AT518258A4 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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AT518258A4 ATA50112/2016A AT501122016A AT518258A4 AT 518258 A4 AT518258 A4 AT 518258A4 AT 501122016 A AT501122016 A AT 501122016A AT 518258 A4 AT518258 A4 AT 518258A4
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlasssystem (3) und einem Auslasssystem (4), insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, wobei ein erster Verdichter (10) über eine Welle vom Abgas und ein zweiter Verdichter (13) elektrisch, mechanisch oder hydraulisch angetrieben wird, wobei der zweite Verdichter (13) und der erste Verdichter (10) nacheinander in einem Einlassstrang (11) des Einlasssystems (3) von Frischluft durchströmt werden. Die Bremsleistung (PB) kann erhöht werden, wenn in zumindest einem Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine (1) der zweite Verdichter (13) aktiviert wird und der Strömungsquerschnitt in zumindest einem Abgasstrang (7) des Auslasssystems (4) - vorzugsweise bis auf einen definierten effektiven Restströmungsquerschnitt (Aeff) -verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, wobei ein erster Verdichter über eine Welle vom Abgas und ein zweiter Verdichter elektrisch, mechanisch oder hydraulisch angetrieben wird, wobei der erste und der zweite Verdichter nacheinander in einem Einlassstrang des Einlasssystems von Frischluft durchströmt werden. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, mit zumindest einem eine -vorzugsweise über eine Turbinenumgehungsleitung umgehbare - Abgasturbine und einen von dieser über eine Welle angetriebenen ersten Verdichter aufweisenden Abgasturbolader, sowie einen elektrisch, mechanisch oder hydraulisch antreibbaren zweiten Verdichter, wobei der erste und der zweite Verdichter nacheinander in einem Einlassstrang des Einlasssystems angeordnet sind.
Schwerlastkraftfahrzeuge sind typischerweise mit Motorbremseinrichtungen ausgestattet, um die Motorbremsleistung bei Bergabfahrten zu erhöhen. Derartige Motorbremseinrichtungen weisen häufig eine Bremsklappe im Abgassystem auf, mit welchem der Abgasgegendruck und damit die Gaswechselarbeit im Motorbremsbetrieb erhöht werden kann.
Aus der EP 2 634 405 Al ist eine Abgas-Motorbremse für eine Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird die Bremskraft durch Erhöhen des internen Abgasdruckes erhöht. Die Brennkraftmaschine weist einen Abgasturbolader auf, dessen Verdichterdrehzahl durch einen Elektromotor erhöht werden kann. Ähnliche Anordnungen sind auch aus der EP 2 634 403 Al und der EP 0 385 622 Al bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Motorbremsleistung bei einer Brennkraftmaschine zu erhöhen.
Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass in zumindest einem Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine der zweite Verdichter aktiviert wird und der Strömungsquerschnitt in zumindest einem Abgasstrang des Auslasssystems -vorzugsweise bis auf einen definierten effektiven Restströmungsquerschnitt -verringert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der effektive Restströmungsquerschnitt nach folgender Gleichung bestimmt wird:
mit
Aeff...effektiver Restströmungsquerschnitt
Dvi....innerer Ventilsitzdurchmesser zumindest eines Auslassventils Nvaive....Anzahl der Auslassventile pro Zylinder NCyi....Anzahl der Zylinder, die mit dem den effektiven Restströmungsquerschnitt aufweisenden Abgasstrang verbunden sind C....Faktor im Bereich von 1% und 12%
Eine weitere Steigerung der Motorbremsleistung lässt sich erzielen, wenn zumindest im Motorbremsbetrieb die Antriebsleistung für den elektrisch angetriebenen zweiten Verdichter direkt von einem Generator, vorzugsweise der Lichtmaschine, der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird.
Im Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine wird günstigerweise ein Brennraumdekompressionsmodus aktiviert, wobei vorzugsweise zur Durchführung der Brennraumdekompression die Steuerzeit zumindest eines Auslassventil pro Zylinder so verstellt wird, dass die von der Brennkraftmaschine im Verdichtungstakt geleistete Arbeit für den folgenden Takt ungenutzt gelassen wird. Dabei wird beispielsweise ein Auslassventil oder ein zusätzliches Ventil am Ende des Verdichtungstaktes geöffnet und damit der - während des Verdichtungstaktes aufgebaute - Druck im Zylinder abgebaut wird. Dies ermöglicht eine weitere Erhöhung des Motorbremsmomentes.
Zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, bei der in zumindest einem Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine der - vorzugsweise über eine Verdichterumgehungsleitung umgehbare - zweite Verdichter aktivierbar ist.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der zweite Verdichter im Einlassstrang des Einlasssystems stromaufwärts des ersten Verdichters angeordnet.
Alternativ dazu ist es aber auch möglich, den zweiten Verdichter stromabwärts des ersten Verdichters im Einlassstrang anzuordnen.
Um den Abgasgegendruck im Auslasssystem im Motorbremsbetrieb zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn im Abgasstrang des Auslasssystems - vorzugsweise stromabwärts der Abgasturbine - zumindest ein Bremsventil angeordnet ist. Das Bremsventil kann dabei in einfacher Weise durch eine Bremsklappe gebildet sein. Alternativ zur Bremsklappe kann auch eine variable Turbinengeometrie der Abgasturbine zur Verstellung des Durchflussquerschnittes verwendet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Figuren dargestellten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 und 3 einen Vergleich der Motorbremsleistungen für verschiedene effektive Restquerschnitte des Bremsventils bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren mit der Motorbremsleistung gemäß dem Stand der Technik und
Fig. 4 das erfindungsgemäße Verfahren in einem Blockdiagramm.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit beispielsweise sechs Zylindern 2, einem Einlasssystem 3 für einen Einlassstrom und einem Auslasssystem 4 für einen Abgasstrom. Stromabwärts eines Abgassammlers 5 ist eine Abgasturbine 8 eines Abgasturboladers 9 angeordnet ist, dessen erster Verdichter 10 im Einlassstrang 11 des Einlasssystems 3 angeordnet ist.
Mit Bezugszeichen 14 ist ein Zwischenkühler des Einlasssystems 3 und mit Bezugszeichen 15 ein Luftfilter bezeichnet.
Zur Erhöhung des Abgasstaudruckes ist im Auslasssystem 4 ein Steuerorgan 16 angeordnet, welches im in Fig.l dargestellten Ausführungsbeispiel als eine stromabwärts der Abgasturbine im Abgasstrang 7 angeordnete Bremsklappe gebildet ist. Alternativ dazu kann das Steuerorgan 16 auch durch eine variable Turbinengeometrie der Abgasturbine 8 gebildet sein.
Im Ausführungsbeispiel ist die Abgasturbine 8 mit einem in einer Turbinenumgehungsleitung 5 angeordneten Umgehungsventil 6 (Wastegate) ausgeführt.
Stromaufwärts des ersten Verdichters 10 ist im Einlassstrang 11 ein elektrisch über einen Elektromotor 12 betriebener zweiter Verdichter 13 angeordnet. Der stromabwärts des Luftfilters 15 angeordnete zweite Verdichter 13 ist über eine zweite Verdichterumgehungsleitung 17, in weicherein Rückschlagventil 18 angeordnet ist, umgehbar.
In dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm sind für verschiedene Motorbremsstrategien SO, SI, S2, S3, S4 unterschiedliche Betriebsparameter wie Bremsleistung PB, Mitteldruck BMEP, Bremsmoment TB und Wärmeeintrag Q in den Zylinderkopf über der Motordrehzahl n aufgetragen. Fig. 3 zeigt ein Kennfeld, in welchem die Druckverhältnisse CPR zwischen erstem Verdichter 10 und zweiten Verdichter 13 über dem korrigierten Luftmassestrom qm aufgetragen ist. In Fig. 2 und 3 ist mit Bezugszeichen SO eine aus dem Stand der Technik bekannte Motorbremsstrategie bezeichnet, bei welchem die Druckerhöhung im Abgasstrang 7 im Motorbremsbetrieb nur übereine großteils geschlossene Bremsklappe erfolgt. SI, S2, S3 und S4 bezeichnen erfindungsgemäße Motorbremsstrategien, bei der mittels des elektrisch angetriebenen zweiten Verdichters 13 der Ladedruck im Einlassstrang erhöht wird und das Bremsventil 16 mit unterschiedlich großen Restquerschnitten geschlossen wird, wobei die Linie S1 für den größten Restquerschnitt und S4 für den geringsten Restquerschnitt steht. Der Restquerschnitt bei S2 ist kleiner als bei Sl, der Restquerschnitt bei S3 ist kleiner als bei S2. Deutlich ist zu erkennen, dass die Bremsleistung PB besser wird, je kleiner der Restquerschnitt des Bremsventils 16 im geschlossenen Zustand ist.
