DE102008061711B3

DE102008061711B3 - Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang und Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102008061711B3
Application number: DE102008061711A
Authority: DE
Inventors: Thomas Figler; Markus Dr. Kley; Alexander Wunsch
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2028-12-13
Also published as: CN102245874A; BRPI0922946A2; WO2010066452A1; CN102245874B; JP5552129B2; US8740746B2; US20110294621A1; KR20110099307A; JP2012511656A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei der Antriebsstrang umfasst: - einen Verbrennungsmotor, der eine Abtriebswelle mit einer Motordrehzahl antreibt und einen Abgasstrom erzeugt; - eine im Abgasstrom angeordnete Abgasturbine, die in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle steht oder in eine solche schaltbar ist, um Antriebsleistung der Abgasturbine auf die Abtriebswelle zu übertragen; - einen in einem dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluftstrom angeordneten Verdichter, der in einer Triebverbindung mit der Abgasturbine steht und durch diese angetrieben wird, um den Verbrennungsmotor mit einem vorgegebenen Ladedruck aufzuladen; - eine in der Triebverbindung zwischen der Abgasturbine und der Abtriebswelle angeordnete leistungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung, über welche Antriebsleistung der Abgasturbine auf die Abtriebswelle in Abhängigkeit der Leistungssteuerung übertragen wird, und welche ein durch die Abgasturbine angetriebenes Primärrad und ein hydrodynamisch vom Primärrad angetriebenes Sekundärrad, das die Abtriebswelle antreibt, aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, steuert in Abhängigkeit bestimmter Eingangsgrößen die Leistungsübertragung der hydrodynamischen Kupplung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang insbesondere eines Kraftfahrzeugs im Einzelnen mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einem Antriebsstrang insbesondere eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.
Fahrzeugantriebsstränge mit einem turboaufgeladenen und mechanisch aufgeladenen Verbrennungsmotor sind dem Fachmann weithin bekannt und werden auch als Turbolader-Turbocompound-Systeme bezeichnet. Bei der Turboaufladung wird dabei ein Verdichter, der dem Verbrennungsmotor zugeführte Frischluft verdichtet, mittels einer im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordneten Abgasturbine angetrieben. In der Regel ist die Triebverbindung, wie vorteilhaft auch gemäß der vorliegenden Erfindung, zwischen der Abgasturbine und dem Verdichter eine rein mechanische.
Beim Turbocompound wird Antriebsleistung der genannten oder einer zusätzlichen Abgasturbine im Abgasstrom des Verbrennungsmotors zur mechanischen Antriebsleistung des Verbrennungsmotors aufaddiert, indem die Abgasturbine die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zumindest mittelbar antreibt. In der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle ist in der Regel zur Reduzierung von Drehschwingungen eine hydrodynamische Kupplung angeordnet.
Obwohl die genannten Turbolader-Turbocompound-Systeme den Wirkungsgrad des Antriebsstranges in vielen Lastbereichen verbessern können, weisen die bekannten Systeme den Nachteil auf, dass auch Lastbereiche auftreten, in denen das Gesamtsystem einen schlechteren Wirkungsgrad und/oder ungünstigere Emissionen aufweist, als vergleichbare Systeme ohne Turbolader und ohne Turbocompound.
Zum druckschriftlichen Stand der Technik wird auf die Patenschrift DE 44 29 855 C1 verwiesen, welche eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mechanischer Hochtriebsmöglichkeit eines Abgasturboladers beschreibt.
Die Patentschrift DE 102 90 840 B4 beschreibt eine Antriebeinheit mit einem Verbrennungsmotor und einem Abgasturbolader, wobei zwischen einer Abgasturbine und die Kuppelwelle eine hydrodynamische Kupplung geschaltet ist, die auch als hydrodynamischer Retarder betreibbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang sowie ein Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, anzugeben, bei welchem die genannten Nachteile vermieden werden. insbesondere soll eine strategische Steuerung geschaffen werden, welche die Ausnutzung vorhandener Energien zur Wirkungsgradverbesserung im Gesamtlastprofil optimiert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und einen Antriebsstrang mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Gestaltungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei einem Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, der sowohl über eine Turboaufladung als auch über eine mechanische Aufladung mittels eines Turbocompounds verfügt, anwendbar. So weist der Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor auf, der eine Abtriebswelle mit einer Motordrehzahl n_Motor antreibt und einen Abgasstrom erzeugt. Ferner ist im Abgasstrom eine Abgasturbine, auch als Abgasnutzturbine bezeichnet, angeordnet, die in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle steht oder zumindest wahlweise in eine solche schaltbar ist, um Antriebsleistung der Abgasturbine auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zu übertragen. Erfindungsgemäß ist dabei nicht nur die unmittelbare Übertragung der Antriebsleistung der Abgasturbine auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zu verstehen, sondern jeglicher Lastzustand, in welchem die Antriebsleistung der Abgasturbine auf die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors aufaddiert wird, um den Antriebsstrang, insbesondere Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs, anzutreiben.
