DE102011078282A1

DE102011078282A1 - Verfahren zur Steuerung einer Turboladeranordnung eines Verbrennungsmotors sowie Steuerungseinrichtung

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Publication number: DE102011078282A1
Application number: DE102011078282A
Authority: DE
Inventors: Simon Petrovic
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-03
Also published as: US9777653B2; CN102852663B; US20130006494A1; CN102852663A

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Turboladeranordnung (2) eines Verbrennungsmotors (1), wobei die Turboladeranordnung (2) mindestens eine erste Abgasturbine (6) und eine stromabwärts der ersten angeordnete zweite Abgasturbine (10) aufweist und wobei stromabwärts der zweiten Abgasturbine (10) ein Abgasnachbehandlungssystem (15) angeordnet ist, wird in einem Aufwärmmodus mindestens eine Abgasturbine (6, 10) zur Erhöhung einer Eingangstemperatur eines Abgasstroms beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem (15) gesteuerichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Turboladeranordnung eines Verbrennungsmotors sowie eine Steuerungseinrichtung für eine Turboladeranordnung eines Verbrennungsmotors.
Verbrennungsmotoren, insbesondere Diesel- und Ottomotoren, werden in zunehmendem Maße mit Turboladern versehen. Ein Turbolader dient zur Verdichtung der dem Motor zugeführten Luft, wodurch eine Leistungssteigerung erreicht werden kann. Umgekehrt kann eine vorgegebene Leistung durch einen aufgeladenen Motor mit geringerem Hubraum erzielt werden, wodurch eine kleinere und leichtere Ausführung und ein im Kraftstoffverbrauch sparsamerer Antrieb erreicht werden können. Derartige Turbolader werden in der Regel vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben. Hierfür weist der Turbolader eine Turbine auf, die im Abgasstrom angeordnet ist. Die Turbine treibt insbesondere über eine gemeinsame Welle einen Kompressor an, der die Ladeluft des Motors verdichtet.
Eine größere Leistungssteigerung und eine höhere spezifische Leistung des Verbrennungsmotors können durch die Verwendung von zwei Turboladern bei einem Verbrennungsmotor erzielt werden. Die beiden Turbinen können in diesem Fall im Abgasstrom des Verbrennungsmotors nacheinander angeordnet sein, so dass eine der beiden Turbinen in einem Bereich höheren Drucks arbeitet und als Hochdruck-Turbine bezeichnet wird, während die andere Turbine im Bereich niedrigeren Drucks arbeitet und als Niederdruck-Turbine bezeichnet wird. Ebenso können die beiden Kompressoren im Ladeluftstrom nacheinander angeordnet sein. Durch den Einsatz einer Mehrzahl von Turboladern bei einem Verbrennungsmotor ist es auch möglich, ein verbessertes Ansprechverhalten beim Gasgeben zu erzielen.
Eine Turboladeranordnung mit einer Mehrzahl von Turboladern bietet außerdem Vorteile bei einer Abgasrückführung, da die Hochdruck-Turbine einen höheren Abgasstaudruck erzeugt, der eine erhöhte Abgasrückführung ermöglicht; hierdurch ist insbesondere eine Verringerung des Schadstoffausstoßes möglich. Aufgrund der zunehmend strengeren Grenzwerte für den zulässigen Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen spielt auch die Abgasnachbehandlung eine weiter zunehmende Rolle. Ein Abgasnachbehandlungssystem dient insbesondere zur Reduzierung des Ausstoßes von Stickoxiden (NO_x), Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) und kann einen oder mehrere Katalysatoren umfassen, etwa einen Oxidationskatalysator zur Reduktion von HC und CO oder auch LNT-Katalysatoren (Lean NO_x Trap) zur Reduktion von HC und CO sowie zur Umwandlung von NO_x in N₂ und O₂. Dabei können auch Maßnahmen zur Reduktion des Rußgehalts des Abgases getroffen werden. Abgasnachbehandlungssysteme sind in der Regel stromabwärts der Niederdruck-Abgasturbine angeordnet.
