DE102007052118A1 - Power transmission controlling method for power train of e.g. lorry, involves interrupting power transmission in turbo-compound system within range of rotational speed-torque-values depending on detected rotational speed and detected torque - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang, in welchem ein sogenanntes Turbocompoundsystem vorgesehen ist, um die Abgasenergie des Abgases eines Verbrennungsmotors des Antriebsstrangs in Antriebsleistung umzuwandeln. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, der für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingerichtet ist.The The invention relates to a method for controlling power transmission in a drive train, in particular vehicle drive train, in which a so-called turbocompound system is provided for the exhaust gas energy the exhaust gas of an internal combustion engine of the drive train in drive power convert. Furthermore, the present invention relates to a drive train, in particular motor vehicle drive train, for a method according to the invention is set up.
Turbocompoundsysteme in Kraftfahrzeugantriebssträngen sind bekannt. Hierin wird eine Abgasnutzturbine im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, der dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dient, angeordnet, und die Antriebsleistung der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen. In der Regel ist in der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle eine hydrodynamische Kupplung angeordnet, welche Drehschwingungen zwischen der Kurbelwelle und der Abgasnutzturbine dämpft.TurboCompound systems in automotive drive trains are known. This is an exhaust gas turbine in the exhaust stream of a Internal combustion engine, which serves to drive the motor vehicle, arranged, and the power of the exhaust gas turbine to the crankshaft of the internal combustion engine. As a rule, in the drive connection between the exhaust gas turbine and the crankshaft arranged a hydrodynamic coupling, which torsional vibrations between the crankshaft and the exhaust gas turbine dampens.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, eine solche hydrodynamische Kupplung in der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle mit einer Schrägbeschaufelung auszuführen, welche bewirkt, dass in Richtung von der Abgasnutzturbine auf den Verbrennungsmotor ein großes Drehmoment und in umgekehrter Richtung nur ein geringes Drehmoment durch die hydrodynamische Kupplung übertragen wird. Dies hat den Vorteil, dass in Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, in denen nur wenig Abgas anfällt, eine bremsende Wirkung der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle vermindert wird. Andere mechanische Maßnahmen sind untersucht worden, um dieses Prinzip – maximale Leistungsübertragung in der einen Richtung und minimale Leistungsübertragung in der anderen Richtung – zu optimieren. Hierunter fallen beispielsweise solche Lösungen wie das Vorsehen eines Freilaufes in der Triebverbindung, der nur in eine Drehrichtung wirkt.It has already been proposed, such a hydrodynamic coupling in the drive connection between the exhaust gas turbine and the crankshaft with a bevel blading perform, which causes in the direction of the exhaust gas turbine on the Internal combustion engine a large torque and in the opposite direction only a small torque through the transmitted hydrodynamic coupling becomes. This has the advantage that in operating states of the motor vehicle, in where there is little exhaust gas, a braking effect of the exhaust gas turbine on the crankshaft is reduced. Other mechanical measures have been investigated around this principle - maximum power transmission in one direction and minimal power transfer in the other direction - to optimize. These include, for example, such solutions as the provision of a Freewheel in the drive connection, the only in one direction acts.
Obwohl bei bekannten Fahrzeugantriebssträngen mit Turbocompoundsystemen insgesamt eine bessere Kraftstoffausnutzung zum Antrieb des Fahrzeugs und damit über einen langen Zeitraum ein geringerer Kraftstoffverbrauch pro gefahrenem Kilometer im Vergleich zu Antriebssträngen ohne Turbocompoundsystem erreicht werden konnte, besteht aufgrund immer strengerer Vorgaben hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der zulässigen Emissionswerte ein weiterer Handlungsbedarf, um den Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors in einem Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang, zu verringern.Even though in known vehicle powertrains with turbocompound systems overall better fuel efficiency for driving the vehicle and over it a long period a lower fuel consumption per driven Kilometers compared to powertrains without turbocompound system could be achieved due to ever stricter requirements in terms of fuel consumption and allowable emission levels Another need for action to the fuel consumption of an internal combustion engine in a drive train, in particular vehicle powertrain, too reduce.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches eines Verbrennungsmotors in einem Antriebsstrang verbessertes Verfahren zum Steuern der Leistungsübertragung in dem Antriebsstrang darzustellen. Bei einem Fahrzeugantriebsstrang soll dabei insbesondere ungeachtet des Einsatzgebietes des Kraftfahrzeugs, das heißt ungeachtet der Topographie, auf welcher ein Fahrzeug bewegt wird, und ungeachtet der Zeitdauer der einzelnen Fahrten des Fahrzeugs, eine Kraftstoffersparnis gegenüber herkömmlichen Steuerverfahren erreicht werden.Of the The present invention is therefore based on the object with respect to the fuel consumption of an internal combustion engine in a drive train improved method for controlling power transmission in the powertrain display. In a vehicle drive train is intended in particular regardless of the field of use of the motor vehicle, that is regardless the topography on which a vehicle is moved, and regardless the duration of each trip of the vehicle, a fuel economy across from usual Control procedure can be achieved.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und einen Antriebsstrang mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.The inventive task is achieved by a method having the features of claim 1 and a Drive train with the features of claim 13 solved. The dependent claims describe advantageous and particularly expedient embodiments of the invention.