DE102009024774A1

DE102009024774A1 - Verfahren zum Aufwärmen von Komponenten eines Antriebsstrangs sowie Antriebsstrang eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102009024774A1
Application number: DE102009024774A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufwärmen von Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, bei welchem mittels einer Regelungseinrichtung (74) eine Wärmemenge einer Luftseite (34) einer Verbrennungskraftmaschine (20) des Antriebsstrangs den jeweiligen Komponenten des Antriebsstrangs zugeführt wird, sowie ein Antriebsstrang eines Kraftwagens mit einer Verbrennungskraftmaschine (30) und einer Mehrzahl an Komponenten des Antriebsstrangs, wobei eine Regelungseinrichttung (74) vorgesehen ist, mittels welcher eine Wärmemenge einer Luftseite (34) der Verbrennungskraftmaschine (30) den jeweiligen Komponenten des Antriebsstrangs zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufwärmen von Komponenten eines Antriebsstrangs nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Antriebsstrang eines Kraftwagens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 13.
Seit geraumer Zeit wird die drehzahlstationäre Turboaufladung weiter entwickelt, bei der als Kernmerkmal eine Nutzung einer Verdichterseite eines Aufladesystems einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine in einem Teillastgebiet derselbigen, insbesondere bei Ottomotorenanwendungen, als Kaltluft-Turbine dient. Hierdurch wird es ermöglicht, eine Rotordrehzahl eines Abgasturboladers des Aufladesystems auch bei geringerem Energieangebot auf dessen heißer Abgasseite auf einem hohen Niveau zu halten.
In Verbindung mit einem Abgasrückführ-System stehen in bestimmten Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine hohe Abgasrückführ-Raten und damit ein Luft-Abgasgemisch mit hohen Temperaturen und gegebenen Massendurchsätzen entsprechend gegebenenfalls hohe Wärmemengen in dem Abgasturbolader in Form einer Zweistrom-Maschine zur Verfügung. Diese vorteilhaften Wärmemengen werden in einem ersten Schritt in einem Heißgasturbinenbetrieb auf einer Luftseite der Verbrennungskraftmaschine für eine Umsetzung in hohe Turbinenleistungen des Abgasturboladers beziehungsweise zu Erhaltung eines hohen Drehzahlniveaus des Abgasturboladers genutzt.
Zudem wird besonders in niederen Teillastgebieten eine Einregelung auf optimale Gaseintrittstemperaturen für eine Verbrennung in Zylindern der Verbrennungskraftmaschine als eine weitere positive Einwirkmöglichkeit getätigt, welche eine Verbrauchsreduktion auch durch einen größeren Enddrosselungsgrad über eine Begünstigung eines verbesserten Ladungswechsels der Verbrennungskraftmaschine mit unterstützt.
Neben dieser Bevorteilung der Verbrennung und des Ladungswechsels sind weitere Nutzungsmöglichkeiten der bisher in einem Abgasrückführ-Luft-Wärmetauscher abgeführten Wärmemengen, insbesondere in einem Kalt-Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine, gegeben, die bisher ungenützt blieben.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wärmemengen der eingangs beschriebenen Art derart zu nutzen, dass eine schnelle Aufwärmung von Komponenten eines Antriebsstrangs ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Aufwärmen von Komponenten eines Antriebsstrangs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Antriebsstrang eines Kraftwagens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird also angestrebt, bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einem entsprechenden Aufladesystem vorhandene Wärmemengen für eine sehr schnelle Aufwärmung und nachfolgende Konstanthaltung verbrauchsoptimaler Betriebstemperaturen von verbrauchsrelevanten Bauteilen eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens bis zu Radlagern, beispielsweise Lagerstellen, Zylinderwandungen und Kolben, Getriebe, Antriebswellen, Abgastrakt mit Abgasnachbehandlungsanlage et cetera, wie auch eines Schmierstoffs und eines Kühlmediums, beispielsweise Kühlwasser, in größtmöglichen Betriebszeiträumen optimal zu erreichen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufwärmen von Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens wird also mittels einer Regelungseinrichtung eine Wärmemenge einer Luftseite einer Verbrennungskraftmaschine des Antriebsstrangs den jeweiligen Komponenten des Antriebsstrangs zugeführt. Eine solche Wärmemenge wird beispielsweise durch ein Abgas und/oder durch ein Luft-Abgasgemisch transportiert, welches beispielsweise in Folge einer Abgasrückführung mittels eines Abgasrückführsystems von einer Abgasseite auf die Luftseite der Verbrennungskraftmaschine, so zum Beispiel in einen Ansaugtrakt derselbigen, zurückgeführt wird. Dadurch ist in allen denkbaren stationären wie instationären Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine ein optimales Thermomanagement erreicht und damit eine minimale Wärmeabfuhr aus einem Abgasrückführ-Luft-Wärmetauscher, wodurch eine Nutzung der ansonsten ungenutzten Wärmemenge erreicht ist zum Aufwärmen und Konstanthalten der optimalen Betriebstemperatur des Antriebsstrangs. Durch dieses schnelle Aufheizen insbesondere bei kalten Umgebungsbedingungen und durch das Konstanthalten der Temperatur ist eine enorme Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, womit eine Reduzierung von CO₂-Emissionen derselbigen einhergeht. Eine derartige schnelle Aufwärmung und Konstanthaltung der Temperatur ist insbesondere bei Bauteilen vorteilbehaftet, bei denen in einem kalten Betriebszustand hohe Reibleistungsverluste in Folge einer hohen Reibung herrschen und die gegebenenfalls mittels eines Schmiermittels geschmiert werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um Lager oder Getriebe oder Zahnräder des Antriebsstrangs oder dergleichen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wärmemenge durch ein Abgas und/oder ein Luft-Abgasgemisch einer stromauf der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Brennkammer transportiert wird. Das bedeutet also, dass auf der Luftseite, also auf Seiten des Ansaugtrakts der Verbrennungskraftmaschine, eine Brennkammer vorgesehen ist, mittels welcher die auf der Luftseite strömende Luft mit einem Abgas beaufschlagt und somit erhitzt werden kann. Dies hat insbesondere bei sehr kalten Umgebungsbedingungen den Vorteil inne, dass dadurch eine besonders schnelle Aufwärmung der Luft auf der Luftseite und damit eine besonders schnelle Aufwärmung der Komponenten des Antriebsstrangs ermöglicht ist.
