CN105649758A - 用于运行机动车的电马达辅助的废气涡轮增压器的方法和装置 - Google Patents

用于运行机动车的电马达辅助的废气涡轮增压器的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于运行机动车的电马达辅助的废气涡轮增压器的方法和装置。该装置包括带第一电机的废气涡轮增压器。该装置还包括低压车载网络，其中设置有可马达式和发电机式运行的以传递扭矩的方式而与曲轴可或已联接的第二电机和对布置在低压车载网络中的电气负载进行供给的蓄电器。该装置还包括控制设备，其设置用于在第一运行模式中操控第一电机以便电马达辅助地驱动废气涡轮增压器，和在第二运行模式中操控第一电机以便通过发电机式运行由废气能量中再生电能。控制设备设置用于在第一运行模式中将来自机动车的低压车载网络的电能输送给废气涡轮增压器，且在第二运行模式中将由废气涡轮增压器再生的电能无预先暂存地输入到低压车载网络中。

Description

用于运行机动车的电马达辅助的废气涡轮增压器的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于运行电马达辅助的(elektromotorisch unterstützte)废气涡轮增压器的方法。此外，本发明涉及一种根据权利要求8的前序部分的用于运行电马达辅助的废气涡轮增压器的装置。
背景技术
由实践已知，废气涡轮增压器可实施成电马达辅助的废气涡轮增压器。在此设置有用于废气涡轮增压器的驱动或者驱动辅助(Antriebsunterstützung)的额外的电马达(Elektromotor)，其以传递扭矩的方式而与废气涡轮增压器的驱动轴可联接或者已联接。利用此类额外的电马达，内燃机的增压过程可临时地被辅助。该基本构思在于，转子的对延迟的响应负责的加速被与热力学依赖性解耦且转速增加主要经由电马达来完成。因此，涡轮增压器转速在很大程度上不依赖于曲轴转速。
此外，关于混合传动链作如下建议，即，废气涡轮增压器的电马达用于在带有充足废气能量的运行状态中通过电马达的发电机式运行而再生(rekuperieren)一部分废气能量且此外再生的能量被存储在用于车辆的电马达式驱动的高电压蓄电器中。在杂志“MTZ-马达技术杂志”的3/2014期的第50-55页中的文章“带有新型电马达技术的混合涡轮增压器”中同样作如下建议，即，废气涡轮增压器的电马达用于在带有充足废气能量的运行状态中通过电马达的发电机式运行而再生一部分废气能量且为此提供额外的蓄电器，以便于容纳再生的能量。此外描述了一种可马达式和发电机式运行的废气涡轮增压器的示例性的实现方案。
用于借助于电马达辅助的废气涡轮增压器的能量再生的上述方式的缺点是，这些方式然而不可被应用到纯发动机驱动的(verbrennungsmotorisch angetriebene)机动车上或要求提供额外的蓄能器。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种用于运行电马达辅助的废气涡轮增压器的改善的方法和装置，以其可避免常规技术的缺点。本发明的目的尤其在于，提供一种用于电马达辅助的废气涡轮增压器的运行方法，利用其在带有充足废气能量的运行状态中通过电马达的发电机式运行可再生一部分废气能量且其在纯发动机驱动的机动车的情形中、也就是说在不带有混合传动链的车辆的情形中同样可以较简单且较节省成本的设计方案而被应用。
这些目的通过一种带有主权利要求的特征的方法来实现。此外，这些目的通过一种带有并列权利要求的特征的装置来实现。本发明的有利的实施方式和应用是从属权利要求的对象且在下面的说明中在部分参照附图的情形下作进一步说明。
根据本发明建议了一种用于运行机动车、尤其商用车的电马达辅助的废气涡轮增压器的方法，其包括在其中废气涡轮增压器电马达辅助地被驱动的第一运行模式，和在其中废气涡轮增压器由废气能量中再生电能的第二运行模式。机动车优选是不带有混合驱动装置的发动机驱动的机动车或是轻度混合动力车辆(Mildhybridfahrzeug)，在其中电机在马达式运行中可辅助发动机以用于功率提升且用于消耗降低且在电机的发电机式运行中可部分回收制动能量。