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in einem Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang, wie zum Beispiel in einem Nutzkraftfahrzeug wie Lkw, Bus, Baumaschine, Triebwagen eines Schienenfahrzeugs oder einer Lokomotive, eine Einspeisung von Antriebsleistung sowohl über einen Verbrennungsmotor, beispielsweise Dieselmotor oder sonstiger Kolbenmotor, als auch über eine Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet ist, möglich. Insbesondere dient sowohl die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors als auch die Antriebsleistung der Abgasnutzturbine dazu, bei einem Fahrzeugantriebsstrang das Fahrzeug insbesondere über Antriebsräder anzutreiben oder, beispielsweise bei einer stationären Anlage, ein und dasselbe Aggregat mittels dem Verbrennungsmotor und der Abgasnutzturbine anzutreiben. Selbstverständlich ist es auch möglich, verschiedene Aggregate anzutreiben, bei einem Fahrzeug beispielsweise den Verbrennungsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs, insbesondere dessen Antriebsräder, zu nutzen und die Abgasnutzturbine zum Antrieb eines Nebenverbrauchers zu nutzen, beispielsweise eines elektrischen Generators.According to the inventive method is in a drive train, in particular vehicle drive train, such as for example in a commercial vehicle such as truck, bus, construction machine, Railcar of a rail vehicle or locomotive, an infeed of drive power both over one Internal combustion engine, for example diesel engine or other piston engine, as well over an exhaust gas turbine, which in the exhaust stream of the engine is arranged, possible. In particular, both the drive power of the internal combustion engine is used as well as the drive power of the exhaust gas turbine to, at a Vehicle drive train to drive the vehicle in particular via drive wheels or, for example in a stationary plant, one and the same Aggregate by means of the internal combustion engine and the exhaust gas turbine drive. Of course it is also possible To drive different units, for example, in a vehicle the internal combustion engine for driving the vehicle, in particular its Drive wheels, too use and the exhaust gas turbine to drive a secondary consumer to use, for example, an electric generator.
Besonders vorteilhaft überträgt die Abgasnutzturbine, insbesondere, wie in der Beschreibungseinleitung dargestellt über eine hydrodynamische Kupplung, ihre Antriebsleistung auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors beziehungsweise eine sonstige Antriebswelle des Verbrennungsmotors, über welche der Verbrennungsmotor seine Antriebsleistung in den Antriebsstrang speist. Die Abgasnutzturbine kann dabei im Abgasstrom des Verbrennungsmotors zusätzlich zu einer Turboladerturbine, insbesondere in Strömungsrichtung hinter dieser, angeordnet sein, wobei mittels der Turboladerturbine ein Verdichter angetrieben wird, um den Verbrennungsmotor als sogenannten aufgeladenen Verbrennungsmotor zu betreiben, das heißt, diesen mit einem Gemisch aus verdichteter Frischluft, Kraftstoff und insbesondere rückgeführtem Abgas zu speisen.Particularly advantageous transmits the exhaust gas turbine, in particular, as shown in the introduction of the description via a hydrodynamic coupling, their drive power to the crankshaft of the engine or other drive shaft of the engine, via which the engine feeds its drive power in the drive train. The exhaust gas turbine can be arranged in the exhaust gas flow of the engine in addition to a turbocharger turbine, in particular in the flow direction behind this, wherein by means of the turbocharger turbine, a compressor is driven to operate the internal combustion engine as a so-called supercharged internal combustion engine, that is, this with a mixture of compacted Fresh air, fuel and in particular to feed recirculated exhaust gas.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem ganz gezielt eingeschaltet und ausgeschaltet, und zwar in Abhängigkeit des aktuell durch den Verbrennungsmotor erzeugten Drehmomentes und der Drehzahl des Verbrennungsmotors, das heißt der Drehzahl dessen Kurbelwelle oder sonstiger Antriebswelle. Hierzu wird zunächst die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle oder sonstigen Antriebswelle des Verbrennungsmotors erfasst. Diese Erfassung kann unmittelbar an der Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle erfolgen, beispielsweise über einen Drehzahlsensor. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Drehzahl dieser Welle indirekt zu erfassen, indem andere Betriebsgrößen des Antriebsstranges erfasst werden, welche mit der Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle korrelieren, insbesondere proportional zu dieser sind. So kann beispielsweise die Drehzahl einer Getriebeeingangswelle eines im Leistungsfluss hinter dem Verbrennungsmotor angeordneten Getriebes erfasst werden, oder einer Getriebeabtriebswelle eines solchen Getriebes, letzteres zusammen mit dem im Getriebe eingestellten Übersetzungsverhältnis beziehungsweise der Gangstellung, um aus diesen beiden Größen auf die Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise des Verbrennungsmotors zu schließen. Selbstverständlich können auch andere Größen, beispielsweise die Einspritzmenge des Kraftstoffes, herangezogen werden, um die gewünschte Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle des Verbrennungsmotors zu berechnen.According to the inventive method is the power transmission specifically switched on and off in the turbo compound system, in dependence the torque currently generated by the internal combustion engine and the Speed of the internal combustion engine, that is, the speed of the crankshaft or other drive shaft. For this purpose, first the current speed the crankshaft or other drive shaft of the internal combustion engine detected. This detection can be directly on the crankshaft or Drive shaft done, for example via a speed sensor. alternative or additionally it is also possible to indirectly measure the speed of this shaft, by taking into account other operating variables of the Drivetrain can be detected, which coincides with the speed of the crankshaft or drive shaft correlate, in particular proportionally to this are. For example, the speed of a transmission input shaft one arranged in the power flow behind the internal combustion engine Getriebes be detected, or a transmission output shaft of a such transmission, the latter together with the transmission ratio set in the transmission or the gear position, from these two quantities to the speed of the crankshaft or close the internal combustion engine. Of course you can too other sizes, for example the injection quantity of the fuel, are used to the desired Speed of the crankshaft or drive shaft of the internal combustion engine to calculate.