Eine derartige Brennkammer kommt insbesondere in Zusammenhang mit einem Abgasturbolader in Form einer Zweistrom-Maschine zum Einsatz, bei welchem also der Verdichter dieses Abgasturboladers im Rahmen eines Heißgasbetriebs als Turbine betreibbar ist. Um eine Drehzahl des Abgasturboladers auf einem gewissen Niveau zu halten, ist es von Nöten, dass die antreibende Luft über ein gewisses Energieniveau verfügt, welches durch das Erhitzen der Luft mittels der Brennkammer zur Verfügung gestellt werden kann. Dadurch existieren also auf der Luftseite der Verbrennungskraftmaschine hohe Wärmemengen, die durch das Luft-Abgasgemisch transportiert werden und somit zur schnelleren Aufheizung und Konstanthaltung der Temperatur der Komponenten des Antriebsstrangs in einem verbrauchsoptimalen Bereich dienen.
Dadurch ist eine weitere Absenkung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine erreicht. Dabei versteht sich, dass die Brennkammer in Verbindung mit der Zweistrom-Maschine stromauf dieser Zweistrom-Maschine angeordnet ist.
Wird eine Wärmemenge eines von der Abgasseite zu der Luftseite der Verbrennungskraftmaschine zurückgeführtes Abgas den jeweiligen Komponenten des Antriebsstrangs zugeführt, so geht damit der Vorteil einher, dass ein noch höheres Wärmeangebot zum Erwärmen und zur Konstanthaltung der Temperatur der Komponenten des Antriebsstrangs in einem verbrauchsoptimalen Bereich zur Verfügung steht, wodurch eine noch schnellere Erwärmung ermöglicht und damit eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmemenge einem zu der jeweiligen Komponente korrespondierenden Wärmetauscher zugeführt. Dadurch ist ein optimaler Wärmeübergang zwischen einem die Wärmemenge transportierendem Medium wie beispielsweise dem Abgas und der entsprechenden Komponente des Antriebsstrangs realisiert, ohne dass das Medium an die Umwelt austritt, was insbesondere im Falle eines Abgases, welches noch nicht durch eine Abgasnachbehandlungsanlage geströmt ist, zu einer erheblichen Umweltbelastung führen würde. Dies ist durch diesen Aspekt der Erfindung vermieden, was somit im Sinne des Umweltschutzes äußerst vorteilbehaftet ist. Nichtsdestotrotz ist es allerdings ebenso möglich, die Wärmemenge der jeweiligen Komponente direkt zuzuführen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das heiße Abgas die entsprechende Komponente direkt umströmt. Zur definierten Führung und zur Vermeidung des beschriebenen Austritts des Abgases an die Umwelt ist es jedoch von Vorteil, den Wärmeübergang durch einen Wärmetauscher zu realisieren.
Der definierten Führung des Mediums beziehungsweise dem definierten Transport der Wärmemenge ist es weiterhin äußerst zuträglich, wenn die Wärmemenge über eine Verrohrung zu der jeweiligen Komponente beziehungsweise zu dem jeweiligen Wärmetauscher geleitet wird.