Für die Funktion eines Abgasnachbehandlungssystems sollte die Eingangstemperatur, d.h. diejenige Temperatur des Abgases, die dieses vor dem bzw. beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem aufweist, innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen. Insbesondere sollten die Abgase für eine ausreichende Funktion des Abgasnachbehandlungssystems eine Mindest-Eingangstemperatur aufweisen. Da diese Mindesttemperatur nicht zu jedem Zeitpunkt gewährleistet werden kann, ist es bekannt, zur Erhöhung der Eingangstemperatur zusätzlich Kraftstoff einzuspritzen, insbesondere durch eine Nach-Einspritzung, oder den Motor zu drosseln. Diese Maßnahmen führen jedoch zu einer unerwünschten Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung einer Turboladeranordnung eines Verbrennungsmotors sowie eine Steuerungseinrichtung für eine derartige Turboladeranordnung anzugeben, wobei die genannten Nachteile vermieden werden und insbesondere eine schnellere Erreichung eine-r Mindest-Eingangstemperatur eines Abgasnachbehandlungssystems nach einem Kaltstart ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch eine Steuerungseinrichtung wie in den Ansprüchen 1 bzw. 9 angegeben gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung einer Turboladeranordnung eines Verbrennungsmotors bezieht sich auf eine Turboladeranordnung, die mindestens eine erste Abgasturbine und mindestens eine zweite Abgasturbine umfaßt, wobei die zweite Abgasturbine stromabwärts der ersten angeordnet ist, d. h. im Abgasstrom der ersten nachgeschaltet ist. Die erste Abgasturbine ist somit insbesondere als Hochdruck-Abgasturbine und die zweite als Niederdruck-Abgasturbine ausgebildet. Weiterhin ist ein Abgasnachbehandlungssystem vorhanden, das stromabwärts der zweiten Abgasturbine angeordnet ist, d.h. dieser im Abgasstrom wiederum nachgeschaltet ist.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass der Temperaturabfall des Abgasstroms beim Durchlaufen der Abgasturbinen wesentlich zur Verzögerung der Erreichung einer für die Funktion des Abgasnachbehandlungssystems notwendigen Mindesttemperatur des Abgases beiträgt. Durch entsprechende Ansteuerung der Abgasturbinen lässt sich dieser Temperaturabfall verringern.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Aufwärmmodus zur Steuerung der Turboladeranordnung vorgesehen, in welchem mindestens eine Abgasturbine zur Erhöhung einer Eingangstemperatur des Abgases vor dem bzw. beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem gesteuert wird. Im Aufwärmmodus wird die Turboladeranordnung durch entsprechende Ansteuerung der ersten und/oder der zweiten Abgasturbine somit derart gesteuert, dass der Temperaturabfall des Abgasstroms an der betreffenden Abgasturbine verringert und die Temperatur, die das Abgas nach Durchlaufen der betreffenden Abgasturbine aufweist, erhöht wird; insbesondere wird die zweite Abgasturbine, die als Niederdruck-Abgasturbine ausgebildet sein kann, derart gesteuert, dass die Temperatur des Abgases beim Austritt aus der dieser erhöht ist. Hierdurch wird diejenige Temperatur, die das Abgas unmittelbar vor bzw. beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem aufweist, erhöht. Ein derartiger Aufwärmmodus, der auch als Katalysator-Aufwärmmodus oder als Abgasnachbehandlungs-Aufwärmmodus bezeichnet werden kann, kommt insbesondere nach einem Kaltstart zum Einsatz, kann aber auch in anderen Situationen eingesetzt werden, in denen die Eingangstemperatur des Abgases beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem unterhalb einer für die Funktion des Abgasnachbehandlungssystems notwendigen Mindest-Eingangstemperatur liegt.
