CN114060154A - 用于运行具有电动支持的废气驱动式增压装置的内燃机的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行具有一带有电动支持驱动器的废气驱动式增压装置的内燃机的方法，其具有如下步骤：‑提供内燃机的运行点说明；‑在电动支持驱动器的再生运行中根据运行点说明获知最大允许的再生功率；‑在再生运行中将再生功率限制为最大允许的再生功率。

Description

用于运行具有电动支持的废气驱动式增压装置的内燃机的方 法和设备

技术领域

本发明涉及一种具有电动支持的废气驱动式增压装置的增压式内燃机并且尤其涉及一种用于通过增压装置的电动支持驱动器的发电运行来再生电能的方法。

背景技术

增压式内燃机通常具有废气驱动式增压装置、所谓的废气涡轮增压器，其在使用燃烧废气的废气焓的情况下抽吸并且压缩环境空气，并且将其在相对于环境压力更高的增压压力的情况下提供给内燃机，用以输送至缸的燃烧室。

可提供的增压压力或压缩功率在很大程度上取决于流径压缩机的空气质量流和燃烧废气的提供的废气焓。提供的废气焓确定为了压缩所抽吸的新鲜空气而提供的压缩功率，并且通过内燃机的运行点被预设。此外，压缩机受到限制，该限制通过部件保护的标准并且通过提供压缩机的运行情况的所谓的压缩机泵预设，其中在压缩机轮叶上出现振动和流动分离。

为了提高这种废气驱动式增压装置的动力，废气驱动式增压装置可以设有电动支持驱动器、所谓的ETA（Electric Turbo Assist），以便通过输送电功率实现压缩，通过仅使用废气焓不能够实现该压缩。电动支持驱动器作用在增压装置的压缩机与涡轮机之间的轴上，以便通过提供附加的电动产生的驱动力矩来附加地加速增压装置的压缩机。这例如在文献DE 10 2016 222 928 A1中描述。

此外已知的是，也可以借助电动支持驱动器、通过转换从废气焓获得的机械能来再生电能。可再生的电功率与内燃机的运行点有关。原则上，负载范围和内燃机的转速越高，那么可再生的电能越高，因为废气焓相应升高。在用于在高的马达负载和高的转速的情况下的部件保护的过渡范围内，高的可再生的电功率然而可以导致过高的废气温度，在过高的废气温度的情况下，出于部件保护的原因不允许运行废气驱动式增压装置，或需要升高混合物浓集（Gemischanfettung）。

发明内容

根据本发明，设置了一种根据权利要求1的用于运行具有一利用电动支持的废气驱动式增压装置的内燃机的方法，以及设置了根据并列的权利要求的设备和马达系统。

另外的设计方案在从属权利要求中说明。

根据第一方面，设置了一种用于运行具有一带有电动支持驱动器的废气驱动式增压装置的内燃机的方法，具有如下步骤：

- 提供内燃机的运行点说明；

- 在电动支持驱动器的再生运行中根据运行点说明获知最大允许的再生功率；并且

- 在再生运行中将再生功率限制为最大允许的再生功率。

废气驱动式增压装置的运行通常直接与内燃机的运行点耦合。如果越多废气焓是可用的，那么可调取的机械功率越大，并且可用的压缩功率和可再生的电功率越大。然而，增压装置的运行受到限制，用以保护构件、尤其废气涡轮机的涡轮机叶片，从而限制废气涡轮机的温度和转速。通常，用于限制废气涡轮机的温度的措施涉及对废气温度的限制，该限制通常通过以附加喷射的燃料浓集内燃机中的空气燃料混合物（以超过化学计量的空气/燃料比的燃料过量运行）来实现。

结合高的再生功率，即与将大部分废气焓转换为通过增压装置的支持驱动器发电产生的电能结合，可以出现浓集范围的不期望的增大。因此，上述方法设置的是，最大化再生功率，但当存在废气温度在更高的再生功率的情况下进一步提高并且由此可能达到或超过最大允许的废气温度的危险时，同时根据内燃机的运行点将再生功率限制为最大允许的再生功率。