Ist also durch das erfindungsgemäße Verfahren ein optimales Thermomanagement zum schnellen Aufheizen und zum Konstanthalten der Temperatur der Komponenten in einem verbrauchsoptimalen Bereich realisiert, so wird in einem zeitlichen Mittel auch zu jedem Betriebspunkt, unter Vorraussetzung einer Verbrennungsführung der Verbrennungskraftmaschine zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten, eine zu einem Verbrauchsminimum der Verbrennungskraftmaschine zugehörige minimale Abgastemperatur beispielsweise kurz vor Austritt des Abgases an die Umwelt, also zwischen einer Abgasnachbehandlungsanlage und dem Austritt des Abgases an die Umwelt, erreichbar werden. Eine minimale Abgastemperatur bedeutet also eine maximale Aufwärmung der Komponenten des Antriebsstrangs beziehungsweise des Antriebsstrangs selbst, weswegen vorteilhafter Weise die Wärmemenge der Komponenten in Abhängigkeit der Temperatur des Abgases der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Eine Ausnutzung der hohen, auf der Luftseite der Verbrennungskraftmaschine befindlichen beziehungsweise auf die Luftseite der Verbrennungskraftmaschine rezirkulierenden Wärmemengen beziehungsweise der Wärmemenge für das schnellst mögliche Aufwärmen der Komponenten des Antriebsstrangs und des gesamten Antriebsstrangs selbst, des Kühlmediums und des Schmiermittels unter Zuhilfenahme der Wärmemenge des rückgeführten Abgases für eine optimale Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine, wobei ein unmittelbares nahezu sprungförmiges Abrufen von Verbrennungsluftmengen an einem permanent hochdrehenden Abgasturbolader für ein sehr gutes Fahrverhalten vorausgesetzt wird, steht mit einer zeitlich gemittelten Minimierung eines Fahrverbrauchs als Hauptregelungsgröße über eine Bewertung dessen indirekten Parameters der Abgasaustrittstemperatur T_aus im Fokus.
Die Regelungseinrichtung kontrolliert und dosiert entsprechende Steller, die eine Zuteilung von Einzelwärmemengen an lokale Wärmeverbraucher, also an die aufzuwärmenden Komponenten des Antriebsstrangs, bestimmen, so, dass das abströmende Abgas in einem Bereich eines Auspuffs des Antriebsstrangs für jeden Betriebspunkt im Mittel eine minimale Austrittstemperatur T_aus zeigt.
In transienten Phasen der Verbrennungskraftmaschine kann diese Austrittstemperatur T_aus sehr weit von dem minimalen Wert nach oben hin abweichen, wodurch eine schnelle Aufwärmung verbrauchskritischer Komponenten des Antriebsstrangs erreicht wird. Ein angestrebter niederster mittlerer Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine erfordert eine Definition einer Bezugsgröße für die Mittelung. Dazu ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass eine Mittelung der Temperatur des Abgases über eine Fahrstrecke des Kraftwagens und/oder über eine Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird. Ebenso ist eine Kombination dieser Mittelungen und gegebenenfalls eine Gewichtung geeignet: Taus,mittel = = 1/ΔsΣTausds Δs = x Taus,mittel = = 1/ΔtΣTausdt Δt = y
Wobei Δs eine gesamte Fahrstrecke beispielsweise in der Einheit Kilometer, T_aus die Austrittstemperatur des Abgases und ds Einzelfahrstrecken, Δt die gesamte Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine und dt Einzelbetriebszeiten der Verbrennungskraftmaschine bedeuten. T_aus,mittel bedeutet hier die minimale mittlere Abgasaustrittstemperatur. Die Einheit von Δt kann dabei beispielsweise Sekunden sein.
Eine derartige Mittelung erlaubt, einen Aufheizvorgang der Komponenten des Antriebsstrangs sowie Gradienten und zeitliche Verläufe zu verfolgen und aufzuzeichnen und somit die Wärmemenge optimiert und optimal an die einzelnen Komponenten zu führen zur schnellen Aufheizung und zur Konstanthaltung der Temperatur in einem betriebsoptimalen Bereich zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine. Ergibt diese Mittelung einen geringen Wert für T_aus,mittel so lässt die den Schluss zu, dass eine große Wärmemenge an die Komponenten des Antriebsstrangs abgegeben wurde und diese somit optimal erwärmt wurden zur Erreichung der bereits beschriebenen Vorteile. Damit ist ein Indikator geschaffen, ob ein guter Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des gesamten Antriebsstrangs vorliegt und ein möglichst großer Teil der Wärmemenge zur Aufwärmung der Komponenten weiter verwendet wurde.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass je höher die Abgasrückführrate ist, desto höher ist die zur Aufwärmung der Komponenten des Antriebsstrangs zur Verfügung stehende Wärmemenge auf der Luftseite der Verbrennungskraftmaschine. Mit steigender Abgasrückführrate steigt somit auch ein verteilbares Wärmepotential. Dies legt den Schluss nahe, dass, wird eine hohe Wärmemenge zum schnellen Aufwärmen und zum Konstanthalten der Temperatur des Antriebsstrangs benötigt, eine Abgasrückführrate, also eine Menge des rückgeführten Abgases, massiv zu steigern. Eine Grenze dieses Vorgangs setzt allerdings die Verbrennung der Verbrennungskraftmaschine. Dies bedeutet, dass die Abgasrückführung primär vor dem Hintergrund einer Sicherstellung einer sicheren und emissionsarmen Verbrennung der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden muss zur Vermeidung erhöhter Emissionen oder einer klopfenden Verbrennung.