Im Bremsbetrieb wird zunächst das als Bremsklappe ausgeführte Bremsventil 16 geschlossen, wobei ein geringer Restströmungsquerschnitt offen bleibt und sich so ein bestimmter Gasstrom über die Bremsklappe einstellt (üblicherweise Bremshebelstellung „1" im Nutzfahrzeug).
Durch die Aktivierung der Brennraum-Dekompression wird die Motorbremse eingeschaltet (zum Beispiel Bremshebelstellung 2). Als nächster Schritt wird der elektrisch angetrieben zweite Verdichter 13 zugeschaltet und es baut sich Ladedruck im Einlasssystem 3 der Brennkraftmaschine 1 auf. Durch den Ladedruck wird deutlich mehr Bremsleistung erreicht, da mehr Luft in den Brennräumen verdichtet und de-komprimiert wird. Der elektrisch erzeugte Ladedruck ist unabhängig von der Motordrehzahl n und es ergibt sich eine hohe Bremsleistung PB bereits bei geringer Motordrehzahl n.
Da der zweite Verdichter 13 gegen den Restströmungsquerschnitt Aeff in der Bremsklappe fördert, lässt sich der Massenstrom qm durch den Motor geeignet einstellen: Wird der Restströmungsquerschnitt Aeff zu klein ausgeführt, kann der zweite Verdichter 13 zwar hohen Druck aufbauen und hohe Bremsleistung PB wird erreicht, es wird aber zu wenig Luft durch die Brennkraftmaschine 1 gefördert. Da die Bremsenergie in Wärme umgewandelt wird, kann so nicht genügend Wärme abgeführt werden und die Brennkraftmaschine würde thermisch überlastet werden.
Wird der effektive Restströmungsquerschnitt Aeff in der Bremsklappe zu groß ausgeführt oder ist eine zu kleine Bremsklappe in das System integriert, kann der zweite Verdichter 13 aufgrund beschränkter elektrischer Leistung des Bordnetzes nicht genügend Luft in das System fördern bzw. reicht die Kennfeldbreite des zweiten Verdichters 13 nicht aus um den benötigten Bereich abzudecken.
Der effektive Restströmungsquerschnitt Aeff der Bremsklappe kann dabei mit folgender Formel näherungsweise festgelegt werden:
mit
Aeff...effektiver Restströmungsquerschnitt des Bremsventils
Dvi....innerer Ventilsitzdurchmesser der Auslassventile
Nvaive....Anzahl der Auslassventile pro Zylinder
Ncyi....Anzahl der Zylinder, die mit dem Bremsventil verbunden sind C....Faktor im Bereich von 1% und 12%
Der effektive Restströmungsquerschnitt Aeff kann durch ein teilweises gezieltes Öffnen der Bremsklappe oder durch offene Querschnitte in der geschlossenen Bremsklappe (zum Beispiel Bohrungen) erreicht werden.
In Abb. 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Erreichung der gewünschten hohen Bremsleistung in einer Ausführungsvariante am Beispiel einer Regelung über Gastemperatur TA (beispielsweise der Frischluft stromabwärts des zweiten Verdichters 13 im Einlasssystem 3 oder des Abgases im Auslasssystem 4) dargestellt, es ist aber auch die Regelung über andere limitierende Parameter wie zum Beispiel Drehzahl des elektrischen zweiten Verdichters 13 oder Gasdruck im Einlasssystem 3 oder Auslasssystem 4 vorschellbar. Die Regelung kann über Sensoren und Kennfelder in einem Regelkreis an der laufenden Brennkraftmaschine 1 erfolgen. Alternativ dazu kann eine geeignete Auswahl der Auslegungsparameter wie Verdichter-Antriebsleistung und Öffnungsgrad der Bremsklappe während der Konstruktions- und Erprobungsphase der Brennkraftmaschine 1 erfolgen und als feste Geometrie in das Motorkonzept einfließen bzw. als Kennfelder in der Motorsteuerung hinterlegt werden.
Abhängig von der gewünschten Bremsleistung wird im in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die erste Bremsstufe BS1, die zweite Bremsstufe BS2 oder die dritte Bremsstufe BS3 geschalten. In der ersten Bremsstufe BS1 ist das Bremsventil 16 bis auf einen definierten effektiven Restströmungsquerschnitt Aeff geschlossen.
In der zweiten Bremsstufe BS2 wird ein Brennraumdekompressionsmodus aktiviert, wobei beispielsweise zumindest ein Auslassventil pro Zylinder konstant oder zyklisch nahe des oberen Totpunktes der Zündung geöffnet wird. In der dritten Bremsstellung BS3 wird zusätzlich der zweite Verdichter 13 über den Elektromotor 12 angetrieben.