原则上适用于具有电动支持驱动器的废气驱动式增压装置的是，当再生的能量被输送至机动车的驱动器时，在再生运行中，在燃料消耗与可用的再生功率之间存在几乎线性的关系。备选地，再生的电能也可以被输送至车载电网，这又导致内燃机的去负荷，并且因此导致更低的燃料消耗。因此，关于燃料消耗总是有利的是，再生最大可能的电功率，并且将再生功率添加给驱动能量或车载电网，只要内燃机处于合适的功率范围内。

尤其在负载力矩和马达转速很高的高负载范围的情况下，由于燃烧废气的高的废气焓、通过电动支持驱动器来再生电功率的潜力理论上是很大的。在运行范围内，燃烧废气然而具有高的废气温度，其通常超过对于废气系统、例如增压装置的废气涡轮机中的部件来说允许的极限值。为了降低废气温度，保护功能设置了措施，在所述措施中通过浓集空气燃料混合物来限制废气温度。浓集需求然而导致更高的消耗和更多的排放。

此外，在关闭废气门或增压器调节器时形成更高的废气背压，这导致更高的换气损耗和缸中的更多的残留气体。由此产生更高的爆震趋势，其导致以后的燃烧情况，由此，废气温度同样升高。在用于在高的马达功率的情况下和在还没有达到废气涡轮机的温度阈值的废气温度的情况下进行浓集的过渡范围内，还总是可以通过电动支持驱动器来再生电功率。由于该原因设置的是，将电动支持驱动器的最大的再生功率根据运行点确定为一个值，该值在最大可再生的功率以下，但还是转换可用的废气焓的不导致进一步提高废气温度的份额。

这例如可以借助与特性曲线相关的预控制进行。备选地或附加地可以设置的是，例如基于通过废气温度传感器测量废气温度来进行对废气温度的调节。

此外，运行点说明可以通过内燃机的转速和/或负载力矩预设。

根据实施方式，最大允许的再生功率可以通过预设的限制功能根据运行点说明确定，其中预设一种限制功能，从而在具有最大允许的再生功率的再生运行中，没有进一步提高燃烧废气的废气温度，或没有基于再生运行将燃烧废气的废气温度提高到超过针对废气涡轮机或废气系统的其他的部件预设的温度极限。

可以设置的是，最大允许的再生功率通过修正参量加载，修正参量借助另外的特性曲线从至少一个随后的参量（点火时间点、环境温度和油温或冷却水温度）得到。

根据实施方式，最大允许的再生功率可以基于调节废气温度来修正，其中再生功率修正被获知为调节参量，其中调节基于调节偏差，调节偏差从预设的最大允许的废气温度（其相应于用于内燃机的废气系统的部件的温度限制）和实际的废气温度得到。

此外，与针对在增压装置的压缩机中的压缩所需的废气焓相比，当更大量的废气焓可用时，可以采用增压装置的再生运行。

根据另一方面，设置了一种用于运行具有一带有电动支持驱动器的废气驱动式增压装置的内燃机的设备，其中该设备构造用于，

- 提供运行点说明，其说明了内燃机的运行点；

- 在电动支持驱动器的再生运行中根据运行点说明获知最大允许的再生功率；

- 在再生运行中将再生功率限制为最大允许的再生功率。

附图说明

随后借助附图详细阐述实施方式。其中：

图1示出了马达系统的示意图，马达系统具有一带有电动支持驱动器的废气驱动式增压装置；

图2示出了用于说明用于运行内燃机的方法的流程图；并且

图3示出了关于内燃机的运行状态的特性曲线，在运行状态中，按照根据本发明的方法设置对再生功率的限制。

具体实施方式

图1示出了马达系统1，其具有内燃机2，内燃机具有一定数量的缸3。在本实施例中，示例性地提供四个缸3。

以自身已知的方式，环境空气通过空气输送系统4输送到内燃机2。燃烧废气从缸3通过废气系统5导出。空气输送系统4通过进气阀（未示出）与内燃机2的缸3以自身已知的方式连接。燃烧废气通过相应的排气阀（未示出）以自身已知的方式排放到废气系统5中。