In einem dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluftstrom ist ein Verdichter, in der Regel Turboverdichter, angeordnet, der in einer Triebverbindung mit der Abgasturbine steht und durch diese angetrieben wird, um den Verbrennungsmotor mit einem vorgegebenen Ladedruck p_BP aufzuladen. Diese Art der Turboaufladung ist dem Fachmann bekannt und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden. Es versteht sich, dass der Verdichter gemäß einer ersten Ausführungsform in einer ständigen, insbesondere rein mechanischen Triebverbindung mit der Abgasturbine steht oder gemäß einer alternativen Ausführungsform wahlweise in eine solche Triebverbindung schaltbar ist, indem eine entsprechende Kupplung zwischen der Abgasturbine und dem Verdichter vorgesehen wird. Auch ist es möglich, zusätzlich zu dem Antriebsaggregat „Abgasturbine” ein weiteres Antriebsaggregat, beispielsweise einen Elektromotor, zum Antrieb des Verdichters vorzusehen.
In der Triebverbindung zwischen der Abgasturbine und der Abtriebswelle ist eine leistungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung vorgesehen. Dabei ist die Beschreibung leistungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung im Sinne der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass auch eine Steuerung des mittels der hydrodynamischen Kupplung übertragenen Momentes erfasst wird, wobei sich durch eine entsprechend einstellende Drehzahl eine entsprechende Leistungsübertragung ergibt.
Mittels der hydrodynamischen Kupplung wird somit Antriebsleistung der Abgasturbine hydrodynamisch auf die Abtriebswelle, und zwar in Abhängigkeit der aktuellen Leistungssteuerung übertragen, um somit Antriebsleistungen der Abgasturbine auf das Primärrad der hydrodynamischen Kupplung, von dort hydrodynamisch auf das Sekundärrad der hydrodynamischen Kupplung und von dort auf die Abtriebswelle zu übertragen. Selbstverständlich können auch solche Betriebszustände auftreten, in welchen das Sekundärrad der hydrodynamischen Kupplung von der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors mit einer größeren Drehzahl angetrieben wird, als das Primärrad der hydrodynamischen Kupplung umläuft. In einem solchen Betriebszustand erfolgt dann eine hydrodynamische Leistungsübertragung vom Sekundärrad der hydrodynamischen Kupplung auf das Primärrad der hydrodynamischen Kupplung in Abhängigkeit der aktuellen vorgesehenen Leistungssteuerung. Da das mit der Abgasturbine zumindest mittelbar, insbesondere rein mechanisch, verbundene Primärrad der hydrodynamischen Kupplung auch in einer Triebverbindung, insbesondere wiederum rein mechanischen Triebverbindung, mit dem im Frischluftstrom angeordneten Verdichter steht, kann im zuletzt genannten Betriebszustand Antriebsleistung hydrodynamisch von der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, auch als Kurbelwelle bezeichnet, auf den Verdichter übertragen werden, um diesen anzutreiben und den Verbrennungsmotor aufzuladen.
Vorteilhaft ist im Abgasstrom parallel zur Abgasturbine ein Bypass vorgesehen, welcher wahlweise geöffnet und geschlossen werden kann, um Abgas wahlweise an der Abgasturbine vorbeizuleiten. Der Begriff Bypass ist erfindungsgemäß dabei derart zu verstehen, dass sowohl ein Ablassen des an der Abgasturbine vorbeigeleiteten Abgasstromes an die Umgebung als auch ein erneutes Einspeisen in eine Abgasleitung hinter der Abgasturbine erfasst wird. Durch Öffnen und Schließen des Bypasses kann somit die Antriebsleistung, welche die Abgasturbine aus der Abgasenergie erzeugt, gesteuert werden. Anstelle oder zusätzlich zu dem Vorsehen und Öffnen beziehungsweise Schließen des Bypasses kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch eine andere Möglichkeit vorgesehen sein, um die Leistungsaufnahme der Abgasturbine zu regeln oder zu steuern. Beispielsweise kann die Abgasturbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet sein, um durch Verstellen von Laufschaufeln und/oder Leitschaufeln die Leistungsaufnahme der Abgasturbine zu regeln.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nun die folgenden Schritte vorgesehen:
Die Drehzahl n_Motor des Verbrennungsmotors wird erfasst oder aus wenigstens einer anderen erfassten Größe berechnet. Ferner wird die Drehzahl n_CC des Verdichters erfasst oder aus wenigstens einer anderen erfassten Größe berechnet. Außerdem wird der Ladedruck p_BP erfasst oder aus wenigstens einer anderen Größe berechnet.