Mit der oben beschriebenen minimalen mittleren Abgasaustrittstemperatur T_aus,mittel geht auch eine optimale mittlere Motortemperatur T_Mot beziehungsweise eine mittlere Antriebsstrangtemperatur einher, welche nicht als direkte Temperatur der Verbrennungskraftmaschine sondern vielmehr als charakteristische, stellvertretende Temperatur zu verstehen ist, die sich wie folgt ergibt: TMot = aTGeV + bTKW + cTMö + dTBT
T_Mot verknüpft eine Gaseintrittstemperatur für eine günstige Verbrennung T_GeV eine Kühlwassertemperatur T_KW, eine Motoröltemperatur T_Mö und Bauteiltemperaturen T_BT des Antriebsstrangs mit entsprechenden Gewichtungen durch Gewichtungsfaktoren oder Gewichtungsfunktionen a, b, c und d miteinander. Dafür muss nicht notwendigerweise Kühlwasser als Kühlmedium zum Einsatz kommen beziehungsweise ein Öl als Schmiermittel vorgesehen sein. Vielmehr kann auch ein anderes Medium als ein Kühlwasser zum Kühlen beziehungsweise ein anderes Schmiermittel als ein Öl zum Schmieren vorgesehen sein.
Damit ist also bei einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass die Wärmemenge in Abhängigkeit einer charakteristischen Temperatur zumindest aus einer Gaseintrittstemperatur für eine günstige Verbrennung der Verbrennungskraftmaschine, aus einer Temperatur eines Kühlmediums der Verbrennungskraftmaschine aus einer Temperatur eines Schmiermittels der Verbrennungskraftmaschine und aus einer Temperatur der Komponenten des Antriebsstrangs zugeführt wird. Dadurch ist die Wärmemenge besonders gezielt und damit bedarfsgerecht in den einzelnen Komponenten zuführbar, wodurch sich eine besonders schnelle Aufwärmung der Komponenten und damit ein geringerer Kraftstoffverbrauch und reduzierte CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ergeben.
Anhand lokaler fortwährender Temperaturmessungen lässt sich ein temporärer Verlauf der charakteristischen Motortemperatur T_Mot bestimmen und einem bekannten optimalen Temperaturwert für einen angestrebten minimalen Kraftstoffverbrauch gegenüberstellen, welcher in Abhängigkeit zur Umgebungstemperatur einem Regler der Regelungseinrichtung als Sollwert bekannt ist.
Neben einer Beeinflussung der genannten lokalen Einzel-Temperaturen über eine lokale Wärmedosierung wird als Haupteinflussgröße ein Abgasrückführ-Luftwärmetauscher ein Grundniveau der Wärmeströme über dessen Austrittstemperatur T_Wa festlegen, um damit auf die beschriebene Art und Weise eine sichere und emissionsarme Verbrennung zu gewährleisten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs anzusehen.
Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang eines Kraftwagens mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Mehrzahl an Komponenten des Antriebsstrangs zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass eine Regelungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher eine Wärmemenge einer Luftseite der Verbrennungskraftmaschine den jeweiligen Komponenten des Antriebsstrangs zuführbar ist. Wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, kann dabei die Wärmemenge beispielsweise durch ein Abgas oder durch ein Abgas-Luft-Gemisch oder auf andere Art und Weise transportierbar sein. Wärmetransport ist mit Stofftransport gleichzusetzen. Durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang ist somit eine bedarfsgerechte Zuordnung bzw. Zuführung der Wärmemenge zur Aufwärmung der Komponenten sowie eines Kühlmediums und eines Schmierstoffes ermöglicht, wodurch gerade bei kalten Umgebungsbedingungen eine Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs und von CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist.
Dies ist dadurch ermöglicht, dass durch die schnelle Aufheizung und durch eine Konstanthaltung der Temperatur in einem verbrauchsoptimalen Bereich insbesondere Reibleistungsverluste der Komponenten sowie der Verbrennungskraftmaschine des Antriebsstrangs reduziert sind. Um ein zeitlich zu langes Abtriften von Verbrennungsrandbedingungen von einem Optimum in transienten Übergangsphasen durch zu hohe oder zu niedere Temperaturen eines von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Verbrennungsgases zu vermeiden, ist es vorteilbehaftet, Wärmekapazitäten eines luftseitigen Ansaugsystems, dem ein Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine zuzuordnen ist, wie beispielsweise Rohre und/oder Wärmetauscher, durch dünne Wandungen auf niederste Werte hin zu entwickeln.
Vorteilhafter Weise weist eine Verrohrung, mittels der die Wärmemenge zu der jeweiligen Komponente beziehungsweise zu einem zu der jeweiligen Komponente korrespondierenden Wärmetauscher leitbar ist, eine thermisch wirksame Beschichtung, insbesondere eine keramische Beschichtung und/oder eine Isolierung auf. Dadurch ist ein Eindringen und Abfließen von Wärme aus den oder in die Wandungen erschwert. Weiterhin ist dadurch erreicht, das eine Kontrolle einer Gastemperaturänderung an einem Eintritt der Verbrennungskraftmaschine sehr stark an Strömungsgeschwindigkeiten von angesaugten und über Abgasrückführraten vorkonditionierten Gasen gekoppelt stattfindet und Betriebspunktänderungsgeschwindigkeiten nicht durch langsame und störende Wärmeströme aus den Komponenten in ungewünschter Form wie zum Beispiel durch eine Erhöhung einer Klopfgefahr, belastet werden.
Ist erfindungsgemäß eine Abgasrückführung vorgesehen, so ergibt sich daraus der bereits in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebene Vorteil, dass ein Wärmemengenangebot auf der Luftseite der Verbrennungskraftmaschine erhöht ist zur schnelleren Aufheizung der Komponenten, womit eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.