可以设置增压装置6，其具有在废气系统5中的废气涡轮机61和在空气输送系统4中的增压器压缩机62。废气涡轮机61与增压器压缩机62例如通过轴64机械耦合，从而在废气涡轮机61中转换为机械能的废气焓用于在增压器压缩机62中压缩从周围环境取得的环境空气。转换为机械能的废气焓的量或份额可以通过布置在废气涡轮机61上或中的增压器调节器63可变地调节。

增压器调节器63可以以自身已知的方式构造为VTG调节器（VTG：可变涡轮几何）、废气门调节器等。

可以设置的是，借助增压装置6中的支持驱动器65（作为电动驱动器）支持通过增压器压缩机62的压缩。支持驱动器65可以通过与废气涡轮机61的增压器轴64和增压器压缩机62的机械耦合引入附加的机械能，从而增压器压缩机62也可以与由废气涡轮机61提供的机械能无关地运行。

在压缩机62的下游可以设置增压空气冷却器7。在增压空气冷却器7的下游存在空气输送系统4的增压空气区段41，在该增压空气区段中，在增压压力下提供增压空气。

增压空气区段41可以通过节流阀9在下游被限制。在节流阀9与内燃机2的缸3的进气阀之间存在空气输送系统4的抽吸管区段42。在备选的实施方式中，增压空气冷却器7也可以布置在节流阀9的下游。

在废气系统5的位于内燃机2的缸3的排气阀与废气涡轮机61之间的区段之间，废气回引线路10可以被引导至抽吸管区段42中。在废气回引线路10中可以布置有废气回引阀11（AGR阀），以便可以调节回引的废气质量流的高度。

此外，废气冷却器12可以布置在废气回引线路10中，以便减小回引的废气的温度。替代通过废气回引线路10实现的废气回引，也可以通过用于进气阀和排气阀的可变的阀传动装置实现。废气回引在此通过在排气阀还打开的情况下打开进气阀而产生，从而由于抽吸管区段42中的压力相对于废气系统5中的压力更高而在废气涡轮机61的上游被压缩的新鲜空气通过缸3溢流到废气系统中（Scavenging）。

通常，在内燃机2的正常运行中，废气系统5中的废气背压大于空气输送系统4的抽吸管区段42中的抽吸管压力。压力下降通常用于将废气从内燃机2的排气侧受控地引导至内燃机的进气侧。

设置了控制单元15，其以自身已知的方式通过设置致动器（Stellgeber）、例如节流阀9、增压器调节器63、废气回引阀11、用于预设喷射的燃料（未示出）的量的燃料喷射阀等根据内燃机2的当前的运行状态并且根据预设、例如驾驶员期望力矩来运行内燃机2。

用于运行马达系统的方法随后根据图2的流程图详细描述。原则上，从效率观点来看有意义的是，将最大可用的废气焓转换为内燃机2的增压，并且必要时为了再生电能通过电动支持驱动器来进行转换。然而基于部件保护（通过部件保护尤其必须将废气温度限制为最大的废气温度），在高的负载范围内，将废气焓完全转换为再生能量是不允许的。通过再生导致的更高的废气背压基于对内燃机2的运行进行干预而导致废气温度进一步升高，从而在高的负载的预先确定的运行范围内不再允许再生，或在再生运行中，允许的再生功率被限制为0。

随后的方法设置的是，在具有将可用的废气焓完全转换为新鲜空气的增压和电能的再生的运行点与高的负载的运行点（在其中，电能的再生是不允许的）之间的过渡范围内，通过预设最大的再生功率来影响内燃机2的运行。

为此，在步骤S1中提供内燃机2的运行点，其可以通过负载力矩和内燃机的转速确定。

在步骤S2中，借助内燃机2的运行点确定最大允许的再生功率。这可以通过适当的预设的限制模型、尤其基于查找表等进行。

限制模型可以被选择，从而在可完全使用废气焓来再生电功率的运行范围与基于部件保护不允许或完全禁止再生电功率的运行范围之间，仅调取最大可用的可再生的功率的一部分。这通过限制为产生的最大允许的再生功率进行。

由此，阻止废气温度朝最大允许的废气温度的方向进一步提高，或将其限制为最大允许的废气温度。尤其确定最大的再生功率，使得在相关的运行点中并且在稳态的马达系统中，不会出现废气温度进一步提高超过废气涡轮机61所容许的温度。