Dadurch, dass in einem Aufwärmmodus mindestens eine Abgasturbine zur Erhöhung einer Eingangstemperatur des Abgasstroms beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem gesteuert wird, kann eine schnellere Erreichung einer für die Funktion des Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere für die Funktion eines oder mehrerer Katalysatoren, notwendigen Mindest-Eingangstemperatur gewährleistet werden. Hierdurch kann der Schadstoffausstoß eines mit dem Verbrennungsmotor, der Turboladeranordnung und dem Abgasnachbehandlungssystem ausgerüsteten Kraftfahrzeugs insbesondere nach einem Kaltstart verringert werden. Eine Kraftstoffnacheinspritzung oder eine Drosselung des Verbrennungsmotors sind zur Erhöhung der Abgastemperatur in der Regel nicht erforderlich.
Im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, d.h. wenn keine Maßnahmen zur Erhöhung der Temperatur des Abgases beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem notwendig sind, kann die Steuerung der Abgasturbinen in an sich bekannter Weise etwa in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und einer Drehmomentanforderung erfolgen, beispielsweise zur Optimierung der Turbineneffizienz. Hierzu wird exemplarisch auf die nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2010 037 368.0 verwiesen, die durch Bezugnahme in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird. Dabei kann eine Regelung der Turboladeranordnung beispielsweise in Abhängigkeit von einem Ladedruck des Verbrennungsmotors erfolgen, der etwa aufgrund von Drehzahl und Last bzw. Gaspedalstellung als Sollwert vorgegeben sein kann.
Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors wird demgegenüber üblicherweise anderen Gesichtspunkten Priorität eingeräumt, beispielsweise einer Abgasrückführung zur Verringerung des Schadstoffausstoßes; es erfolgt somit zunächst keine Regelung der Turboladeranordnung im Hinblick auf einen Ladedruck. In diesem Fall werden die erste und die zweite Abgasturbine somit nicht im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises geregelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Steuerung zur Erhöhung der Eingangstemperatur des Abgasstroms beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem im Aufwärmmodus durch Aufschaltung einer Störgröße auf ein Steuerungssignal mindestens einer Abgasturbine. Im Aufwärmmodus erfolgt somit keine Regelung durch Rückkopplung (feedback) eines Sensorsignals, sondern es wird derart in die Steuerung mindestens einer Abgasturbine durch Veränderung des Steuerungssignals (feedforward) eingegriffen, dass der Temperaturabfall des Abgasstroms beim Durchlaufen der Abgasturbine verringert und die Austrittstemperatur erhöht wird. Gegenüber einer Steuerung der ersten und/oder der zweiten Abgasturbine aufgrund beispielsweise eines Solldrehmoments bzw. der Gaspedalstellung oder zur Gewährleistung eines gewünschten Abgasrückführungsgrads wird somit die Ansteuerung mindestens einer Abgasturbine in der Richtung verändert, dass die Eingangstemperatur des Abgases vor dem bzw. beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem erhöht ist. Hierdurch wird eine einfache Steuerung ermöglicht, durch die das Verhalten des Verbrennungsmotors, insbesondere das Ansprechen auf eine Veränderung der Gaspedalstellung, nicht wesentlich verändert wird und dennoch eine Verkürzung der Zeitdauer bis zur Erreichung der Mindest-Eingangstemperatur erzielt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der ersten Abgasturbine ein erstes Bypaßventil (Nebenschlußventil) zur Steuerung der ersten Abgasturbine und der zweiten Abgasturbine ein zweites Bypaßventil zur Steuerung der zweiten Abgasturbine zugeordnet; im Aufwärmmodus wird das zweite Bypaßventil und damit die zweite Abgasturbine, die insbesondere die Niederdruck-Abgasturbine darstellt, zur Erhöhung der Eingangstemperatur des Abgases vor dem bzw. beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem angesteuert.