Die positiven Aspekte des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn zumindest ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der als Zweistrom-Maschine ausgebildet ist, welcher also einen Verdichter aufweist, der auch als Turbine im Rahmen eines Heißgasbetriebs arbeiten kann. Somit sind die Vorteile einer drehzahlstationären Turboaufladung mit einem optimalen Thermomanagement zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen miteinander verknüpft.
Ist stromauf der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise stromauf des Abgasturboladers eine Brennkammer angeordnet, mittels welcher eine angesaugte Luft erwärmbar ist, so ist dadurch die Luft mit besonders viel Wärmeenergie beaufschlagbar, womit eine drehzahlstationäre Turboaufladung in besonders effizienter Weise realisierbar ist bei gleichzeitiger Erhöhung des Angebots der Wärmeenergie auf der Luftseite zur noch effizienteren und schnelleren Aufwärmung der Komponenten, womit allein dieser Zusammenhang beschriebenen Vorteile einhergehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine Längsschnittansicht eines Verdichters eines Abgasturboladers, welcher auch als Turbine betreibbar ist,
2 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Aufladesystem mit einem Abgasturbolader in Form einer Zweistrom-Maschine, wobei eine Regelungseinrichtung vorgesehen ist, mit der ein schnelles Aufheizen von Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens ermöglicht ist und
3 ein Diagramm zur Darstellung eines Entdrosselungspotenzial in Abhängigkeit einer Abgasrückführrate und einem Verhältnis zwischen einer Abgas- und Luft-Temperatur
Während die 1 einen Verdichter eines Abgasturboladers zeigt, welche auch als Turbine betreibbar ist und somit den Abgasturbolader zu einer Zweistrom-Maschine erweitert, zeigt die 2 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine und ein korrespondierendes Aufladesystem, in welchem eine derartige Zweistrom-Maschine zum Einsatz kommt, bei welchem eine Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die eine optimale Aufheizung von Komponenten des Antriebsstrangs eines Kraftwagens mit einer derartigen Verbrennungskraftmaschine und mit einem derartigen Aufladesystem ermöglicht. Die 3 zeigt in diesem Zusammenhang ein Entdrosselungspotenzial in Abhängigkeit einer Abgasrückführungsrate und einem Verhältnis zwischen einer Abgas- und einer Luft-Temperatur einer Verbrennungskraftmaschine.
Die 1 zeigt einen Verdichter 10 eines Abgasturboladers in Form einer Zweistrom-Maschine, welcher Verdichter bei einer inneren Hauptdurchströmung gemäß einem Richtungspfeil 12 als Verdichter 10 und bei einer Hauptdurchströmung eines äußeren Ringkanals gemäß einem Richtungspfeil 14 als Turbine betreibbar ist. In einer aktuellen Betrachtung wird eine Turbinebetriebsweise auch in einem Heißgasbetrieb durch ein Verbrennungsluftmengen zugemischten ungekühlten Abgasrückführmengen realisierbar. Einem Heißgas wird bei reduzierten Druckverhältnis von praktisch Umgebungsdruck auf einen bis zu einem gewissen Maß entdrosselten Druck eines Saugrohrs einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine über eine Drallerzeugung in einem über einer Außenkontur eines Verdichterrads 16 liegenden Leitgitter 18 eine Strömungsenergie für eine Energieumwandlung zur mechanischen Energie in einer Beschauflung des Verdichterrads 16 entzogen.
Ein erweitertes Abgasturbolader-Verhalten bzw. ein Verhalten von mittels derartigen Abgasturboladern aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen basiert nun auf einem neuen Entwicklungsschritt einer Heißgasfähigkeit des Verdichters 10, was zu größeren Änderungen von Aufladephilosophien von Motoren-Entwicklungen führt.
Eine Wirksamkeit dieser so realisierten Heißgasturbine auf einer Saugseite der Verbrennungskraftmaschine lässt sich anhand maßgebender Parameter der Turbinenleistungsgleichung ableiten. Es existiert eine direkte Proportionalität einer Turbinenleistung P_Turb zu einer Turbineneintrittstemperatur T_1t und zu einem Massendurchsatz m_p, welche besonders in niedrigeren Lastbereichen in einer starken Abhängigkeit zu Abgasrückführraten stehen. Eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur T_1t und des Massendurchsatzes m_p durch gesteigerte Abgasrückführraten führen bei einem vorgegebenen unveränderten Luftdurchsatz eines betrachteten Betriebspunkt der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine zu einer merklichen Vergrößerung eines engsten Leitgitterquerschnitts A_Leit, welcher bei dem Verdichter 10 durch die Position einer Verstellmatrize 20 vorliegenden Bedingungen des Betriebspunkt angepasst wird. Eine Vergrößerung des engsten Leitgitterquerschnitts A_Leit zur Entdrosselung der Verbrennungskraftmaschine führt auf Grund verbesserter Laufzahlen und verringerter Spaltverluste auf größere Wirkungsgradsteigerungen dieser Heißgasturbine.