Vorgegeben werden ein Sollladedruck p_{BP_soll} und eine Grenzdrehzahl n_Grenz für den Verdichter. Beide Größen können gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform als konstanter Wert vorgegeben werden. Besonders vorteilhaft wird jedoch zumindest der Sollladedruck variabel oder dynamisch vorgegeben. Die konstante oder variable (dynamische) Vorgabe des Sollladedruckes p_{BP_soll} erfolgt in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters des Verbrennungsmotors, welcher den aktuellen (tatsächlichen) oder einzustellenden Betriebszustand beschreibt. Ein solcher Parameter ist beispielsweise die aktuelle oder die maximal mögliche Leistung des Verbrennungsmotors, das aktuelle oder das maximal mögliche Moment, die aktuelle Drehzahl des Verbrennungsmotors, der Gaszustand und dergleichen.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Aufladung des Verbrennungsmotors durch einen anderen Wert als den Ladedruck zu beschreiben. Beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich zu dem Sollladedruck eine andere den Aufladezustand des Verbrennungsmotors beschreibende Sollgröße vorgegeben werden und entsprechend eine andere Größe als der Ladedruck, welche die Aufladung des Verbrennungsmotors beschreibt, erfasst oder berechnet werden. Nur beispielhaft seien für eine solche andere die Aufladung des Verbrennungsmotors beschreibende Größe die Verdichterdrehzahl (entsprechend Solldrehzahl) oder das Druckverhältnis über dem Verdichter (bei entsprechender Vorgabe eines Solldruckverhältnisses) genannt.
Durch Regeln der hydrodynamischen Leistungsübertragung der hydrodynamischen Kupplung wird die Leistungsübertragung im Antriebsstrang erfindungsgemäß optimiert, und zwar derart, dass zumindest die vier folgenden Bedingungen stets erfüllt sind:

1. Wenn die Drehzahl des Sekundärrades der hydrodynamischen Kupplung größer als die Drehzahl des Primärrades ist, der Ladedruck p_BP kleiner als der Sollladedruck p_{BP_soll} ist und die Drehzahl n_CC des Verdichters kleiner als die Grenzdrehzahl n_Grenz ist, wird die Leistungsübertragung in der hydrodynamischen Kupplung erhöht.
2. Wenn die Drehzahl des Sekundärrades der hydrodynamischen Kupplung größer als die Drehzahl des Primärrades ist und entweder der Ladedruck p_BP größer als der Sollladedruck p_{BP_soll} ist oder die Drehzahl n_CC des Verdichters größer als die Grenzdrehzahl n_Grenz ist, wird die Leistungsübertragung in der hydrodynamischen Kupplung reduziert.
3. Wenn die Drehzahl des Sekundärrades der hydrodynamischen Kupplung kleiner als die Drehzahl des Primärrades ist, der Ladedruck p_BP kleiner als der Sollladedruck p_{BP_soll} ist, und die Drehzahl n_CC des Verdichters kleiner als die Grenzdrehzahl n_Grenz ist, wird die Leistungsübertragung in der hydrodynamischen Kupplung reduziert.
4. Wenn die Drehzahl des Sekundärrades der hydrodynamischen Kupplung kleiner als die Drehzahl des Primärrades ist und entweder der Ladedruck p_BP größer als der Sollladedruck p_{BP_soll} ist oder die Drehzahl n_CC des Verdichters größer als die Grenzdrehzahl n_Grenz ist, wird die Leistungsübertragung in der hydrodynamischen Kupplung erhöht und vorteilhaft zugleich der Bypass, wenn ein solcher vorgesehen ist, geöffnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch ohne das wahlweise Öffnen und Schließen eines Bypasses, beispielsweise durch eine andere Regelung oder Steuerung der Leistungsaufnahme der Abgasturbine ausgeführt werden. Jedoch ist es auch möglich, auf eine solche Regelung oder Steuerung der Leistungsaufnahme gänzlich zu verzichten. Schließlich ist es auch möglich, wie zuvor dargestellt, anstelle des Ladedruckes beziehungsweise des Sollladedruckes eine andere Größe auszuwählen, welche die Aufladung beziehungsweise den Ladezustand des Verbrennungsmotors beschreibt.
Bei den ersten beiden Bedingungen wird der Bypass zur Abgasturbine vorteilhaft vollständig geschlossen beziehungsweise die Abgasturbine derart geregelt oder gesteuert, dass sie die maximal mögliche Leistung aus dem Abgas aufnimmt und in Antriebsleistung umwandelt. Bei der zweiten und der vierten Bedingung können der Ladedruck p_BP größer als der Sollladedruck p_{BP_soll} und gleichzeitig die Drehzahl n_CC des Verdichters größer als die Grenzdrehzahl n_Grenz sein.