Die Bypaßventile sind an einem zur jeweiligen Abgasturbine parallelen Zweig des Abgassystems angeordnet und ermöglichen eine Umgehung der betreffenden Turbine durch den Abgasstrom. Jedes Bypaßventil kann auch als Ventilanordnung mit einer Mehrzahl einzelner Ventile ausgebildet sein. Das Bypaßventil der zweiten bzw. Niederdruck-Abgasturbine wird auch als "waste gate" bezeichnet. Das erste und das zweite Bypaßventil weisen jeweils zumindest eine offene und eine geschlossene Stellung auf, sind jedoch bevorzugt auch auf eine Mehrzahl von Zwischenstellungen oder auf kontinuierlich wählbare Zwischenstellungen zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand einstellbar. Eine kontinuierliche Einstellbarkeit der Bypaßventile ist für die Ansteuerung zur Erhöhung der Abgastemperatur besonders vorteilhaft. Durch entsprechende Ansteuerung der Bypaßventile wird der zum Antrieb der Abgasturbinen verwendete Teil des Abgasstroms eingestellt. Insbesondere kann bei geschlossenem Bypaßventil die jeweilige Turbine vom gesamten Abgasstrom durchströmt werden, während die Turbine bei teilweise geöffnetem Bypaßventil nur von einem Teilstrom und bei vollständig geöffnetem Bypaßventil nicht mehr oder nur noch von einem sehr geringen Teil des Abgasstroms durchströmt wird. Durch die Stellung eines Bypaßventils kann daher die Drehzahl eines von der betreffenden Abgasturbine angetriebenen Kompressors und damit der Ladedruck des Verbrennungsmotors gesteuert werden. Ferner bestimmt die Stellung des Bypaßventils den Druck- und Temperaturabfall des Abgases beim Durchlaufen der betreffenden Stufe des Abgassystems, wobei sich der Temperaturabfall des gesamten Abgasstroms nach der Einmündung des parallelen Zweigs aus der Mischung beider Teile des Abgasstroms ergibt, nämlich dem Teil des Abgasstroms, der die Turbine selbst durchläuft, mit dem Teil, der die Turbine über den parallelen Zweig durch das Bypaßventil umgeht.
Dadurch, dass die Steuerung der mindestens einen Abgasturbine durch Ansteuerung des betreffenden Bypaßventils erfolgt und dadurch, dass im Aufwärmmodus das zweite Bypaßventil zur Erhöhung der Temperatur des Abgases angesteuert wird, ergibt sich eine besonders einfache und wirksame Möglichkeit zur Erhöhung der Abgastemperatur und zur Verkürzung der Zeit bis zur Erreichung einer Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Funktion des Abgasnachbehandlungssystems.
Insbesondere wird zur Erhöhung der Eingangstemperatur des Abgases vor dem bzw. beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem im Aufwärmmodus das zweite Bypaßventil weiter geöffnet als beispielsweise einer Gaspedalstellung oder einem gewünschten Abgasrückführungsgrad entspricht. Hierdurch wird in jedem Fall eine Erhöhung der Austrittstemperatur des Abgases beim Austritt aus der betreffenden Stufe des Abgassystems und damit der Eintrittstemperatur beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem erzielt. Das zweite Bypaßventil kann beispielsweise vollständig geöffnet werden, um eine besonders wirksame Erhöhung der Eingangstemperatur Abgasstroms beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem zu erreichen.