根据本发明的总的观点，在第一运行模式中电能由机动车的低压车载网络(Niederspannungsbordnetz，或称低压汽车电路)输送给废气涡轮增压器，而在第二运行模式中由废气涡轮增压器再生的电能在无预先暂存的情形中(ohne vorherige Zwischenspeicherung)被输入到低压车载网络中。
本发明于是包括如下总的技术教导，即，机动车的现有的常规的低压车载网络被用于提供用于废气涡轮增压器的电能且被用于容纳废气涡轮增压器的再生的电能，从而不连结额外的带有电气的高电压蓄存器的高压网络或其它额外的蓄电器。低压车载网络(也被称作低电压或NV车载网络)被理解为机动车的常规的小电压车载网络，其以直至60V的额定电压来运行，例如以用于轿车的12V的、用于商用车的24V的或用于电动车或混合动力车辆的48V的额定电压。借助于废气涡轮增压器的电马达式驱动的废气能量的部分再生降低了燃料消耗且因此降低了机动车的CO2排放。
根据本发明的实现方案的一种可行性方案作如下设置，即，由废气涡轮增压器再生的电能被输送给在低压车载网络中存在的蓄电器，低压车载网络的电气负载经由其而被供给和/或可被供给。该蓄电器优选是起动机电池(Starterbatterie)。这提供了如下优点，即，不需要额外的用于容纳再生能量的蓄能器，而是可动用已经存在的。
此外，由废气涡轮增压器再生的电能可被输送给在低压车载网络中存在的、可电马达式和发电机式运行的、以传递扭矩的方式而与曲轴可联接或者已联接的电机，以便于电马达式地运行该电机。其可例如为交流发电机(Lichtmaschine)。根据该变体方案，交流发电机因此这样地实施且这样地由控制设备操控，即，其不仅以常规方式而发电机式地由内燃机驱动，而且可电马达式地运行。根据另一变体方案，可电马达式和发电机式运行的电机可以是曲轴起动机发电机(Kurbelwellenstartergenerator)。
根据本发明的实现方案的一种可行性方案作如下设置，即，在机动车的内燃机的满负荷或高负荷运行中废气涡轮增压器以第二运行模式运行且电机、优选交流发电机利用再生的能量来运行。
这些变体方案提供了如下特别的优点，即，常规的发动机在与电马达辅助的废气涡轮增压器的组合中作为微型混合布置起作用，因为回收的废气能量可被转换成电能并在无暂存且无高电压系统的情形中被直接输送给发动机传动链的现有电机并且被用于内燃机的功率提升和消耗降低。
此外，该方法可如此来实施，即，废气涡轮增压器在第二运行模式中在蓄电器充电的情形中辅助交流发电机或曲轴起动机发电机(优选在蓄电器的充电状态(Ladezustand)下降到预先确定的阈值之下时)。因此，例如在已放电的(entladenen)起动机电池的情形中由废气涡轮增压器再生的能量可被直接输送给起动机电池。
此外，该方法可如此来实施，即，在内燃机的瞬态运行状态(transiente Betriebszustände)中废气涡轮增压器以第一运行模式也就是说电马达辅助地运行，其中，用于废气涡轮增压器的电马达式运行的能量仅由车辆的低压车载网络、例如由车辆的起动机电池输送给该废气涡轮增压器。瞬态运行状态是不稳定的运行状态，例如启动过程或换挡过程(Schaltvorgang)，在其中被输送给废气涡轮增压器的涡轮机的废气能量/量剧烈波动。因此，废气涡轮增压器的电马达在这些瞬态运行状态中通过马达式运行(“Boost”-运行)利用来自低压车载网络的电能来补偿废气能量/量中的波动。
在部分负荷运行和/或惯性运行中，废气涡轮增压器的电机可依赖于设计方案、例如依赖于另外的运行参数(例如增压压力)而可选地作为马达或发电机(Generator)来运行。因为在这些运行状态中无充足可再生的废气能量可供使用，所以该方法如此来实施，即，车辆电池仅通过交流发电机来充电。