Die Leistungssteuerung (Momentensteuerung) der hydrodynamischen Kupplung kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Arten erfolgen. Erfindungsgemäß erfolgt sie besonders vorteilhaft durch Verändern des Füllungsgrades eines durch das Primärrad und das Sekundärrad gebildeten Arbeitsraumes. Bekanntlich erfolgt bei hydrodynamischen Kupplungen die Leistungsübertragung über eine Kreislaufströmung eines Arbeitsmediums in den Arbeitsraum zwischen den beschaufelten Rädern, in der Regel vom Primärrad auf das Sekundärrad, gemäß der vorliegenden Erfindung in bestimmten Betriebszuständen auch vom Sekundärrad auf das Primärrad. Wenn der Arbeitsraum vollständig oder im Wesentlichen vollständig entleerbar ist, kann die Leistungsübertragung auch vollständig unterbrochen werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Leistungssteuerung beziehungsweise Momentensteuerung der hydrodynamischen Kupplung dadurch, dass eine Drosselblende, insbesondere ein Ringschieber, mehr oder minder in die Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum eingebracht wird. Je stärker dadurch die Kreislaufströmung gestört wird, desto stärker ist die Reduzierung der Leistungsübertragung beziehungsweise des übertragenen Momentes. Wenn eine entsprechende Drosselblende zur Störung der Kreislaufströmung vorgesehen ist, kann die hydrodynamische Kupplung gemäß einer Ausführungsform stets gefüllt, insbesondere vollgefüllt ausgeführt sein, das heißt im Arbeitsraum befindet sich stets eine vorgegebene maximale Menge von Arbeitsmedium. Alternativ kann die Kupplung auch entleerbar sein, um die Leistungsübertragung vollständig zu unterbrechen. Auch in diesem Fall ist jedoch der Füllungsgrad des Arbeitsraums mit Arbeitsmedium nicht gezielt einstellbar, das heißt es ist keine Füllungssteuerung vorgesehen. Selbstverständlich ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform möglich, eine Füllungssteuerung mit einer Drosselblende zur wahlweisen Störung der Kreislaufströmung im Arbeitsraum zu kombinieren.
Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche die Leistungsübertragung beziehungsweise die Momentenübertragung in der hydrodynamischen Kupplung steuert. Die Steuervorrichtung ist mit einem oder mehreren Dateneingängen versehen, welche als Eingangsgrößen die Drehzahl des Verbrennungsmotors, die Drehzahl des Verdichters, den Ladedruck und einen vorgegebenen Sollladedruck empfangen und der Steuervorrichtung zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stellen. In Abhängigkeit dieser Eingangsgrößen wird dann das vorliegend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durch die Steuervorrichtung ausgeführt, indem diese steuernd auf die hydrodynamische Kupplung, beispielsweise über eine Füllungssteuerung oder den Antrieb einer Drosselblende, zugreift und den Bypass um die Abgasturbine öffnet oder schließt. Anstelle des oder zusätzlich zu dem Ladedruck beziehungsweise dem Sollladedruck kann wiederum eine andere den Ladezustand des Verbrennungsmotors beschreibende Größe herangezogen werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die genannten Größen nicht fortlaufend im Betrieb des Antriebsstrangs zu erfassen, sondern in der Steuervorrichtung Kennlinien und/oder wenigstens ein Kennfeld zu hinterlegen, aus welchem dann die notwendigen Größen zur erfindungsgemäßen Steuerung abgeleitet werden. Solche Kennlinien beziehungsweise ein solches Kennfeld können beispielsweise aus Prüfungstandsversuchen erzeugt werden oder es kann bei Inbetriebnahme ein lernendes System das entsprechende Kennfeld beziehungsweise die Kennlinien erzeugen. Beispielsweise kann das Kennfeld die genannten Eingangsgrößen in Abhängigkeit der aktuellen Motorleistung, insbesondere in Abhängigkeit des aktuellen Motormomentes und der aktuellen Motordrehzahl als Eingangsgrößen zur erfindungsgemäßen Einstellung der Leistungsübertragung zur Verfügung stellen. Dementsprechend ist der Begriff Eingangsgröße der Steuervorrichtung entsprechend breit zu verstehen.
Selbstverständlich können Eingangsgrößen auch von einem Steuergerät, insbesondere Fahrzeugsteuergerät elektronisch zur Verfügung gestellt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden, wobei einzelne der in den Figuren dargestellten und nachfolgend beschriebenen Details nicht stets in Kombination, sondern auch einzeln oder in einzelnen Gruppen ausgeführt werden können.
Es zeigen:
1 ein schematisches Anordnungsbeispiels der verschiedenen Komponenten eines erfindungsgemäß ausgeführten Antriebsstranges;
2 schematisch ein Beispiel einer erfindungsgemäß vorgesehenen Steuervorrichtung;
3 ein Beispiel für eine Steuerung der Füllungsänderung des Arbeitsraums der hydrodynamischen Kupplung.