在步骤S3中，可选地可以通过修正参量加载最大允许的再生功率，修正参量根据另外的特性曲线从至少一个随后的参量（点火时间点、环境温度、油温和冷却水温度）得到。

此外，在步骤S4中，也可以基于废气温度的调节执行最大的再生功率的修正。对再生功率的上述的限制则用于进行预控制。

调节废气温度的调节干预相应于作为调节参量的再生功率修正，在步骤S2或S3中获知的再生功率被加载以再生功率修正。调节基于调节偏差，调节偏差从预设的最大允许的废气温度（其相应于用于废气系统5的部件的温度限制）和可以被测量或建模的实际的废气温度得到。调节可以设计为P、PI、PID或PD调节。以该方式可以进一步调整最大的废气温度。

在步骤S5中，调取的再生功率在电动支持驱动器中因此被限制为最大允许的再生功率。

在图3中示意性示出了关于内燃机2的运行点的特性曲线。特性曲线根据内燃机2的运行点示出了如下运行范围，在这些运行范围内，从废气焓的转换来看，不存在再生（运行范围内A）、最大的再生（运行范围B）、被抑制的再生（运行范围C）和受限的再生（运行范围D）。

在运行范围A中没有实施再生，因为基于低的废气焓并且基于很小的废气质量流，再生潜力仅可以是不充分的。马达系统1在运行范围B（其特征在于更高的负载的运行点）中的运行能够实现最大地再生可用的废气焓，而在运行范围C中的运行的情况下，再生被抑制，因为内燃机2在浓集运行中运行，即在燃料过量的情况下发生燃烧，以便为了部件保护将废气温度限制为预设的最大允许的废气温度。

在运行范围B与运行范围C之间的负载点中的运行范围D中，根据上述方法设置过渡，在过渡中，过量的废气焓没有完全被转换为可再生的功率，而是仅一部分被转换为可再生的功率。这一方面能够使废气温度不超过用于废气系统、尤其废气涡轮机61中的部件的允许的温度极限值（随后需要浓集），并且另一方面能够使用可用的废气焓来再生电功率。

Claims (9)

1.用于运行具有一带有电动支持驱动器（65）的废气驱动式增压装置（6）的内燃机（2）的方法，具有如下步骤：

- 提供（S1）运行点说明，其说明了内燃机（2）的运行点；

- 在电动支持驱动器（65）的再生运行中根据运行点说明来获知（S2）最大允许的再生功率；

- 在再生运行中将再生功率限制（S5）为最大允许的再生功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述运行点说明通过内燃机（2）的转速和/或负载力矩预设。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，最大允许的再生功率通过预设的限制功能根据运行点说明确定，其中预设所述限制功能，从而在具有最大允许的再生功率的再生运行中，没有进一步提高燃烧废气的废气温度，或没有基于再生运行将燃烧废气的废气温度提高到超过针对废气系统（5）的部件预设的温度极限。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，最大允许的再生功率通过修正参量加载，所述修正参量借助另外的特性曲线从至少一个随后的参量、即点火时间点、环境温度和油温或冷却水温度得到。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，最大允许的再生功率基于调节废气温度来修正，其中再生功率修正被获知为调节参量，其中调节基于调节偏差，所述调节偏差从预设的最大允许的废气温度和实际的废气温度得到，所述最大允许的废气温度相应于用于内燃机（2）的废气系统（5）的部件的温度限制。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，与针对在增压装置（6）的压缩机中的压缩所需的废气焓相比，当更大量的废气焓可用时，采用增压装置（6）的再生运行。

7.用于运行具有一带有电动支持驱动器（65）的废气驱动式增压装置（6）的内燃机（2）的设备，其中所述设备构造用于，

- 提供运行点说明，其说明了内燃机（2）的运行点；

- 在电动支持驱动器（65）的再生运行中根据运行点说明获知最大允许的再生功率；

- 在再生运行中将再生功率限制为最大允许的再生功率。

8.具有程序代码器件的计算机程序，其设置用于，当计算机程序在计算单元上实施时，实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。

9.机器可读的存储介质，具有根据权利要求8所述的存储在所述存储介质上的计算机程序。

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