Auf entsprechende Art kann auch das aktuelle Drehmoment erfasst werden, mittels welchem die Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle des Verbrennungsmotors durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird. Somit kommt auch hier eine unmittelbare oder mittelbare Erfassung in Betracht, oder eine Berechnung aus einer oder mehrerer mit dem Drehmoment korrelierender Größen.On appropriate type can also be detected the current torque by means of which the crankshaft or drive shaft of the Internal combustion engine is driven by the internal combustion engine. Thus, here too comes a direct or indirect detection into consideration, or a calculation of one or more with the Torque of correlating quantities.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors und des aktuellen Drehmomentes dieser Welle zu erfassen besteht darin, die Pedalstellung eines Gaspedals, mittels welchem die Einspritzmenge von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor zumindest mittelbar gesteuert wird, oder eines sonstigen gleichwirkenden Aktuators, zu erfassen. Zusammen mit einer unmittelbaren oder mittelbaren Drehzahlerfassung kann dann aus einem hinterlegten Kennfeld, in welchem das Drehmoment in Abhängigkeit der Pedalstellung und der Drehzahl aufgetragen ist oder durch entsprechende Wertekombinationen beschrieben wird, auf das aktuelle Drehmoment geschlossen werden. Selbstverständlich kann eine entsprechende Bestimmung auch durch entsprechend hinterlegte mathematische Beziehungen zwischen Pedalstellung, Drehzahl und Drehmoment erfolgen.A particularly advantageous possibility the current speed of the crankshaft or drive shaft of the internal combustion engine and the current torque of this wave is detected therein, the pedal position of an accelerator, by means of which the injection quantity controlled by fuel in the internal combustion engine, at least indirectly , or any other equivalent actuator. Together with a direct or indirect speed detection can then from a stored map in which the torque dependent on the pedal position and the speed is plotted or by appropriate Value combinations is described, closed to the current torque become. Of course a corresponding provision can also be filed by mathematical relationships between pedal position, speed and torque respectively.
In Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Werte der Drehzahl und des Drehmomentes wird die Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem in wenigstens einem ersten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren unterbrochen, und in einem zweiten Bereich oder auch im übrigen Bereich der Drehzahl-Drehmoment-Wertepaare eingestellt, so dass in dem zweiten Berich Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine in den Antriebsstrang eingespeist wird, insbesondere auf die Kurbelwelle übertragen wird. Die Unterbrechung im ersten Bereich kann dabei eine vollständige sein, oder die Leistungsübertragung wird bis auf einen vorgegebenen Restwert vermindert.In dependence the detected or calculated values of the speed and torque the power transmission in the turbocompound system in at least a first range of speed-torque value pairs interrupted, and in a second area or in the remaining area set the speed-torque value pairs, so that in the second Berich drive power fed from the exhaust gas turbine into the drive train is transferred, in particular to the crankshaft. The interruption In the first area can be a complete, or the power transmission is reduced to a predetermined residual value.
Besonders vorteilhaft wird die Einstellung der Leistungsübertragung, das heißt die Unterbrechung der Leistungsübertragung in dem ersten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren und die aktive Leistungsübertragung im zweiten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren, durch eine elektronische Steuervorrichtung gesteuert oder geregelt, wobei diese Steuervorrichtung die aktuell erfassten oder berechneten Größen von Drehzahl und Drehmoment auswertet. Selbstverständlich ist es möglich, anstelle einer einzigen Steuervorrichtung mehrere miteinander verschaltete Steuervorrichtungen vorzusehen.Especially advantageous is the setting of the power transmission, that is, the interruption the power transmission in the first range of speed-torque value pairs and the active power transmission in the second range of speed-torque value pairs, by an electronic Control device controlled or regulated, this control device the currently recorded or calculated quantities of speed and torque evaluates. Of course Is it possible, instead of a single control device several interconnected Provide control devices.