Somit wird man trotz einer Absenkung eines Druckverhältnisses p_1t/p₂, wobei p_1t einen Druck im äußeren Ringkanal und p₂ einen Druck in einem Strömungskanal 22 des Verdichters 10 bezeichnen, über einem Heißgasturbinen-Zweig im Rahmen einer angestrebten Entdrosselung der Verbrennungskraftmaschine doch größere Steigerungen in einer absoluten Turbinenleistung P_Turb durch ungekühlte Rückführmassenströme zu einem Eintritt des äußeren Kanals der Zweistrom-Maschine bewirken. In Folge der größeren Turbinenleistungen P_Turb wird sich ein höheres Niveau von Drehzahlen eines Motors des Abgasturboladers einstellen.
Des Weiteren bezeichnen η_Tt-s den Turbinenwirkungsgrad, c_p die Wärmekapazität und χ den Isentropenexponenten.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 30 und eines Abgasturboladers 32, welcher als Zweistrom-Maschine ausgebildet ist und beispielsweise einen Verdichter 10 gemäß 1 umfasst, welcher also auf einer Luftseite 34 der Verbrennungskraftmaschine 30 sowohl als Verdichter als auch Turbine betreibbar ist. Auf einer Abgasseite 36 der Verbrennungskraftmaschine 30 strömt ein Abgas aus Zylindern 38 der Verbrennungskraftmaschine durch eine Verrohrung 40 durch eine abgasseitige Turbine 42 des Abgasturboladers 32, wodurch in einem normalen Betrieb über eine Welle 44 ein Verdichter 46 des Abgasturboladers 32 als Verdichter zum Verdichten einer eingesaugten Luft betrieben wird. Das Bezugszeichen 48 deutet dabei eine variable Verstellvorrichtung auf der Abgasseite 36 der Verbrennungskraftmaschine 30 und damit des Abgasturboladers 32 an. Stromab des Abgasturboladers 32 strömt das Abgas durch eine Abgasnachbehandlungsanlage 50 und über ein Abgasrückführventil 52 in die Umwelt. Wie bereits angedeutet, ist ein Abgasrückführsystem 54 vorgesehen, welchem das Abgasrückführventil 52 zugeordnet ist und mittels welchem Abgas von der Abgasseite 36 auf die Luftseite 34 über einen Behälter 56 rückführbar ist. Dadurch wird eine gemäß einem Richtungspfeil 58 angesaugte und durch einen Luftfilter 60 strömende Luft mit Abgas und dementsprechend mit einer gewissen Wärmemenge beaufschlagt. Diese Abgasbeaufschlagung und Temperaturbeaufschlagung ist dabei weiter verstärkbar durch eine Brennkammer 62, in welcher Kraftstoff verbrannt und in Folge der Verbrennung entstehendes Abgas der Luft bzw. dem Luft-Abgasgemisch zuführbar ist. Die Zuführung von Brennstoff deutet dabei ein Pfeil 64 schematisch an.
Dadurch kann bei niedrigen Lasten der Verdichter 46 auf der Luftseite 34 in Folge des mit einer hohen energieversehenen Luft-Abgasgemisches als Turbine betrieben werden und somit über die Welle 44 die Turbine 42 des Abgasturboladers 32 antreiben. In hohen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine 30 ist eine Beaufschlagung der Luft auf der Luftseite 34 mit einer hohen Energie in Form von einer hohen Wärmemenge nicht von Nöten, da der Turbine 42 ein hochenergetisches Abgas zur Verfügung steht, um den Verdichter 46 anzutreiben. Um zwischen den beschriebenen Betriebsweisen des Verdichters 46, also entweder als Verdichter oder als Heißgasturbine umschalten zu können, ist ein entsprechendes Regelventil 66 vorgesehen. Stromab des Verdichters 46 ist ein Kühler 68 zur Kühlung der verdichteten Luft bzw. des verdichteten Luft-Abgasgemisches vorgesehen, der mittels eines Ventils 70 und eines Bypasses umströmt werden kann. Das Bezugszeichen 72 bezeichnet eine Dosiereinrichtung, die dazu vorgesehen ist, ein Kühlwasser 69, ein Motoröl 71 und weitere Komponenten 73 eines Antriebsstrangs, in welchem die Verbrennungskraftmaschine 30 und der Abgasturbolader 32 angeordnet sind, in Folge eines Wärmeübergangs der transportierten Wärme des hochenergetischen Luft-Abgasgemisches auf der Luftseite 34 der Verbrennungskraftmaschine 30 an entsprechende Bauteile bzw. Komponenten bzw. Medien zu erwärmen, und somit insbesondere bei kalten Umgebungsbedingungen ein schnelles Aufwärmen des Antriebsstrangs zu realisieren zur Erreichung eines niedrigeren Kraftstoffverbrauchs und niedrigeren CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 30.
Bei solchen Antriebsstrangkomponenten 73 kann es sich beispielsweise neben dem Kühlwasser 69 und dem Motoröl 71 bzw. diesen zugeordneten Wärmetauschern ebenfalls um Lagerstellen 75, ein Getriebe 77, Antriebswellen 78 und eine Abgasnachbehandlungsanlage 50 bzw. um diesen zugeordnete Wärmetauscher handeln.