本发明的另一方面涉及一种用于运行机动车、尤其商用车的电马达辅助的废气涡轮增压器的装置。该装置包括带有经由驱动轴而运动联接的废气涡轮机和压缩机的废气涡轮增压器。废气涡轮增压器被电马达式地辅助且为此具有可马达式和发电机式运行的第一电机，其以传递扭矩的方式而与废气涡轮增压器的驱动轴可联接或者已联接且设置用于废气涡轮增压器的驱动或者驱动辅助。此外，该装置包括低压车载网络，在其中设置有可马达式和发电机式运行的、以传递扭矩的方式而与曲轴可联接或者已联接的第二电机和用于对布置在低压车载网络中的电气负载进行供给的蓄电器。此外，该装置包括控制设备，其设置用于在第一运行模式中操控废气涡轮增压器的第一电机，以便于电马达辅助地驱动废气涡轮增压器，而在第二运行模式中操控第一电机，以便于通过发电机式运行由废气能量中再生电能。该装置可以是纯发动机驱动的商用车或带有轻度混合驱动装置的商用车。
根据本发明的总的观点，该控制设备此外设置用于在第一运行模式中将来自机动车的低压车载网络的电能输送给废气涡轮增压器，而在第二运行模式中将由废气涡轮增压器再生的电能在无预先暂存的情形中输入到低压车载网络中。此外，控制设备设置用于如先前所公开的那样地执行该方法。为了避免重复，纯粹根据方法而公开的特征同样视作根据装置而公开且可被要求保护。
此外应提及，代替电马达式的废气涡轮增压器，同样可使用电气涡轮复合(ETC)作为废气能量回收设备，其再生的电能以类似的方式被输送给低压车载网络。电气涡轮复合(ETC)包括与发电机联接的废气涡轮机。备选地，还可使用所谓的废热再生系统(WHR系统)以用于再生。WHR系统包括热交换器，在其中借助于废气的热量使水或其它液体蒸发。该蒸汽然后驱动提供电流的涡轮机。
附图说明
本发明的先前所描述的优选的实施方式和特征可彼此任意地组合。本发明的另外的细节和优点在下面在参照附图的情形下进行说明。其中：
图1 显示了根据本发明的一种实施方式的用于运行电马达辅助的废气涡轮增压器的装置的示意性的方框图；
图2 显示了根据本发明的一种实施方式的用于运行电马达辅助的废气涡轮增压器的方法的流程图；且
图3 显示了用于图解说明满负荷和高负荷运行状态的马达运行特征曲线族。
附图标记列表
1 控制设备
2 内燃机
3 交流发电机
4 皮带传动装置
5 起动机电池
6a 涡轮机入口
6b 涡轮机出口
7a 压缩机出口或者增压空气管道
7b 压缩机入口
8 增压空气冷却器
9 电导线
10 废气涡轮增压器
11 压缩机
12 涡轮机
13 驱动轴
14 电机
15 电导线
30 高负荷运行
31 马达运行特征曲线族的满负荷界限曲线
32 主行驶区域。
具体实施方式
在图1中，以方框图形式显示了一种根据本发明的一种实施方式的用于运行电马达辅助的废气涡轮增压器的装置。在此仅示出了那些对于本发明的理解而言必要的部件。该装置包括经增压的内燃机2和与其相关联的电马达辅助的废气涡轮增压器(ATL)10。电马达辅助的废气涡轮增压器10包括涡轮机12，其由经由废气管道6a而输送给涡轮机的内燃机2的废气来驱动。然后，废气混合物经由涡轮机出口6b流出到排气装置中。涡轮机12通过轴13与压缩机11相连接。经由压缩机入口7b将新鲜空气输送给该压缩机。压缩机11将待输送给内燃机2的增压空气(Ladeluft)压缩且由此提升内燃机2的功率(Leistung)。通过压缩机11而被压缩的增压空气经由增压空气管道7a而输送给增压空气冷却器8且接着被输入到内燃机2中。
ATL10实施成电马达辅助的废气涡轮增压器。为此，ATL10设有可马达式和发电机式运行的电机14，其以传递扭矩的方式与驱动轴13可联接或者已联接且设置用于废气涡轮增压器的其它部件11至13的驱动或者驱动辅助。