Statt von einer Unterbrechung der Leistungsübertragung könnte man auch von einer Abschaltung des Turbocompoundsystems sprechen, wobei die Abschaltung vorteilhaft in den Bereichen des durch Drehzahl und Drehmoment dargestellten Kennfeldes des Verbrennungsmotors erfolgt, in denen ein eingeschaltetes Turbocompoundsystem zu einem Kraftstoffmehrverbrauch führen könnte. Die Abschaltung kann durch verschiedene einzelnen Maßnahmen oder Kombinationen hiervon erreicht werden. So ist es zum Beispiel möglich, eine in der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und dem Ort der Leistungseinspeisung der Abgasnutzturbinenleistung in den Antriebsstrang, insbesondere eine zwischen Abgasnutzturbine und Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angeordnete hydrodynamische Kupplung zu entleeren, das heißt das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung auszutragen, oder eine sonstige Kupplung zu öffnen, so dass die Leistungsübertragung zwischen den beiden Kupplungshälften im wesentlichen oder vollständig unterbrochen wird. Eine solche hydrodynamische Kupplung kann beispielsweise eine in ihrem Füllungsgrad regelbare hydrodynamische Kupplung sein, um auch bei einer Leistungsübertragung mit befülltem Arbeitsraum die Höhe der Leistungsübertragung gezielt variieren zu können. Die Kupplung kann beispielsweise über eine Umsetzung mit der Abgasnutzturbine verbunden sein, so dass die Eingangsseite mit einer kleineren Drehzahl als die Abgasnutzturbine umläuft. Alternativ ist die Kupplung direkt an die Abgasnutzturbine gekoppelt, so dass die Eingangsseite mit der Drehzahl der Abgasnutzturbine umläuft.Instead of interrupting the power transmission could also speak of a shutdown of the turbocompound system, the shutdown is advantageously carried out in the areas of the speed and torque curve of the engine shown in which a turbocompound system turned on could lead to increased fuel consumption. The shutdown can be achieved by various individual measures or combinations thereof. It is thus possible, for example, to empty a hydrodynamic coupling arranged in the drive connection between the exhaust gas turbine and the location of the power supply of the exhaust gas turbine power, in particular a hydrodynamic coupling arranged between the exhaust gas turbine and the crankshaft of the internal combustion engine, that is to discharge the working medium from the working space of the hydrodynamic coupling , Or to open another clutch, so that the power transmission between the two coupling halves is substantially or completely interrupted. Such a hydrodynamic coupling can be, for example, a hydrodynamic coupling which can be regulated in its degree of filling in order to be able to vary the level of the power transmission in a targeted manner even during power transmission with a filled working space. The coupling For example, it can be connected via an implementation with the exhaust gas turbine, so that the input side rotates at a lower speed than the exhaust gas turbine. Alternatively, the clutch is coupled directly to the exhaust gas turbine, so that the input side rotates with the speed of the exhaust gas turbine.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Bypass für den Abgasstrom aus dem Verbrennungsmotor um die Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems herum vorgesehen sein, so dass das Abgas teilweise oder vollständig an der Abgasnutzturbine vorbeigeleitet werden kann. Der Bypass für den Abgasstrom aus dem Verbrennungsmotor kann alternativ auch um eine der Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems im Abgasstrom vorgeschaltete Abgasturbine, beispielsweise eines Turboladers, vorgesehen sein, so dass das Abgas teilweise oder vollständig an dieser Abgasturbine vorbeigeleitet werden kann, bevor es in die Abgasnutzturbine strömt. Durch mehr oder minder vollständiges Vorbeileiten an der Abgasturbine wird die Temperatur und/oder der Druck geändert, mit welcher/welchem das Abgas in die Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems einströmt. Auch hierdurch ist eine Regelung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem möglich. Selbstverständlich ist es möglich, sowohl den Bypass um die Abgasnutzturbine herum als auch den Bypass um die Abgasturbine im Abgasstrom vor der Abgasnutzturbine herum nebeneinander vorzusehen oder nur einen von beiden Bypässen. Auch ein gemeinsamer Bypass um beide Turbinen herum ist möglich.alternative or additionally can be a bypass for the exhaust stream from the engine around the exhaust gas turbine be provided around the turbocompound system, so that the exhaust gas partially or completely can be passed by the exhaust gas turbine. The bypass for the exhaust flow off Alternatively, the internal combustion engine may also be one of the exhaust gas power turbine the turbocompound system in the exhaust gas upstream exhaust gas turbine, for example, a turbocharger, be provided so that the exhaust gas partially or completely can be routed past this exhaust gas turbine before it enters the Exhaust gas turbine flows. By more or less complete Passing by the exhaust gas turbine, the temperature and / or the Changed pressure, with which / which the exhaust gas into the exhaust gas turbine of the turbocompound system flows. This, too, is a regulation of the power transmission in the turbocompound system possible. Of course Is it possible, both the bypass around the exhaust gas turbine and the bypass around the exhaust gas turbine in the exhaust gas flow in front of the exhaust gas turbine to provide next to each other or only one of two bypasses. Also a common bypass around both turbines is possible.