In der 1 ist ein möglicher erfindungsgemäßer Antriebsstrang dargestellt, umfassend einen Verbrennungsmotor 1 mit einer Abtriebswelle 1.1. Der Verbrennungsmotor wird mittels eines Kühlwasserkreislaufes 12 gekühlt, was dem Fachmann bekannt ist und nicht weiter erläutert werden muss.
Der Verbrennungsmotor 1 erzeugt einen Abgasstrom 2, in welchem vorliegend zwei Abgasturbinen, nämlich die erste Abgasturbine 3 und die zweite Abgasturbine 9 in Reihe zueinander angeordnet und derart mit Abgas beaufschlagt sind, dass sie Abgasenergie in Antriebsleistung umwandeln. Vorliegend ist die zweite Abgasturbine 9 in Strömungsrichtung des Abgases vor der ersten Abgasturbine 3 angeordnet und treibt einen Verdichter, vorliegend als zweiter Verdichter 8 bezeichnet, an, der Frischluft eines Frischluftstromes 4 verdichtet und dem Verbrennungsmotor 1 zur Aufladung desselben zuführt. Vorliegend ist der zweite Verdichter 8 über eine gemeinsame Welle 10 mit der zweiten Abgasturbine 9 verbunden beziehungsweise werden die jeweiligen Laufräder des Verdichters 8 und der Abgasturbine 9, die jeweils als Turbomaschinen ausgeführt sind, durch die gemeinsame Welle 10 getragen. Der Verdichter 8 stellt ferner eine Hochdruckstufe dar, wohingegen die Abgasturbine 9 eine Niederdruckstufe darstellt.
In Strömungsrichtung der Frischluft im Frischluftstrom 4 vor dem zweiten Verdichter 8 ist ein erster Verdichter 5 vorgesehen, der eine Niederdruckstufe darstellt und mittels der ersten Abgasturbine 3 angetrieben wird. Die gezeigte Triebverbindung ist wiederum eine rein mechanische Triebverbindung, vorliegend von einer Welle 3.1 der Abgasturbine 3 über eine Zahnrad, insbesondere Stirnradstufe auf das Primärrad 6.1 der hydrodynamischen Kupplung 6, über eine zweite Zahnradstufe, wiederum als Stirnradstufe ausgeführt, weiter auf die Welle 5.1 des Verdichters 5, welche dann das entsprechende Laufrad des Verdichters 5 drehbar trägt.
Die Abgasturbine 3 ist zugleich über die hydrodynamische Kupplung 6 in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle 1.1 des Verbrennungsmotors 1 verbunden, und zwar derart, dass die Triebverbindung über den Arbeitsraum 6.3 beziehungsweise den Strömungskreislauf von Arbeitsmedium im Arbeitsraum 6.3 geführt ist und somit eine hydrodynamische Leistungsübertragung, welche Drehschwingungen dämpft, erfolgt.
Beispielsweise durch gezieltes Verändern des Füllungsgrades des Arbeitsraumes 6.3 der hydrodynamischen Kupplung 6 kann die Leistungsübertragung mit der hydrodynamischen Kupplung 6 gesteuert werden und zwar sowohl in einem ersten Betriebszustand die von der Abtriebswelle 1.1 über die hydrodynamische Kupplung 6 auf den Verdichter 5 übertragene Leistung als auch in einem zweiten Betriebszustand die von der Abgasturbine 3 über die hydrodynamische Kupplung 6 auf die Abtriebswelle 1.1 übertragene Leistung. Zur gezielten Einstellung des Füllungsgrades im Arbeitsraum 6.3 ist eine Steuervorrichtung 11 vorgesehen, die entsprechend steuernd auf die hydrodynamische Kupplung 6 zugreift, beispielsweise indem sie ein Ventil im Zulauf und/oder ein Ventil im Ablauf des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum 6.3 beziehungsweise aus dem Arbeitsraum 6.3 öffnet und/oder schließt und insbesondere steuernd in eine vorgegebene Zwischenstellung (Regelstellung) verbringt.
Die Steuervorrichtung 11 empfängt bestimmte Eingangsgrößen, beispielsweise über einen CAN-Bus 13, nämlich zumindest die Drehzahl n_Motor des Verbrennungsmotors 1, die Drehzahl n_CC des Verdichters 5, den Ladedruck p_BP, mit welchem der Verbrennungsmotor 1 aufgeladen wird, das heißt der am Ende des Frischluftstromes 4, vorliegend hinter dem zweiten Verdichter 8 eingestellt wird und in das Motorengehäuse zur Verbrennung mit einem entsprechenden Kraftstoff eingeleitet wird, und ferner einen vorgegebenen Sollladedruck p_{BP_soll}.