Neben der Temperatursteigerungsmöglichkeit durch eine rückgeführte Abgasmenge durch eine Niederdruckrückführung, ist wie beschrieben die Brennkammer 62 stromauf des Abgasturboladers 32 in Form einer heißgasfähigen Zweistrom-Maschine zur Verstärkung der Temperatursteigerung angeordnet, welche zum einen eine Abhebung einer Turbinenleistung des Abgasturboladers 32 und zum anderen zur schnelleren Bewältigung einer Kaltlaufphase dienen kann.
Stromab dieser Zweistrom-Maschine folgt als wichtiges Haupterkennungsmerkmal für eine Realisierung des Verfahrens Hot-Gas-Turbo-Charging eine variable Kühlvorrichtung in Form eines Kühlers 68.
Wie bereits angedeutet wird im Rahmen eines optimalen Thermomanagements zur schnellen Aufwärmung des Antriebsstrangs bzw. der Komponenten 73 des Antriebsstrangs angestrebt, an dieser Stelle nur notwendige, geringste Wärmemengen abzuführen, die für betrachtete Teillastbetriebspunkte eine Erreichung eines minimalen Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine 30 unterstützen.
Zudem ist eine Regelungseinrichtung 74 vorgesehen, welche die erwähnten Ventile und Verstellvorrichtungen und gegebenenfalls weitere Versteller regelt. Die Regelungseinrichtung 74 wird über eine Rückkoppelungsschleife unter einer maßgebenden Eingangsgröße einer Ausgangstemperatur T_aus des Abgases was mit einem Fall 76 angedeutet ist, als Verbrauchswertindiz einen Soll-Ist-Wert-Vergleich so durchführen, dass eine Verbrennung der Verbrennungskraftmaschine 30 mit weiteren verbrauchsrelevanten Größen ein Verbrauchsoptimum mit einer Temperatur T_aus,min bewegen kann. Die Temperatur T_aus,min stellt dabei die minimale Austrittstemperatur des Abgases dar, welche ein Indiz für einen verbrauchsoptimalen Betrieb ist, da bei optimaler Aufwärmung des Antriebsstrangs eine große Wärmemenge an den Antriebsstrang abgegeben und somit die Austrittstemperatur des Abgases gering ist. Es kann vereinfachend gesagt werden, dass, je niedriger die Austrittstemperatur T_aus des Abgases ist, desto mehr Wärme wurde zur Aufwärmung des Antriebsstrangs abgeführt und desto verbrauchsoptimaler ist der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Komponenten 73 der Antriebsstrangs. Zur Einschätzung dieses verbrauchsoptimalen Betriebs ist somit eine Bezugsgröße, also ein Soll-Wert in Form einer definierten minimalen Austrittstemperatur des Abgases T_aus,min zu definieren.
T_KW, T_Mö, T_BT repräsentieren dabei die Temperatur des Kühlwassers 69, des Motoröls 71 und der Bauteile bzw. der Komponenten 73 des Antriebsstrangs, wobei das optimale Thermomanagement vorsieht, diese Temperaturen besonders schnell zu steigern zur schnellen Überbrückung einer Warmlaufphase und zur Erreichung eines verbrauchsoptimalen Betriebs der Komponenten.
Angestrebte gering abzuführende Wärmemengen stellen sich hauptsächlich dann ein, wenn neben der Verbrennung sekundär verbauchsrelevante lokale Bereiche und einem Motoröl- und Kühlmittelaufwärmung größere Wärmeanteile benötigen und aufnehmen, um zum Beispiel spürbare große temperaturabhängige Reibverluste der Verbrennungskraftmaschine bzw. mit dem gesamten Antriebsstrang von einem Getriebe 77 zu einem Rad bzw. zu Rädern eines Kraftwagens mit einem derartigen Antriebsstrang, gerade bei niedrigen Temperaturen im hinteren herabzusetzen. In 2 wird hierzu die Dosiervorrichtung 72 für betreffende Wärmeabnehmer angedeutet, wobei diese Wärmeabnehmer in einem Teillastgebiet der Verbrennungskraftmaschine 30 in bestimmten Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine 30 auch Wärmespender für eine Zuführung in ein Verbrennungsgas sein können. Das Ziel eines derartigen Thermomanagements ist eine Einstellung einer optimalen Motortemperatur T_Mot, welche mit der minimalen Austrittstemperatur des Abgases T_aus,min als Indiz für einen minimalen Verbrauch in Verbindung steht.
Die optimale Motortemperatur T_Mot setzt sich dabei zusammen aus einer Gaseintrittstemperatur für eine günstige Verbrennung T_GeV, aus der Kühlwassertemperatur T_KW, aus der Motoröltemperatur T_mö und aus der Temperatur der Komponenten 73 des Antriebsstrangs T_BT. Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, weitere Temperaturen zu berücksichtigen. Zudem geschieht eine Gewichtung der einzelnen Temperaturen in Form der Gewichtungsfaktoren oder gegebenenfalls der Gewichtungsfunktionen a, b, c, d.