Schließlich ist es auch möglich, alternativ oder zusätzlich die Abgasnutzturbine hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme regelbar auszuführen, beispielsweise über eine Verstellung der Leitschaufeln oder Laufschaufeln der Abgasnutzturbine oder über eines oder mehrere entsprechend vorgesehene Einlassventile zum Ändern beziehungsweise Drosseln des in die Abgasnutzturbine einströmenden Abgasstromes. Andere Steuerungs- oder Regelungsmaßnahmen sind denkbar, um die von der Abgasnutzturbine aufgenommene Leistung zu steuern oder zu regeln.Finally is it also possible alternatively or additionally the exhaust gas turbine with respect to their power consumption adjustable perform, for example, via a Adjustment of the guide vanes or blades of the exhaust gas turbine or about one or a plurality of correspondingly provided intake valves for changing or Throttling of the exhaust gas flow flowing into the exhaust gas turbine. Other Control or regulatory measures are conceivable for the power consumed by the exhaust gas turbine power to control or regulate.
Besonders vorteilhaft ist im Antriebsstrang neben dem Turbocompoundsystem ein Dampfkraftsystem vorgesehen, um Antriebsleistung einer dampfgetriebenen Expansionsmaschine in den Antriebsstrang einzuspeisen. Hierbei gilt das zu der Abgasnutzturbine gesagte. So kann beispielsweise die dampfgetriebene Expansionsmaschine, die insbesondere als Dampfturbine oder als Kolbenexpander ausgeführt ist, ihre Antriebsleistung auf die Kurbelwelle oder sonstige Antriebswelle des Verbrennungsmotors übertragen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, mittels der dampfgetriebenen Expansionsmaschine bei einem Fahrzeugantriebsstrang das Fahrzeug anderweitig als über Einspeisung der Antriebsleistung auf die Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle des Verbrennungsmotors mittels der dampfgetriebenen Expansionsmaschine anzutreiben. Schließlich ist es möglich, ein Nebenaggregat im Antriebsstrang, beispielsweise einen elektrischen Generator, mittels der dampfgetriebenen Expansionsmaschine anzutreiben.Especially is beneficial in the powertrain next to the turbo compound system a steam power system is provided to drive power a steam driven To feed expansion machine in the drive train. In this case applies that said to the exhaust gas turbine. For example, the steam-driven Expansion machine, which is designed in particular as a steam turbine or piston expander, their drive power to the crankshaft or other drive shaft of the internal combustion engine. Alternatively or in addition Is it possible, by means of the steam-driven expansion machine in a vehicle drive train the vehicle otherwise than about Infeed of the drive power to the crankshaft or drive shaft of the internal combustion engine by means of the steam-driven expansion machine drive. After all Is it possible, an accessory in the drive train, such as an electric generator, to drive by means of the steam-driven expansion machine.
Die dampfgetriebene Expansionsmaschine ist in einem Dampfkreislauf des Dampfkraftsystems angeordnet, welcher in der Regel einen Dampferzeuger, einen Kondensator und eine Speisewasserpumpe umfasst. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle von Wasser ein anderes verdampfungsfähiges Medium als Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes zu verwenden. Die Dampferzeugung erfolgt dabei wenigstens teilweise mit Wärme, die aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors abgeführt wird, in der Regel in einem Wärmetauscher, der auf der einen Seite von dem Abgas durchströmt wird und auf der anderen Seite von dem Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes, insbesondere im Gegenstrom oder Kreuzstrom. Der Wärmetauscher oder mehrere Wärmetauscher können beispielsweise im Abgasstrom vor oder hinter der Abgasnutzturbine und/oder in einer Abgasrückführung angeordnet sein. Andere Positionen und/oder Wärmequellen sind möglich.The steam-driven expansion machine is in a steam cycle of the Steam power system arranged, which is usually a steam generator, a condenser and a feedwater pump. Of course it is it also possible, instead of water another evaporative medium as a working medium to use the steam cycle. The steam generation takes place at least partly with heat, which is removed from the exhaust gas stream of the internal combustion engine, usually in a heat exchanger, which flows through on one side of the exhaust gas and on the other Side of the working medium of the steam cycle, in particular in Countercurrent or crossflow. The heat exchanger or several heat exchangers for example in the exhaust stream upstream or downstream of the exhaust gas turbine and / or in a Exhaust gas recirculation arranged be. Other positions and / or heat sources are possible.