Die Steuervorrichtung 11 bestimmt ferner, ob ein Bypass 7 zur Abgasturbine 3 für Abgas des Abgasstromes 2 geöffnet oder geschlossen wird, beispielsweise indem sie ein Ventil 7.1 oder Drossel oder Klappe oder dergleichen im Bypass 7 oder an der Abzweigstelle oder auch an der Stelle der erneuten Vereinigung mit der Abgasleitung betätigt.
In der 2 ist nochmals ein Ausführungsbeispiel für die Steuervorrichtung 11 dargestellt sowie die Eingangsgrößen, welche die Steuervorrichtung 11 verarbeitet, um die Steuerung der Kupplungsfüllung, vorliegend als F_TK bezeichnet, zu bewirken.
Die 3 zeigt ein Beispiel für die Steuerung der Füllungsänderung des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung, um die mit der hydrodynamischen Kupplung übertragenen Leistung beziehungsweise das übertragene Moment zu ändern. Ziel dieser hier beschriebenen vorteilhaften Steuerung der Füllungsänderung ist, die Zeit der Füllungsänderung, insbesondere beim Füllvorgang, wenn somit also vergleichsweise mehr Arbeitsmedium in den Arbeitsraum eingebracht werden soll, zu verkürzen. In der Figur ist der Öffnungsquerschnitt beziehungsweise der zugehörige Arbeitsmediumstrom Q durch das Ventil (nicht gezeigt) in den Arbeitsraum dargestellt, sowie der Füllungsgrad F des Arbeitsraumes, beides über der Zeit t.
Eine besonders schnelle Befüllung kann nämlich erreicht werden, wenn, wie in der 3 dargestellt, kurzzeitig eine maximale Öffnung eines im Zulauf des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum angeordneten Ventils eingestellt wird und nach Ablauf dieser vorgegebenen kurzen Zeitspanne eine gegenüber der maximalen Öffnung reduzierte Öffnung, vorliegend Sollöffnung genannt, eingestellt wird, in welcher ein vorgegebener Sollvolumenstrom von Arbeitsmedium durch den Arbeitsraum hindurch, also zunächst in den Arbeitsraum herein und wieder aus diesem heraus, strömt. Die Dauer der maximalen Öffnung kann besonders vorteilhaft als Funktion der Drehzahldifferenz zwischen den beiden Schaufelrädern der hydrodynamischen Kupplung und/oder der Schlupfdifferenz, das heißt den Unterschied zwischen dem Schlupf zwischen den beiden Schaufelrädern zu Beginn der Änderung der Füllung und dem gewünschten einzustellenden Schlupf beim Abschluss der Füllungsänderung, und/oder des maximalen Volumenstroms durch das Ventil eingestellt werden. In der 3 ist diese Zeitspanne der maximalen Öffnung mit Δt1 bezeichnet und kann somit in Abhängigkeit der folgenden Funktion berechnet werden: Δt1 = f(Δn, Δs, Qmax_Ventil)
Es wird somit eine kurzzeitige Übersteuerung vorgesehen, welche die Füllungsänderung beschleunigt. Besonders vorteilhaft ist dieses Übersteuern bei einer sogenannten zulaufgesteuerten, durchflossenen hydrodynamischen Kupplung mit konstantem Ablaufquerschnitt des Arbeitsmediums.
Obwohl anhand der 3 eine vorteilhafte Füllungsänderung im Sinne eines stärkeren Befüllens des Arbeitsraums dargestellt wurde, kann ein entsprechendes Übersteuern auch bei einer teilweisen Entleerung des Arbeitsraums angewendet werden, wenn nämlich das Ventil im Zulauf kurzzeitig vollständig geschlossen wird (Δt1) und anschließend auf die gewünschte Sollöffnung eingestellt wird. Auch ist es möglich, bei einem in einem Ablauf für Arbeitsmedium vorgesehenen Ventil ein entsprechendes Übersteuern vorzusehen, beispielsweise indem beim teilweisen Entleeren das Ventil kurzzeitig vollständig geöffnet und dann in die gewünschte Sollöffnungsstellung verbracht wird und/oder beim stärkeren Befüllen kurzzeitig vollständig geschlossen wird, bevor es in die Sollöffnungsstellung verbracht wird.
Die dargestellte Übersteuerung kann auch bei einer Leistungssteuerung der hydrodynamischen Kupplung mittels Einbringen einer Drosselblende in den Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum vorgesehen sein, indem die Drosselung zunächst vergleichsweise stärker oder schwächer und dann auf einen vorgegebenen Sollwert eingestellt wird.