电马达14的马达式和发电机式的运行由控制设备1控制。此外，控制设备1设置用于控制布置在车辆的24V低压车载网络中的交流发电机3的运行。交流发电机3以传递扭矩的方式而与曲轴可联接或者已联接，在此例如经由皮带传动装置4。控制设备1尤其设置用于可选地马达式或发电机式地运行交流发电机3，其中，交流发电机3在常规的发电机式运行中由内燃机2驱动。在此，所产生的电流可被输送给布置在低压车载网络中的起动机电池(Starterbatterie)5，这通过电导线15示出。在低压车载网络中的另外的电气负载(未相应示出)可以已知的方式由交流发电机3和起动机电池5来供电。此外，在发电机式运行中产生的电流可经由控制设备1而被输送给ATL10的电机14，以用于使其马达式地运行，这通过电导线9来图解说明。
根据本发明的教导的特点在于，交流发电机3同样可由控制设备1马达式地运行。在该运行模式中，由ATL10的电机14产生的电能(当其在再生运行中运行时)被输送给交流发电机3。视ATL10的运行模式(也就是说发电机式或马达式)而定，在ATL10的电机14与交流发电机3之间的能量传输的方向发生变化，这通过双箭头9示出。
此外, 控制设备1设置用于在需要时同样可在ATL10的电机14与起动机电池5之间双向传输能量，例如用于在已放电的起动机电池5的情形中在其充电过程中辅助交流发电机3。
为了操控ATL10的电机14在程序技术上和/或借助于控制电子装置而被设置的控制设备1针对从ATL10到低压车载网络和从低压车载网络到ATL10的电能传输而包括功率电子装置(Leistungselektronik)，其经由上述电气连接导线9与ATL10的电机14、交流发电机3和起动机电池5相连接。
图2显示了根据本发明的一种实施方式的用于运行ATL10的方法的流程图。在步骤S1中，控制设备1连续地确定车辆的当前运行状态。当前的运行状态可例如依据内燃机2的当前的转速、当前所要求的马达力矩和/或当前的增压压力来确定。
依赖于所确定的运行状态，在步骤S2中由控制设备决定以哪种运行模式运行ATL10的电机14。
如果车辆处在满负荷或高负荷运行中，那么控制设备1在步骤S4中如此地操控电机14，即，使得其发电机式地运行且ATL10在再生运行中运行。在满负荷或高负荷运行中的运行状态例如是在图3中由以附图标记30标明的线所圈出的那些运行点。在此，图3显示了马达运行特征曲线族，其以依赖于马达转速的当前的扭矩的形式来说明马达运行状态。在此，实线31说明了在满负荷的情形中的界限曲线，也就是在满负荷的情形中在内燃机2的给定的马达转速下内燃机2的最大可能的扭矩。此外，在图3中通过圆圈线32标明在时间上经常出现的主行驶区域。在此，取决于设计和运行而同样可行的是，即使利用比满负荷更小的功率也进行再生。通常的设计目的是马达运行特征曲线族中的再生区域的尽可能宽的扩展。部分负荷再生同样可，在考虑马达参数的情形下，通过马达处的调节器(废气再循环、可变的涡轮机几何形状、废气门)来强制进行。
如先前已提及的那样，由ATL10再生的能量直接地在无暂存器的情形中经由控制设备的功率电子装置而输送给低压车载网络，例如用于电马达式地运行交流发电机3，由此，可辅助内燃机2。
如果内燃机2的瞬态运行状态被确认(例如起动过程或换挡过程)，那么废气涡轮增压器电马达辅助地运行(步骤S3)。控制设备1仅从车辆的低压车载网络中(例如由车辆的起动机电池5或交流发电机3)提供对此而言必要的电能。
在部分负荷运行和/或惯性运行中，废气涡轮增压器10的电机14可取决于设计而可选地作为马达(步骤S3)、作为发电机(步骤S4)或中性地、也就是说在没有被输送的能量且没有被取出的能量的情形下、(步骤S5)运行。
如果在步骤S2中还确认，起动机电池已被放电或其充电状态下降到预先确定的阈值之下，则控制设备1在再生运行中将由ATL10再生的电能直接输送给起动机电池5，以便于在起动机电池5的充电中辅助交流发电机3。
本发明不局限于先前所描述的优选的实施例。相反，大量的变体方案和变换方案是可行的，其同样使用该发明构思且因此落入保护范围。尤其地，本发明同样要求对于不依赖于所引用的权利要求的从属权利要求的特征和对象的保护。

Claims (10)