Auch die Leistungsübertragung im Dampfkraftsystem kann in Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Drehzahl und des erfassten oder berechneten Drehmomentes des Verbrennungsmotors gesteuert oder geregelt werden, wobei vorteilhaft in einem dritten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren die Leistungsübertragung in dem Dampfkraftsystem unterbrochen wird und in einem vierten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren, der außerhalb des dritten Bereiches liegt, Antriebsleistung von der dampfgetriebenen Expansionsmaschine in den Antriebsstrang eingespeist wird, insbesondere auf die Kurbelwelle oder sonstige Antriebswelle des Verbrennungsmotors übertragen wird. Sowohl der dritte Bereich als auch der vierte Bereich können sich mit dem ersten Bereich und zugleich mit dem zweiten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren zur Steuerung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem jeweils nur teilweise überschneiden.Also the power transmission in the steam power system can depend on the detected or calculated speed and the detected or calculated speed Torque of the internal combustion engine are controlled or regulated, being advantageous in a third range of speed-torque value pairs the power transmission is interrupted in the steam power system and in a fourth area of speed-torque value pairs outside the third range drive power from the steam-driven expansion machine is fed into the drive train, in particular to the crankshaft or other drive shaft of the internal combustion engine is transmitted. Both the third area and the fourth area may be with the first area and at the same time with the second area of Speed torque value pairs for controlling the power transmission only partially overlap in the turbocompound system.
Zur Unterbrechung der Leistungsübertragung in dem Dampfkraftsystem kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht. Beispielsweise kann zwischen der dampfgetriebenen Expansionsmaschine und der Einspeisungsstelle von Antriebsleistung aus der dampfgetriebenen Expansionsmaschine in den Antriebsstrang, insbesondere zwischen der dampfgetriebenen Expansionsmaschine und der Kurbelwelle oder sonstigen Antriebswelle des Verbrennungsmotors, eine schaltbare Kupplung vorgesehen sein, die wahlweise geöffnet und geschlossen werden kann. Eine solche Kupplung kann wiederum als hydrodynamische Kupplung ausgeführt sein, deren Arbeitsraum zum Öffnen der Kupplung von Arbeitsmedium entleert wird. Selbstverständlich kommen wie bei der Kupplung im Turbocompoundsystem wiederum auch andere Kupplungsformen in Betracht, beispielsweise eine Reibkupplung, eine Klauenkupplung oder eine Viskokupplung.To interrupt the power transmission in the steam power system, various possibilities come into consideration. For example, between the steam-driven expansion machine and the feed point of drive power from the steam-driven expansion machine in the drive train, in particular between the steam-driven expansion engine and the crankshaft or other drive shaft of Ver combustion engine, a switchable coupling can be provided, which can be opened and closed optionally. Such a coupling can in turn be designed as a hydrodynamic coupling whose working space is emptied to open the coupling of working fluid. Of course, as in the case of the coupling in the turbocompound system, other forms of coupling may also be considered, for example a friction clutch, a dog clutch or a viscous coupling.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Leistungsübertragung im Dampfkraftsystem dadurch zu unterbrechen, dass der Dampf in einem Bypass teilweise oder vollständig an der dampfgetriebenen Expansionsmaschine vorbeigeleitet wird, dass die Abtriebswelle der Expansionsmaschine festgesetzt wird oder der Abgasstrom des Verbrennungsmotors teilweise oder vollständig in einem Bypass an dem der Dampferzeugung dienen Wärmetauscher vorbeigeleitet wird. Andere Möglichkeiten der Leistungsunterbrechung sind denkbar.alternative or additionally Is it possible, the power transmission in the steam power system thereby interrupt that the steam in a Bypass partially or completely is passed by the steam-driven expansion machine, that the output shaft of the expander is fixed or the exhaust gas flow of the internal combustion engine partially or completely in a bypass at which the steam generation serve heat exchanger bypasses becomes. Other options the power interruption are conceivable.
Vorteilhaft können die verschiedenen Bereiche der Drehzahl-Drehmoment-Wertepaare derart festgelegt werden, dass sie bestimmte Betriebszustände des Antriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs beziehungsweise der Fahrsituation des Fahrzeugs beschreiben. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, diese Fahrsituationen über andere Größen zu erfassen, beispielsweise über die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Topographie, auf welcher sich das Fahrzeug zur Zeit bewegt, letzteres beispielsweise über eine Neigung des Fahrzeugs oder ein Navigationssystem (insbesondere GPS) erfasst, oder durch Erfassung von Temperaturen oder sonstigen Größen.Advantageous can set the different areas of the speed-torque value pairs in such a way be that they have certain operating states of the powertrain, in particular a motor vehicle drive train or the driving situation describe the vehicle. Alternatively or additionally, it is possible this Driving situations over capture other variables, for example about the speed of the vehicle, the topography on which the vehicle is currently moving, the latter for example via a Inclination of the vehicle or a navigation system (especially GPS) detected, or by detecting temperatures or other variables.