Weiterhin kann in vorteilhafter Weise im Aufwärmmodus die erste Abgasturbine, die insbesondere als Hochdruckturbine ausgebildet ist, zur Erreichung eines Soll-Ladedrucks des Verbrennungsmotors und/oder, wenn der Verbrennungsmotor über eine Abgasrückführung verfügt, eines Soll-Abgasrückführungsstroms gesteuert werden. Hierfür kann insbesondere das erste Bypaßventil angesteuert werden. Für eine derartige Steuerung ist kein geschlossener Regelkreis erforderlich, vielmehr kann ein entsprechendes Steuerungssignal zur Steuerung der ersten Abgasturbine beispielsweise aufgrund von Drehzahl und Drehmomentanforderung bzw. Gaspedalstellung erzeugt werden, wobei ein rechnerisches Modell des Verbrennungsmotors zugrunde gelegt werden kann. Eine entsprechende Ansteuerung der ersten Abgasturbine bzw. des ersten Bypaßventils kann als Feedforward-Steuerung erfolgen. Hierdurch kann durch eine besonders einfache Steuerung der ersten Abgasturbine ein ausreichendes Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors erzielt werden, selbst wenn die zweite Abgasturbine zur Erhöhung der Abgastemperatur angesteuert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Aufwärmmodus aufgrund eines Kaltstartsignals gestartet. Hierfür kann beispielsweise ein Signal eines Temperatursensors verwendet werden, etwa eines Sensors, der eine Temperatur des Kühlmittels des Verbrennungsmotors mißt. Sofern die Kühlmitteltemperatur unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegt, wird bei einem Starten des Verbrennungsmotors von einem Kaltstart ausgegangen und das Kaltstartsignal ausgelöst. Zusätzlich zur Kühlmitteltemperatur kann auch eine Außentemperatur ermittelt werden und das Kaltstartsignal dann ausgelöst werden, wenn die Differenz zwischen Kühlmitteltemperatur und Außentemperatur unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegt. Hierdurch ist aufgrund des Signals von Sensoren, die in der Regel im Rahmen anderer Systeme und Regelungen vorhanden sind, eine ausreichend genaue Ermittlung von Betriebssituationen des Verbrennungsmotors möglich, in denen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die beschriebenen Maßnahmen zur Erhöhung der Temperatur des Abgases beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem getroffen werden.
Anstelle eines oder mehrerer Temperatursignale oder zusätzlich dazu kann zur Auslösung eines Kaltstartsignals auch die Zeitspanne verwendet werden, die seit dem letzten Betrieb des Verbrennungsmotors vergangen ist. Diese Zeitspanne kann aufgrund von Daten, die innerhalb einer elektronischen Motorsteuerung vorhanden sind, ermittelt und für eine alternative oder zusammen mit einem oder mehreren Temperatursignalen zur noch genaueren Bestimmung einer Kaltstartsituation verwendet werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Aufwärmmodus aufgrund eines Temperatursignals beendet wird. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Aufwärmmodus dann beendet wird und in den Normalbetrieb der Turboladeranordnung übergegangen wird, wenn das Kühlmittel des Verbrennungsmotors eine vorgegebene Temperatur erreicht hat. Hierdurch ist in der Regel eine ausreichend genaue Bestimmung eines Endes einer Warmlaufphase und damit der Erreichung einer Mindest-Eingangstemperatur des Abgases beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem möglich, ohne dass ein zusätzlicher Temperatursensor notwendig ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Temperaturbestimmung kann stattdessen oder zusätzlich ein Signal eines Abgastemperatursensors ausgewertet werden, der zur Bestimmung einer Temperatur des Abgasstroms in vorteilhafter Weise in der Nähe des Eintritts des Abgasstroms in das Abgasnachbehandlungssystem angeordnet sein kann.
Zur Beendigung des Aufwärmmodus kann alternativ oder zusätzlich ein Zeitsignal verwendet werden. Der Aufwärmmodus kann somit beispielsweise nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors, d.h. nach dem Beginn des Aufwärmmodus, beendet werden. Die Zeitspanne kann typischerweise einige Minuten betragen. Hierdurch ist eine besonders einfache und störungssichere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. In besonders vorteilhafter Weise kann es vorgesehen sein, dass der Aufwärmmodus bei Erreichen einer vorgebbaren Mindesttemperatur des Kühlmittels bzw. des Abgases beendet wird, spätestens jedoch nach einer vorgegebenen Zeitspanne. Hierdurch wird ein weiter erhöhtes Maß an Sicherheit bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht.
Eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung für eine Turboladeranordnung eines Verbrennungsmotors weist insbesondere Prozessormittel auf zur Ermittlung und Erzeugung von Steuersignalen zur Steuerung mindestens der ersten und der zweiten Abgasturbine aufgrund von Eingangssignalen, etwa der Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder einer Gaspedalstellung bei einem Kraftfahrzeug. Die Steuerungseinrichtung umfasst entsprechende Eingänge zur Erfassung der Eingangssignale sowie ggf. zur Erfassung der Signale eines oder mehrerer Temperatursensoren, beispielsweise eines Kühlmitteltemperatursensors. Weiterhin umfasst die Steuerungseinrichtung Ausgänge zur Ansteuerung der Abgasturbinen, insbesondere von Bypaßventilen einer Hochdruck- und einer Niederdruckturbine sowie ggf. weiterer Stellelemente der Turboladeranordnung, etwa eines Kompressor-Bypaßventils. Erfindungsgemäß ist die Steuerungseinrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens zur Steuerung der Turboladeranordnung eingerichtet. Die Steuerungseinrichtung kann insbesondere Teil einer elektronischen Motorsteuerung sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Verbrennungsmotors mit einer Turboladeranordnung, und
2 ein Flußdiagramm zum Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß 1 weist ein Verbrennungsmotor 1, der beispielsweise ein Otto- oder ein Dieselmotor sein kann, eine Turboladeranordnung 2 auf, die einen Hochdruck-Turbolader 3 und einen Niederdruck-Turbolader 4 umfaßt. Im Abgassystem 5 des Verbrennungsmotors 1 ist eine Hochdruck-Turbine 6 angeordnet, die über eine Welle 7 einen Hochdruck-Kompressor 8 im Ladeluftsystem 9 des Verbrennungsmotors 1 antreibt. Stromabwärts der Hochdruck-Turbine 6 ist im Abgassystem 5 eine Niederdruck-Turbine 10 angeordnet, die über eine Welle 11 einen Niederdruck-Kompressor 12 antreibt. In der Regel sind Turbine und Kompressor des Hochdruck-Turboladers 3 kleiner dimensioniert als Turbine und Kompressor des Niederdruck-Turboladers 4, wie in 1 angedeutet ist.
Der Hochdruck-Turbine 6 ist ein erstes Bypaßventil 13 (auch als "turbine bypaß valve" bezeichnet, TBV) zugeordnet, durch dessen vollständige bzw. teilweise Öffnung ein Nebenschluß entsteht, durch den der Abgasstrom ganz bzw. teilweise die Hochdruck-Turbine 6 umgeht. Der Antrieb der Hochdruck-Turbine 6 und damit des Hochdruck-Turboladers 3 kann daher über die Stellung des ersten Bypaßventils 13 gesteuert werden. Entsprechend ist der Niederdruck-Turbine 10 ein zweites Bypaßventil 14 ("waste gate", WG) zugeordnet, durch dessen Stellung der Niederdruck-Turbolader 4 gesteuert werden kann.