In der 3 ist mit Δt2 die Zeitspanne der Füllungsänderung bezeichnet.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei der Antriebsstrang umfasst: 1.1 einen Verbrennungsmotor (1), der eine Abtriebswelle (1.1) mit einer Motordrehzahl (n_Motor) antreibt und einen Abgasstrom (2) erzeugt; 1.2 eine im Abgasstrom (2) angeordnete Abgasturbine (3), die in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle (1.1) steht oder in eine solche schaltbar ist, um Antriebsleistung der Abgasturbine (3) auf die Abtriebswelle (1.1) zu übertragen; 1.3 einen in einem dem Verbrennungsmotor (1) zugeführten Frischluftstrom (4) angeordneten Verdichter (5), der in einer Triebverbindung mit der Abgasturbine (3) steht und durch diese angetrieben wird, um den Verbrennungsmotor (1) mit einem vorgegebenen Ladedruck (p_BP) aufzuladen; 1.4 eine in der Triebverbindung zwischen der Abgasturbine (3) und der Abtriebswelle (1.1) angeordnete leistungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung (6), über welche Antriebsleistung der Abgasturbine (3) auf die Abtriebswelle (1.1) in Abhängigkeit der Leistungssteuerung übertragen wird, und welche ein durch die Abgasturbine (3) angetriebenes Primärrad (6.1) und ein hydrodynamisch vom Primärrad (6.1) angetriebenes Sekundärrad (6.2), das die Abtriebswelle (1.1) antreibt, aufweist; mit den folgenden Schritten: 1.5 die Drehzahl (n_Motor) des Verbrennungsmotors (1) wird erfasst oder aus wenigstens einer anderen erfassten Größe berechnet; 1.6 die Drehzahl (n_CC) des Verdichters (5) wird erfasst oder aus wenigstens einer anderen erfassten Größe berechnet; 1.7 der Ladedruck (p_BP) oder eine andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Größe wird erfasst oder aus wenigstens einer anderen erfassten Größe berechnet; 1.8 ein Sollladedruck (p_{BP_soll}) oder eine andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Sollgröße wird in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters des tatsächlichen oder einzustellenden Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1) und/oder des Abgasstromes (2) vorgegeben, und es wird eine Grenzdrehzahl (n_Grenz) für den Verdichter (5) vorgegeben; 1.9 die Leistung der hydrodynamischen Kupplung (6) wird geregelt, um die folgenden Bedingungen zu erfüllen: – wenn die Drehzahl des Sekundärrades (6.2) der hydrodynamischen Kupplung (6) größer als die Drehzahl des Primärrades (6.1) ist, der Ladedruck (p_BP) oder die andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Größe kleiner als der Sollladedruck (p_{BP_soll}) oder die andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Sollgröße ist und die Drehzahl (n_CC) des Verdichters (5) kleiner als die Grenzdrehzahl (n_Grenz) ist, wird die Leistungsübertragung in der hydrodynamischen Kupplung (6) erhöht; – wenn die Drehzahl des Sekundärrades (6.2) der hydrodynamischen Kupplung (6) größer als die Drehzahl des Primärrades (6.1) ist und entweder der Ladedruck (p_BP) oder andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Größe größer als der Sollladedruck (p_{BP_soll}) oder die andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Sollgröße ist oder die Drehzahl (n_CC) des Verdichters (5) größer als die Grenzdrehzahl (n_Grenz) ist, wird die Leistungsübertragung in der hydrodynamischen Kupplung (6) reduziert; – wenn die Drehzahl des Sekundärrades (6.2) der hydrodynamischen Kupplung (6) kleiner als die Drehzahl des Primärrades (6.1) ist, der Ladedruck (p_BP) oder die andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Größe kleiner als der Sollladedruck (p_{BP_soll}) oder die andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Sollgröße ist, und die Drehzahl (n_CC) des Verdichters (5) kleiner als die Grenzdrehzahl (n_Grenz) ist, wird die Leistungsübertragung in der hydrodynamischen Kupplung (6) reduziert; – wenn die Drehzahl des Sekundärrades (6.2) der hydrodynamischen Kupplung (6) kleiner als die Drehzahl des Primärrades (6.1) ist und entweder der Ladedruck (p_BP) oder die andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Größe größer als der Sollladedruck (p_{BP_soll}) oder die andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Sollgröße ist oder die Drehzahl (n_CC) des Verdichters (5) größer als die Grenzdrehzahl (n_Grenz) ist, wird die Leistungsübertragung in der hydrodynamischen Kupplung (6) erhöht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Drehzahl des Sekundärrades (6.2) der hydrodynamischen Kupplung (6) kleiner als die Drehzahl des Primärrades (6.1) ist und entweder der Ladedruck (p_BP) oder die andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschriebene Größe größer als der Sollladedruck (p_{BP_soll}) oder die andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschriebene Sollgröße ist oder die Drehzahl (n_CC) des Verdichters (5) größer als die Grenzdrehzahl (n_Grenz) ist und die Leistungsübertragung in der hydrodynamischen Kupplung (6) erhöht wird, zugleich die Leistungsaufnahme der Abgasturbine (3) gezielt vermindert wird, insbesondere durch Öffnen eines Bypasses (7), der im Abgasstrom (2) parallel zur Abgasturbine (3) vorgesehen ist und wahlweise geöffnet und verschlossen werden kann, um Abgas an der Abgasturbine (3) wahlweise vorbeizuleiten, und/oder durch Verstellen von Laufschaufeln und/oder Leitschaufeln in der Abgasturbine (3).