Die 3 zeigt in dem dargestellten Diagramm eine Entdrosselungspotenzial p_2s/p_1t in Abhängigkeit einer Abgasrückführrate agr und einem Verhältnis zwischen einer Abgas-Zur-Luft-Temperatur (Linienparameter T_abg/T_wft) eines von einer Verbrennungskraftmaschine bei praktisch substanter Turbinenleistung (konstant gehaltener Turbinenwirkungsgrad vorausgesetzt) angesaugten Gases betrachtet, wobei das Gas in der Regel Luft oder ein Luft-Abgasgemisch ist. p_2s bezeichnet dabei einen Saugdruck im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine, p_1t bezeichnet einen Turbineneintrittsdruck.
Bei Abgas, welches bis auf Eintrittslufttemperatur gekühlt wäre, würde wie bisher ein reiner Kaltluft-Turbinenbetrieb, jetzt allerdings mit einem zusätzlichen Abgasrückführmassenstrom, vorliegen. Hierdurch würde man bei einer vorausgesetzten gleichen Turbinenleistung ein Druckverhältnis im Beispiel zu einem Punkt A hin von einem Turbinendruckverhältnis von 10 auf 2,5 reduzieren können. Die Verbrennungskraftmaschine saugt jetzt bei gleicher Luftmenge mit einem Saugdruck p₂ von 400 mbar statt 100 mbar absolut an. T_4-s bezeichnet dabei des Durchsatzparameter der Turbine. Der eigentliche Heißgasturbinenbetrieb folgt mit einer merklichen Temperaturerhöhung des Gases auf eine Saugtemperatur T2 die sich aus einer Mischung zwischen der angesaugten Luft von 293 K und dem Abgas von 879 K ergibt gemäß Punkt B. Zusammenfassend lässt sich bezüglich A sagen, dass eine Entdrosselung des Saugrohrdrucks durch AGR(Abgasrückführ)-Einspeisung vor einer variablen Verstellvorrichtung der Turbine mittels Abgasmasse erreicht ist, während in Punkt B eine weitere Entdrosselung bei zusätzlicher Dichtereduktion über Zumischung ungekühlter Abgasrückführmengen erreicht ist.

Claims

Verfahren zum Aufwärmen von Komponenten (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens, bei welchem mittels einer Regelungseinrichtung (74) eine Wärmemenge einer Luftseite (34) einer Verbrennungskraftmaschine (20) des Antriebsstrangs den jeweiligen Komponenten (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) des Antriebsstrangs zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge durch ein Abgas und/oder eine Luft-Abgasgemisch transportiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge durch ein Abgas und/oder ein Luft-Abgasgemisch einer stromauf der Verbrennungskraftmaschine (30) angeordneten Brennkammer (62) transportiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmemenge eines von einer Abgasseite (36) zu der Luftseite (34) der Verbrennungskraftmaschine (30) rückgeführtes Abgas den jeweiligen Komponenten (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) des Antriebsstrangs zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge einem zu der jeweiligen Komponente (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) korrespondierenden Wärmetauscher zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge über eine Verrohrung zu der jeweiligen Komponenten (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) bzw. zu dem jeweiligen Wärmetauscher geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge in Abhängigkeit einer Temperatur eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine (30) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge in Abhängigkeit einer Temperatur eines Abgasgases (T_aus) der Verbrennungskraftmaschine (30) zwischen einer Abgasnachbehandlungsanlage (50) und einem Austritt des Abgases an die Umwelt zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelung der Temperatur des Abgases über eine Fahrstrecke des Kraftwagens und/oder über eine Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine (30) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge in Abhängigkeit einer charakteristischen Temperatur (T_Mot) zumindest aus einer Gaseintrittstemperatur für eine günstige Verbrennung (T_GeV) der Verbrennungskraftmaschine (30), aus einer Temperatur eines Kühlmediums (T_KW) der Verbrennungskraftmaschine (30), aus einer Temperatur eines Schmiermittels (T_Mö) der Verbrennungskraftmaschine (30) und aus einer Temperatur der Komponenten (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) des Antriebsstrangs (T_BT) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung der einzelnen Temperaturen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge in Abhängigkeit einer Austrittstemperatur eines Wärmetauschers (T_WA) des rückgeführten Abgases zugeordnet wird.
Antriebsstrang eines Kraftwagens mit einer Verbrennungskraftmaschine (30) und einer Mehrzahl an Komponenten (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) des Antriebsstrang, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelungseinrichtung (74) vorgesehen ist, mittels welcher eine Wärmemenge einer Luftseite (34) der Verbrennungskraftmaschine (30) den jeweiligen Komponenten (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) des Antriebsstrangs zuführbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge über eine Verrohrung zu der jeweiligen Komponente (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) bzw. zu einem zu der jeweiligen Komponente (50, 69, 71, 73, 75, 77, 78) korrespondierenden Wärmetauscher leitbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrohrung eine thermisch wirksame Beschichtung, insbesondere eine keramische Beschichtung und/oder eine Isolierung aufweist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgas-Rückführung (54) vorgesehen ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abgasturbolader (32) vorgesehen ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (32) als Zwei-Strom-Maschine ausgebildet ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Verbrennungskraftmaschine (30) bzw. stromauf des Abgasturboladers (32) eine Brennkammer (62) angeordnet ist, mittels welcher eine angesaugte Luft erwärmbar ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Abgasturboladers (32) auf der Luftseite (34) der Verbrennungskraftmaschine (30) eine Kühlvorrichtung (68) vorgesehen ist.