Im Schritt BS4 wird geprüft, ob die Gastemperatur TG einen Maximalwert TGmax überschreitet. Ist dies der Fall („y") so wird der effektive Restströmungsquerschnitt Aeff durch Öffnen des Bremsventils 16 vergrößert. Ist die Gastemperatur TA nicht größer als der definierte Maximalwert TGmax , so wird im Schritt BS5 geprüft, ob die gewünschte Bremsleistung PBs erreicht wird. Ist dies nicht der Fall („n"), so wird die Antriebsleistung des zweiten Verdichters 13 erhöht.
Die Antriebsleistung für den elektrisch angetriebenen zweiten Verdichter 13 kann im Bremsbetrieb direkt von der Lichtmaschine der Brennkraftmaschine 1 erzeugt werden - die benötigte Antriebsleistung der Lichtmaschine erhöht die Bremsleistung der Brennkraftmaschine 11.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlasssystem (3) und einem Auslasssystem (4), insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, wobei ein erster Verdichter (10) über eine Welle vom Abgas und ein zweiter Verdichter (13) elektrisch, mechanisch oder hydraulisch angetrieben wird, wobei der zweite Verdichter (13) und der erste Verdichter (10) nacheinander in einem Einlassstrang (11) des Einlasssystems (3) von Frischluft durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine (1) der zweite Verdichter (13) aktiviert wird und der Strömungsquerschnitt in zumindest einem Abgasstrang (7) des Auslasssystems (4) - vorzugsweise bis auf einen definierten effektiven Restströmungsquerschnitt (Aeff) -verringert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Restströmungsquerschnitt (Aeff) nach folgender Gleichung bestimmt wird: mit
    Aeff...effektiver Restströmungsquerschnitt Dvi....innerer Ventilsitzdurchmesser zumindest eines Auslassventils Nvaive·...Anzahl der Auslassventile pro Zylinder (2) NCyi....Anzahl der Zylinder (2), die mit dem den effektiven Restströmungsquerschnitt (Aeff) aufweisenden Abgasstrang (7) verbunden sind C....Faktor im Bereich von 1% und 12%
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Motorbremsbetrieb die Antriebsleistung für den elektrisch angetriebenen zweiten Verdichter (13) direkt von einem Generator, vorzugsweise der Lichtmaschine, der Brennkraftmaschine (1) bereitgestellt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine (1) ein Brennraumdekompressionsmodus aktiviert wird, wobei vorzugsweise zur Durchführung der Brennraumdekompression die Steuerzeit zumindest eines Auslassventil pro Zylinder (2) verstellt wird.
  5. 5. Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlasssystem (3) und einem Auslasssystem (4), insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, mit zumindest einem eine - vorzugsweise über eine Turbinenumgehungsleitung (5) umgehbare - Abgasturbine (8) und einen von dieser über eine Welle angetriebenen ersten Verdichter (10) aufweisenden Abgasturbolader (9), sowie einen elektrisch, mechanisch oder hydraulisch antreibbaren zweiten Verdichter (13), wobei der zweite Verdichter (13) und der erste Verdichter (10) nacheinander in einem Einlassstrang (11) des Einlasssystems (3) angeordnet sind, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine (1) der - vorzugsweise über eine Verdichterumgehungsleitung (17) umgehbare - zweite Verdichter (13) aktivierbar ist.
  6. 6. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (13) im Einlassstrang (11) des Einlasssystem (3) stromaufwärts des ersten Verdichters (10) angeordnet ist.
  7. 7. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (7) des Auslasssystems (4) - vorzugsweise stromabwärts der Abgasturbine (8), zumindest ein Bremsventil (16) angeordnet ist.
  8. 8. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremsventil (16) durch eine Bremsklappe gebildetes ist.
  9. 9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremsventil (16) im geschlossen Zustand einen effektiven Restströmungsquerschnitt (Aeff) aufweist wobei vorzugsweise der effektive Restströmungsquerschnitt (Aeff) nach folgender Gleichung dimensioniert ist: mit
    Aeff...effektiver Restströmungsquerschnitt des Bremsventils (16) Dvi....innerer Ventilsitzdurchmesser zumindest eines Auslassventils Nvaive....Anzahl der Auslassventile pro Zylinder (2) NCyi....Anzahl der Zylinder (2), die mit dem Bremsventil (16) verbunden sind C....Faktor im Bereich von 1% und 12%
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