masse der eingelassenen Gase vergrößert werden, indem beispielsweise in gegenteiliger Weise auf die oben angeführten Stellglieder eingewirkt wird.
So kann für gegebene Anordnungen und Mengen eingespritzten Kraftstoffs die Masse des eingelassenen Gases in Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen oder von der Temperatur am Einlass des Motors eingestellt werden, um zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung(en) ein vorgegebenes Temperaturniveau zu halten, wodurch es möglich ist, die Verbrennung im Zylinder zu optimieren.
Bei dem anhand der Figur beschriebenen Beispiel lässt sich feststellen, dass die Informationsverarbeitungseinheit 12 so beschaffen ist, dass sie den Turbokompressor und die ein Ventil bildenden Mittel vorsteuert.
Diese Informationsverarbeitungseinheit kann von einem Gastemperatursensor am Einlass des Motors, von einem Gasdrucksensor am Einlass des Motors und/oder von einem Massendurchsatzsensor für das eingelassene Frischgas, der beispielsweise auf der Einlassseite des Turbokompressors angeordnet ist, Informationen empfangen.
Folglich kann die Informationsverarbeitungseinheit 12 so beschaffen sein, dass sie für einen gegebenen Betriebspunkt des Motors, im laufenden Betrieb und unter Last, die Temperatur der Gase am Einlass des Motors, wie gemessen, mit einem Temperatur-Nennwert zum Nachstellen des Nacheinspritzsystems vergleicht.
Diese Verarbeitungseinheit ist so beschaffen, dass sie je nach der entsprechenden Temperaturabweichung eine Korrektur, die beispielsweise kartiert ist, für die Entladung oder den Ladedruck bestimmt, um in der Reihenfolge der Prioritäten

1) die Entladung der Turbine des Kompressors; und
2) die ein Ventil bildenden Mittel, zu steuern, um den neuen Sollwert zu erreichen.

Selbstverständlich können weitere Ausführungsformen in Aussicht genommen werden, und die Temperatur am Einlass des Motors kann mittels eines Temperaturschätzmodells anhand der Temperatur in der Umgebung des Fahrzeugs bestimmt werden.
Außerdem können Luftdruckschwankungen berücksichtigt werden.
Selbstverständlich können andere Anordnungen vorgesehen werden.

Claims

Steuersystem für die Funktion eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors, der versehen ist mit Mitteln (2), um in ihn Frischgas anzusaugen, und mit Kraftstoffversorgungsmitteln (7), die so beschaffen sind, dass sie eine Phase der Einspritzung von Kraftstoff wenigstens in bestimmte Zylinder des Motors während deren Expansionsphase ausführen, dadurch gekennzeichnet, dass es Vorsteuermittel (12) für die Gaseinlassmittel (2) umfasst, dergestalt, dass, für gegebene Positionen und eingespritzte Kraftstoffmengen, die in den oder jeden entsprechenden Zylinder eingelassene Gasmasse in Abhängigkeit von der Temperatur am Einlass des Motors eingestellt wird, um zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung(en) ein gegebenes Temperaturniveau aufrechtzuerhalten und um die Verbrennung des in ihn eingespritzten Kraftstoffs in dieser Expansionsphase zu optimieren.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassmittel (2) einen Turbokompressor (4) umfassen, dessen Funktionsweise durch die Vorsteuermittel (12) gesteuert wird, um die eingelassene Gasmasse zu steuern.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuermittel so beschaffen sind, dass sie die Entladung des Turbokompressors mittels dessen Solldrucks steuern.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassmittel (2) Mittel umfassen, die ein Gaseinlassventil (10) bilden, dessen Funktion durch die Vorsteuermittel (12) gesteuert wird, um die eingelassene Gasmasse zu steuern.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Vorsteuermitteln (12) Mittel zum Messen der Temperatur der in den Motor eingelassenen Gase zugeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Vorsteuermitteln (12) Mittel zum Messen des Drucks der in den Motor eingelassenen Gase zugeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Vorsteuermitteln (12) Mittel zum Messen des Massendurchsatzes der in den Motor eingelassenen Gase zugeordnet sind.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Massendurchsatz-Messmittel für die in den Motor eingelassenen Gase auf der Einlassseite des Turbokompressors angeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuermittel (12) so beschaffen sind, dass sie für einen gegebenen Betriebspunkt des Motors im laufenden Betrieb und unter Last die Temperatur der Gase am Einlass des Motors mit einem Nennwert vergleichen, um daraus einen entsprechenden Abstand der Temperatur zu bestimmen und um eine Vorsteuerkorrektur für die Mittel (2) zum Einlassen von Gas in den Motor berechnen.
System nach den Ansprüchen 2 oder 3 und 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuermittel (12) so beschaffen sind, dass sie in der Reihenfolge der Prioritäten steuern: – die Entladung der Turbine des Turbokompressors (4) und – die das Einlassventil (10) bildenden Mittel.
Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors, der versehen ist mit Mitteln (2), um in ihn Frischgas einzulassen, und mit Mitteln (7) für die Versorgung mit Kraftstoff, um eine Phase der Nacheinspritzung von Kraftstoff wenigstens in bestimmte Zylinder des Motors während deren Expansionsphase auszuführen, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Vorsteuerns der Gaseinlassmittel umfasst, dergestalt, dass, für gegebene Positionen und eingespritzte Kraftstoffmengen, die in den oder jeden entsprechenden Zylinder eingelassene Gasmasse in Abhängigkeit von der Temperatur am Einlass des Motors eingestellt wird, um zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung(en) ein gegebenes Temperaturniveau aufrechtzuerhalten und um die Verbrennung von in ihn eingespritzten Kraftstoffs in dieser Expansionsphase zu optimieren.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorsteuerns der Gaseinlassmittel einen Schritt des Vorsteuerns der Funktion eines dem Motor zugeordneten Turbokompressors (4) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorsteuerns der Funktion des Turbokompressors einen Schritt des Vorsteuerns seiner Entladung mittels seines Solldrucks umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorsteuerns der Gaseinlassmittel einen Schritt des Vorsteuerns von Mitteln, die ein Ventil (10) zum Einlassen von Gas in den Motor bilden, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerschritt einen Schritt umfasst, bei dem die Temperatur der Gase am Einlass des Motors für einen gegebenen Betriebspunkt des Motors im laufenden Betrieb und unter Last mit einem Nennwert verglichen werden, um daraus einen entsprechenden Abstand der Temperatur zu bestimmen, und einen Schritt des Berechnens einer Korrektur der Vorsteuerung der Mittel zum Einlassen von Gas in den Motor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerschritt darin besteht, in der Reihenfolge der Prioritäten die Entladung der Turbine des Turbokompressors vorzusteuern und dann die das Einlassventil bildenden Mittel vorzusteuern.