1. 一种用于运行机动车、尤其商用车的电马达辅助的废气涡轮增压器(10)的方法，其包括第一运行模式(S3)，在第一运行模式(S3)中所述废气涡轮增压器(10)电马达辅助地被驱动，和第二运行模式(S4)，在第二运行模式(S4)中所述废气涡轮增压器(10)由废气能量中再生电能，其特征在于，在所述第一运行模式(S3)中将电能由所述机动车的低压车载网络输送给所述废气涡轮增压器(10)，而在所述第二运行模式(S4)中由所述废气涡轮增压器(10)再生的电能被无预先暂存地输入到所述低压车载网络中。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述废气涡轮增压器(10)再生的电能
a) 被输送给在所述低压车载网络中存在的蓄电器(5)，经由蓄电器(5)能够对所述低压车载网络的电气负载进行供给，其中，所述蓄电器优选是起动机电池；和/或
b) 被输送给在所述低压车载网络中存在的、可电马达式和发电机式运行的电机，以便于电马达式地运行该电机。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，可电马达式和发电机式运行的电机是交流发电机(3)或曲轴起动机发电机。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在满负荷或高负荷运行(30)中所述废气涡轮增压器(10)在所述第二运行模式(S4)中运行且所述电机、优选所述交流发电机(3)利用再生的能量来运行。
5. 根据权利要求3或4中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述蓄电器(5)的充电状态下降到预先确定的阈值之下，则所述废气涡轮增压器(10)在所述第二运行模式(S4)中在所述蓄电器(5)充电的情形中辅助交流发电机(3)或曲轴起动机发电机。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在瞬态运行状态中所述废气涡轮增压器(10)电马达辅助地在所述第一运行模式(S3)中运行，其中，用于所述废气涡轮增压器(10)的电马达式运行的能量仅由所述车辆的低压车载网络输送给该废气涡轮增压器。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述机动车是轻度混合动力车辆或是不带有混合驱动装置的发动机驱动的机动车。
8. 一种用于运行机动车、尤其商用车的电马达辅助的废气涡轮增压器(10)的装置，包括
- 废气涡轮增压器(10)，带有经由驱动轴(13)而运动联接的废气涡轮机(12)和压缩机(11)，且带有可马达式和发电机式运行的第一电机(14)，其设置用于所述废气涡轮增压器(12,12,13)的驱动或者驱动辅助；
- 低压车载网络，在其中设置有可马达式和发电机式运行的、以传递扭矩的方式而与曲轴可联接或者已联接的第二电机(3)以及用于对布置在所述低压车载网络中的电气负载进行供给的蓄电器(5)；和
- 控制设备(1)，其设置用于在第一运行模式(S3)中操控所述废气涡轮增压器(10)的第一电机(14)，以便于电马达辅助地驱动所述废气涡轮增压器(10)，且在第二运行模式(S4)中操控所述第一电机(14)，以便于通过发电机式运行而由所述废气能量中再生电能；
其特征在于，
所述控制设备(1)设置用于在所述第一运行模式(S3)中将来自所述机动车的低压车载网络的电能输送给所述废气涡轮增压器(10)而在所述第二运行模式中将由所述废气涡轮增压器(10)再生的电能无预先暂存地输入到所述低压车载网络中。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一电机(14)以传递扭矩的方式而与所述驱动轴(13)可联接或者已联接或所述驱动轴(13)等同于所述第一电机的轴。
10. 根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述控制设备(1)设置用于执行根据权利要求2至8中任一项所述的方法。
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