Stromabwärts der Niederdruck-Stufe der Turboladeranordnung 2, d.h. stromabwärts der Einmündung des parallelen Zweigs mit dem zweiten Bypaßventil 14 (WG) zur Umgehung der Niederdruck-Turbine 10, ist ein Abgasnachbehandlungssystem 15 angeordnet. Dieses kann beispielsweise einen Diesel-Oxidations-Katalysator und/oder einen NO_x-Absorber (Lean NO_x Trap, LNT) und/oder weitere Filter bzw. Katalysatoren enthalten. Der Abgasstrom durchströmt somit zunächst die Hochdruckstufe der Turboladeranordnung 2, d.h. die Hochdruck-Turbine 6 bzw. das erste Bypaßventil 13 (TBV), danach die Niederdruck-Stufe mit der Niederdruck-Turbine 10 bzw. dem zweiten Bypaßventil 14 (WG) und gelangt dann in Richtung des Pfeils in das Abgasnachbehandlungssystem 15. Die Temperatur, mit der der Abgasstrom am Eingang des Abgasnachbehandlungssystems 15 ankommt, ist eine wesentliche Einflußgröße für die Funktion des Abgasnachbehandlungssystems 15, da die Funktion der in diesem enthaltenen Katalysatoren bzw. weiteren Komponenten temperaturabhängig ist. Innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems 15 kann sich die Temperatur des Abgasstroms aufgrund der darin ablaufenden chemischen und physikalischen Vorgänge nochmals verändern. Nach Durchlaufen des Abgasnachbehandlungssystems 15 gelangt der schadstoffreduzierte Abgasstrom in die Umgebungsluft (nicht dargestellt).
Die Ladeluft strömt in Richtung des nach oben gerichteten Pfeils zunächst durch den Niederdruck-Kompressor 12 und kann danach den Hochdruck-Kompressor 8 durchströmen oder diesen über einen durch ein Kompressor-Bypaßventil 16 geöffneten bzw. geschlossenen Nebenschluß umgehen, bevor die Ladeluft durch den optionalen Ladeluftkühler 17 dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird. Der Ladeluftstrom bzw. der Ladedruck kann durch einen in 1 symbolisch dargestellten Sensor 18 gemessen werden. Eine evtl. vorhandene Abgasrückführung ist in 1 nicht dargestellt.
Wie in 2 gezeigt, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bei oder nach einem Start des Verbrennungsmotors zunächst ein Signal eines Kühlmittelsensors dahingehend ausgewertet, ob die Temperatur TCO des Kühlmittels des Verbrennungsmotors unterhalb eines Schwellwerts TCO_S liegt, der derart gewählt ist, dass hierdurch eine Kaltstartsituation bzw. das Ende einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors erkannt werden kann. Liegt die Temperatur TCO unterhalb des Schwellwerts TCO_S, so wird davon ausgegangen, dass ein Kaltstart vorliegt, und es wird ein Aufwärmmodus zur Steuerung der Turboladeranordnung gewählt.
Im Aufwärmmodus wird das erste Bypaßventil 13 (TBV) in einem offenen Regelkreis zur Steuerung des Ladedrucks des Verbrennungsmotors etwa aufgrund der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der beispielsweise durch die Gaspedalstellung bestimmten Drehmomentanforderung bzw. eines Solldrehmoments gesteuert. Das zweite Bypaßventil 14 (WG) wird ebenfalls in einem offenen Regelkreis betrieben und angesteuert, um die Temperatur des Abgasstroms nach dem Austritt aus der Niederdruck-Abgasturbine 10 bzw. dem zweiten Bypaßventil 14 zu erhöhen. Hierzu wird einem Steuersignal, das einer aufgrund anderer Vorgaben, etwa zum Betreiben des Niederdruck-Kompressors 12, ermittelten Einstellung des zweiten Bypaßventils 14 entspricht, eine Störgröße überlagert, die zu einer größeren Öffnung des zweiten Bypaßventils 14 führt. Hierdurch wird der Abgasteilstrom, der durch das zweite Bypaßventil 14 fließt, erhöht und der Temperaturabfall des gesamten Abgasstroms beim Durchlaufen der aus Niederdruck-Abgasturbine 10 und zweitem Bypaßventil 14 bestehenden Niederdruckstufe des Abgassystems 5 verringert. Auf diese Weise kann die Eingangstemperatur des Abgasstroms beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem 15 erhöht werden. Der verringerte Antrieb der Niederdruck-Abgasturbine 10 und die dadurch erniedrigte Wirkung des Niederdruck-Kompressors 12 wirken sich in der Regel nicht wesentlich nachteilig auf das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors 1 aus.