Beispielhaft
seien die folgenden vorteilhaften Einstellungen, die gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
automatisch, insbesondere über
eine Steuervorrichtung, vorgenommen werden können, genannt:
Bei einem
Kaltstart des Fahrzeugs, das heißt ein oder mehrere Arbeits-
oder Betriebsmedien, beispielsweise das Motor- oder Getriebeöl oder das
Arbeitsmedium des Dampfkraftsystems, haben eine vergleichsweise
niedrige Temperatur, wird die Leistungsübertragung in dem Dampfkraftsystem
unterbrochen, insbesondere bis das Arbeitsmedium des Dampfkraftsystems
beziehungsweise der dampfgetriebenen Expansionsmaschine sich auf
einen vorgegebenen Temperaturwert erhitzt hat.By way of example, the following advantageous settings, which, according to one embodiment of the method according to the invention, can be carried out automatically, in particular via a control device, may be mentioned:
In a cold start of the vehicle, that is, one or more working or operating media, such as the engine or transmission oil or the working medium of the steam power system, have a comparatively low temperature, the power transmission in the steam power system is interrupted, in particular to the working medium of the steam power system or the steam-driven expansion machine has heated to a predetermined temperature value.
Bei einer Bergauffahrt des Fahrzeugs wird Antriebsleistung mittels dem Turbocompoundsystem und mittels dem Dampfkraftsystem übertragen, wobei insbesondere beide Systeme jeweils auf volle Leistungsübertragung geregelt werden. In einem thermischen Grenzbereich kann zugleich eine Abregelung des Verbrennungsmotors erfolgen, um eine Überlast zu verhindern.at an uphill drive of the vehicle will drive power by means of Turbocompoundsystem and transmitted by the steam power system, in particular, both systems each for full power transmission be managed. In a thermal boundary area can at the same time a reduction of the internal combustion engine take place to overload to prevent.
Bei einer Bergabfahrt des Fahrzeugs kann insbesondere die Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem unterbrochen oder vermindert werden. Besonders vorteilhaft kann die dampfgetriebene Expansionsmaschine im Schleppbetrieb angetrieben werden, das heißt mittels der dampfgetriebenen Expansionsmaschine wird ein Bremsmoment auf den Antriebsstrang, insbesondere die Kurbelwelle oder sonstige Antriebswelle des Verbrennungsmotors, ausgeübt. Hierzu kann beispielsweise die Durchflussrichtung des Arbeitsmediums des Dampfkraftsystems durch die Expansionsmaschine umgekehrt werden und/oder das Arbeitsmedium in Strömungsrichtung hinter der dampfgetriebenen Expansionsmaschine gestaut werden, um einen entsprechenden Druck zu erzeugen, gegen welchen die Expansionsmaschine arbeitet. Andere Maßnahmen sind vorstellbar.at a downhill of the vehicle can in particular the power transmission be interrupted or reduced in the turbocompound system. Particularly advantageous is the steam-driven expansion machine be driven in tow mode, that is by means of the steam-driven Expansion machine is a braking torque on the drive train, in particular the crankshaft or other drive shaft of the internal combustion engine, exercised. For this purpose, for example, the flow direction of the working medium of the steam power system are reversed by the expansion machine and / or the working medium in the flow direction behind the steam-driven Expansion machine are jammed to a corresponding pressure to generate, against which the expansion machine works. Other Measures are imaginable.
Gemäß einem weiteren Gedanken des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern der Leistungsübertragung wird durch Steuern der Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem der Abgasgegendruck gesteuert oder geregelt. Unter Abgasgegendruck versteht man den Druck im Abgasstrom am oder hinter dem Austritt aus dem Verbrennungsmotor, insbesondere an der Stelle, an welcher eine Abgasrückführung einen Teil des Abgasstromes abzweigt und auf die Frischluftseite des Verbrennungsmotors leitet. Herkömmlich wird eine konstante Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) eingestellt, zum Beispiel von 45%. Die Abgasrückführungsrate beschreibt, welcher Anteil des Abgasstromes auf die Frischluftseite des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird, das heißt den Quotienten aus rückgeführtem Abgasstrom zum Gesamtabgasstrom.According to one further idea of the method according to the invention for controlling the power transmission is by controlling the power transmission controlled in the turbocompound system, the exhaust back pressure or regulated. Exhaust counterpressure refers to the pressure in the exhaust gas flow on or behind the exit from the internal combustion engine, in particular at the Place at which an exhaust gas recirculation one Part of the exhaust stream branches off and on the fresh air side of the engine passes. conventional will have a constant exhaust gas recirculation rate (EGR rate), for example 45%. The exhaust gas recirculation rate describes what proportion of the exhaust gas flow to the fresh air side the internal combustion engine is returned, this means the quotient of recirculated exhaust gas flow to the total exhaust gas flow.