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungssteuerung der hydrodynamischen Kupplung (6) durch Verändern des Füllungsgrades eines durch das Primärrad (6.1) und das Sekundärrad (6.2) gebildeten Arbeitsraumes (6.3), der gezielt mehr oder minder mit Arbeitsmedium befüllbar ist, bewirkt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungssteuerung der hydrodynamischen Kupplung (6) durch ein mehr oder minder weites Einbringen einer Drosselblende in eine Kreislaufströmung von Arbeitsmedium in einem durch das Primärrad (6.1) und das Sekundärrad (6.2) gebildeten, mit Arbeitsmedium befüllbaren oder befüllten Arbeitsraum (6.3) bewirkt wird, um die Kreislaufströmung mehr oder minder zu stören.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Änderung des Füllungsgrades des Arbeitsraumes (6.3) der hydrodynamischen Kupplung (6) ein Ventil im Zulauf und/oder ein Ventil im Ablauf des Arbeitsmediums in den oder aus dem Arbeitsraum (6.3) kurzzeitig maximal geöffnet oder geschlossen wird und anschließend in eine vorgegebene Sollöffnungsstellung gebracht wird, um in dieser Sollöffnungsstellung einen vorgegebenen Sollvolumenstrom von Arbeitsmedium in den Arbeitsraum (6.3) und aus diesem heraus zu bewirken.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) zusätzlich mittels eines zweiten im Frischluftstrom (4), insbesondere in Strömungsrichtung hinter dem ersten Verdichter (5), angeordneten Verdichters (8), der mittels einer zweiten Abgasturbine (9), die im Abgasstrom (2), insbesondere in Strömungsrichtung vor der ersten Abgasturbine (3), angeordnet ist, angetrieben wird, insbesondere über eine gemeinsame Welle (10), aufgeladen wird.
Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend: 7.1 einen Verbrennungsmotor (1), der eine Abtriebswelle (1.1) mit einer Motordrehzahl (n_Motor) antreibt und einen Abgasstrom (2) erzeugt; 7.2 eine im Abgasstrom (2) angeordnete Abgasturbine (3), die in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle (1.1) steht oder in eine solche schaltbar ist, um Antriebsleistung von der Abgasturbine (3) auf die Abtriebswelle (1.1) zu übertragen; 7.3 einen in einem dem Verbrennungsmotor (1) zugeführten Frischluftstrom (4) angeordneten Verdichter (5), der in einer Triebverbindung mit der Abgasturbine (3) steht und durch diese angetrieben wird, um den Verbrennungsmotor (1) mit einem vorgegebenen Ladedruck (p_BP) aufzuladen; 7.4 eine in der Triebverbindung zwischen der Abgasturbine (3) und der Abtriebswelle (1.1) angeordnete leistungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung (6), über welche Antriebsleistung der Abgasturbine (3) auf die Abtriebswelle (1.1) in Abhängigkeit der Leistungssteuerung übertragen wird, und welche ein durch die Abgasturbine (3) angetriebenes Primärrad (6.1) und ein hydrodynamisch vom Primärrad (6.1) angetriebenes Sekundärrad (6.2), das die Abtriebswelle (1.1) antreibt, aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass 7.5 eine Steuervorrichtung (11) vorgesehen ist, welche steuernd mit der hydrodynamischen Kupplung (6) verbunden ist, um die Leistungsübertragung derselben zu steuern, und welche ferner als Eingangsgrößen die Drehzahl (n_Motor) des Verbrennungsmotors (1), die Drehzahl (n_CC) des Verdichters (5), den Ladedruck (p_BP) oder eine andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Größe und einen vorgegebenen Sollladedruck (p_{BP_soll}) oder eine andere die Aufladung des Verbrennungsmotors (1) beschreibende Sollgröße sowie eine vorgegebene Grenzdrehzahl (n_CC) des Verdichters (5) aufweist und eingerichtet ist, in Abhängigkeit dieser Eingangsgrößen ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom (2) eine zweite Abgasturbine (9), insbesondere in Strömungsrichtung vor der ersten Abgasturbine (3) angeordnet ist, welche in einer Triebverbindung, insbesondere über eine gemeinsame Welle (10), mit einem zweiten, im Frischluftstrom (4), insbesondere in Strömungsrichtung hinter dem ersten Verdichter (5), angeordneten Verdichter (8) steht, um den Verbrennungsmotor (1) aufzuladen.