Aufgrund des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 steigt die Temperatur TCO des Kühlmittels allmählich an. Durch eine zyklische Abfrage des Signals des Kühlmittelsensors wird ermittelt, ob die Bedingungen für die Ausführung des Aufwärmmodus weiterhin vorliegen. Wenn die Kühlmitteltemperatur TCO den Schwellwert TCO_S erreicht hat, wird der Aufwärmmodus beendet und zum Normalbetrieb der Turboladeranordnung übergegangen.
Im Normalbetrieb kann beispielsweise auf ein in einer Steuerungseinrichtung hinterlegtes rechnerisches Modell zugegriffen und in Abhängigkeit von Eingangsgrößen, beispielsweise der Motordrehzahl und eines Solldrehmoments, eine optimale Einstellung beider Bypaßventile ermittelt. Dabei kann zusätzlich eine Optimierung durch eine Regelung der Stellung jeweils eines Bypaßventils in einem geschlossenen Regelkreis unter Einbeziehung des Ladedrucks erfolgen. So kann etwa bei niedriger Drehzahl und/oder niedriger Last die Stellung des ersten Bypaßventils des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit vom Ladedruck geregelt werden, während das zweite Bypaßventil bei höherer Drehzahl und/oder höherer Last des Verbrennungsmotors zur Regelung des Ladedrucks dient. Ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung einer Turboladeranordnung ist beispielsweise in der oben erwähnten DE 10 2010 037 368.0 beschrieben. Der Normalbetrieb zur Steuerung der Turboladeranordnung kann bis zu einem Abschalten des Verbrennungsmotors aufrecht erhalten bleiben.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Turboladeranordnung
3: Hochdruck-Turbolader
4: Niederdruck-Turbolader
5: Abgassystem
6: Hochdruck-Abgasturbine
7: Welle
8: Hochdruck-Kompressor
9: Ladeluftsystem
10: Niederdruck-Abgasturbine
11: Welle
12: Niederdruck-Kompressor
13: Bypaßventil
14: Bypaßventil
15: Abgasnachbehandlungssystem
16: Bypaßventil
17: Ladeluftkühler
18: Sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010037368 [0012, 0035]

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Turboladeranordnung (2) eines Verbrennungsmotors (1), wobei die Turboladeranordnung (2) mindestens eine erste Abgasturbine (6) und eine stromabwärts der ersten angeordnete zweite Abgasturbine (10) aufweist und wobei stromabwärts der zweiten Abgasturbine (10) ein Abgasnachbehandlungssystem (15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Aufwärmmodus mindestens eine Abgasturbine (6, 10) zur Erhöhung einer Eingangstemperatur eines Abgasstroms beim Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem (15) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung zur Erhöhung der Eingangstemperatur im Aufwärmmodus durch Aufschaltung einer Störgröße auf ein Steuerungssignal mindestens einer Abgasturbine (6, 10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Abgasturbine (6) ein erstes Bypaßventil (13) zur Steuerung der ersten Abgasturbine (6) und der zweiten Abgasturbine (10) ein zweites Bypaßventil (14) zur Steuerung der zweiten Abgasturbine (10) zugeordnet ist und dass im Aufwärmmodus das zweite Bypaßventil (14) zur Erhöhung der Eingangstemperatur gesteuert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bypaßventil (14) zur Erhöhung der Eingangstemperatur weiter oder vollständig geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufwärmmodus die erste Abgasturbine (6) zur Erreichung eines Soll-Ladedrucks des Verbrennungsmotors (1) und/oder eines Soll-Abgasrückführungsstroms gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufwärmmodus aufgrund eines Kaltstartsignals gestartet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufwärmmodus aufgrund eines Temperatursignals beendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufwärmmodus aufgrund eines Zeitsignals beendet wird.
Steuerungseinrichtung für eine Turboladeranordnung (2) eines Verbrennungsmotors (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.