Um herkömmlich eine ausreichend hohe AGR-Rate einstellen zu können, wurde ein entsprechend hoher Abgasgegendruck erzeugt. Ein solcher hoher Abgasgegendruck führt jedoch auch zu einem Kraftstoffmehrverbrauch des Verbrennungsmotors. Wenn nun in Situationen, in welchen die vorgegebenen Abgasgrenzwerte auch mit einer kleineren AGR-Rate erreicht werden können, mittels einer Regelung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem der Abgasgegendruck abgesenkt werden kann, so steht zwar möglicherweise weniger Antriebsleistung aus der Abgasnutzturbine zur Verfügung, jedoch verringert sich zugleich der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors. Dies kann in Abhängigkeit der Drehzahl beziehungsweise des Drehmomentes des Verbrennungsmotors zu einer besseren Gesamtenergiebilanz des Antriebsstranges führen.Around conventional to be able to set a sufficiently high EGR rate, a corresponding high exhaust back pressure generated. Such a high exhaust back pressure leads however also to a fuel consumption of the internal combustion engine. If now in situations where the given exhaust limits can also be achieved with a smaller EGR rate, by means of a regulation of power transmission can be lowered in the turbocompound system, the exhaust back pressure that may be true less drive power from the exhaust gas turbine available, however At the same time, the fuel consumption of the internal combustion engine is reduced. This can be dependent the speed or the torque of the internal combustion engine lead to a better overall energy balance of the powertrain.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, den Abgasgegendruck mittels der Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem zu steuern oder zu regeln, sieht vor, eine regelbare Kupplung in der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Stelle der Einspeisung der Antriebsleistung der Abgasnutzturbine in den Antriebsstrang, insbesondere zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle oder sonstigen Antriebswelle des Verbrennungsmotors vorzusehen. Beispielsweise kann, wie dargestellt, eine hydrodynamische Kupplung vorgesehen werden. Durch Vermindern des Füllungsgrades des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung und Betreiben der hydrodynamischen Kupplung im Teilfüllungsbereich und/oder durch Einbringen eines Drosselbauteils in die Kreislaufströmung von Arbeitsmedium im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung kann die Leistungsübertragung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad der hydrodynamischen Kupplung vermindert werden. Durch diese Verminderung der Leistungsübertragung nimmt das Reaktionsmoment, gegen welches die Abgasnutzturbine arbeitet, ab, und dadurch sinkt der Abgasdruck vor der Abgasnutzturbine und damit der Abgasgegendruck. Eine Erhöhung des Abgasdruckes vor der Abgasnutzturbine und damit des Abgasgegendruckes kann umgekehrt dadurch erreicht werden, dass der Füllungsgrad des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung erhöht wird beziehungsweise die Störung der Kreislaufströmung von Arbeitsmedium im Arbeitsraum vermindert wird, so dass die Leistungsübertragungsfähigkeit (die Leistungszahl λ der hydrodynamischen Kupplung) erhöht wird.A particularly advantageous way, the To control or regulate exhaust backpressure by means of the power transmission in the turbocompound system, provides a controllable clutch in the drive connection between the exhaust gas turbine and the point of feeding the drive power of the exhaust gas turbine into the drive train, in particular between the exhaust gas turbine and the crankshaft or other drive shaft of the internal combustion engine provided. For example, as shown, a hydrodynamic coupling may be provided. By reducing the degree of filling of the working space of the hydrodynamic coupling and operating the hydrodynamic coupling in the partial filling area and / or by introducing a throttle component in the circulation flow of working fluid in the working space of the hydrodynamic coupling, the power transmission from the impeller to the turbine of the hydrodynamic coupling can be reduced. As a result of this reduction in power transmission, the reaction torque, against which the exhaust gas turbine works, decreases, and as a result the exhaust gas pressure in front of the exhaust gas turbine and thus the exhaust counterpressure decreases. An increase in the exhaust pressure upstream of the exhaust gas turbine and thus the exhaust back pressure can be reversed achieved by the degree of filling of the working space of the hydrodynamic coupling is increased or the disturbance of the circulation flow of working fluid is reduced in the working space, so that the power transmission capability (the coefficient of performance λ of the hydrodynamic coupling ) is increased.
Die zuvor dargestellte Einstellung des Abgasgegendruckes durch gezieltes Einstellen der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem kann prinzipiell auch unabhängig davon erfolgen, ob die Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem in Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Drehzahl und des erfassten oder berechneten Drehmomentes in einem ersten Bereich unterbrochen wird und in einem zweiten Bereich aufrechterhalten wird.The previously shown setting the exhaust back pressure by targeted Setting the power transmission in the turbocompound system can in principle also independently done, whether the power transmission in the turbocompound system depending on the detected or calculated speed and the detected or calculated torque is interrupted in a first area and in a second area is maintained.
Eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäß ausgeführten Antriebsstranges
soll nachfolgend anhand der
In
der
Im
Kühlwasserkreislauf
Ferner
ist ein Kondensator
Die
Turboladerturbine
Durch die gezeigte gewählte Reihenfolge der Wärmetauscher in den verschiedenen Strömungswegen wird das Temperaturniveau der Wärmeübertragung eingestellt.By the chosen one shown Order of the heat exchangers in the different flow paths becomes the temperature level of heat transfer set.
Erfindungsgemäß ist eine
Steuervorrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, welche bestimmt,
in welchen Kennfeldbereichen des Verbrennungsmotors
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