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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, wobei Abgas aus der Brennkraftmaschine in eine Turbine des Abgasturboladers zum drehenden Antreiben der Turbine geleitet wird, wobei ein Verdichter des Abgasturboladers von der Turbine des Abgasturboladers zum Verdichten von Verbrennungsluft, welche mindestens einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird, angetrieben wird, wobei wahlweise Abgas über einen Wastegate-Kanal mindestens teilweise an der Turbine vorbei geleitet wird, wobei mit dem an der Turbine über den Wastegate-Kanal vorbeigeleiteten Abgas eine Nutzturbine angetrieben wird, welche einen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie antreibt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, welcher eine in einem Abgaskanal angeordnete Turbine und einen von der Turbine angetriebenen, in einem Verbrennungsluftkanal angeordneten Verdichter aufweist, wobei ein die Turbine überbrückender Wastegate-Kanal vorgesehen ist, wobei in dem Wastegate-Kanal eine von durch den Wastegate-Kanal strömendem Abgas in eine erste Drehrichtung antreibbare Nutzturbine angeordnet ist, wobei ein Generator derart angeordnet und ausgebildet ist, dass dieser Generator von der in die erste Drehrichtung drehenden Nutzturbine angetrieben elektrische Energie abgibt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
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Fahrantriebe für Kraftfahrzeuge werden künftig einen erhöhten Hybridisierungsgrad aufweisen. Das bedeutet, dass zusätzlich zum konventionellen Verbrennungsmotor ein oder mehrere Elektromotoren im Antriebsstrang integriert sind. Je nach Auslegung des elektrischen Systems spricht man von Micro-, Mild- oder Full-Hybriden. So genannte "Range-Extender" sind eine weitere Gattung, die den Verbrennungsmotor nur noch zum Laden der Fahrzeugbatterie benötigen, während der Fahrantrieb rein elektrisch erfolgt.
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Insbesondere wenn, wie beim Full-Hybrid, elektrisches Fahren gefordert wird, steigen die Anforderungen an die Fahrzeugbatterie beträchtlich. Es muss nicht nur eine große Energiemenge in der Batterie vorgehalten werden, es ist auch ein häufiges Laden und Entladen der Batterie vonnöten. Da dabei aus Lebensdauergründen nur ein Teil der Batteriekapazität genutzt werden kann, führen diese beiden Anforderungen, nämlich Reichweite für elektrisches Fahren und Zyklenfestigkeit, zu großen und extrem teuren Batterien.
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Vor diesem Hintergrund sind Maßnahmen sinnvoll, die zusätzlich zum Generator und zur Rekuperation von Bremsenergie weitere elektrische Energie in das Bordnetz einspeisen, ohne den motorischen Wirkungsgrad zu verschlechtern, so dass die Batterie kleiner und damit kostengünstiger ausgeführt werden kann und die Spitzen der Leistungsentnahme an die Batterie reduziert werden und damit die Lebensdauer der Batterie verlängert wird. Hierzu ist es aus der
DE 38 073 72 C2 bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader in einem Bypasskanal einer Turbine des Abgasturboladers eine Nutzturbine vorzusehen, die einen Teil der Abgasenthalpie dazu nutzt, einen Generator anzutreiben. Hierdurch wird der sonst ungenutzte Wastegate-Massenstrom des Abgasturboladers, also ein Abgasmassenstrom, welcher über den Wastegate-Kanal an der Turbine des Abgasturboladers vorbei geleitet wird, zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt. Die aufgrund einer Klopfproblematik kritische Restgasausspülung aus Brennräumen wird dadurch nicht zusätzlich behindert. Der motorische Wirkungsgrad bleibt konstant. Die Nutzturbine treibt vorzugsweise einen Generator an, der elektrischen Strom in einen elektrischen Energiespeicher und/oder einen antreibenden Elektromotor speist.
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Die
DE 10 2008 064 521 A1 offenbart ebenfalls eine Nutzturbine in einer eine Abgasturbine eines Abgasturboladers umgehenden Bypassleitung. Mittels eines Ventils und einer Kurzschlussleitung, welche die Abgasleitung stromabwärts der Abgasturbine mit der Bypassleitung stromauf der Nutzturbine verbindet, kann die Abgasturbine verlassendes Abgas der Nutzturbine zugeführt werden.
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Die
JP 2000 - 179 348 A beschreibt eine Nutzturbine in einer Bypassleitung einer Abgasturbine eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine. Die Nutzturbine treibt einen Generator an, wobei über einen Inverter der Erregerstrom des Generators derart geregelt wird, dass die Verdichtungsleistung des Abgasturboladers für einen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine geeignet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o.g Art hinsichtlich des Ansprechverhaltens des Abgasturboladers bei einer Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Brennkraftmaschine der o.g. Art mit den in Anspruch 7 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in mindestens einem vorbestimmen Betriebszustand der Brennkraftmaschine der Generator als Elektromotor derart angetrieben wird, dass der Generator die Nutzturbine in eine bezüglich der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweite Drehrichtung antreibt, so dass die Nutzturbine Abgas stromab der Turbine des Abgasturboladers ansaugt und stromauf der Turbine in den Abgaskanal einleitet.
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Dies hat den Vorteil, dass das Abgasenthalpie-Angebot, welches der Turbine des Abgasturboladers zur Verfügung steht, wahlweise kurzzeitig erhöht wird, so dass eine Turbinenleistung gesteigert und ein Hochlaufen der Turbine beschleunigt wird, was zu einem deutlich verbesserten transienten Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine führt. Gleichzeitig weist die Vorrichtung umfassend die Nutzturbine und den Generator einen Doppelnutzen auf, nämlich einerseits zur Rekuperation von Abgasenthalpie und andererseits zur Erhöhung des Abgasenthalpie bzw. zur Erhöhung des Eingangsdruckes.
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Ein schnelles Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine bei einer dynamischen Lastanforderung mit schnellem Drehmomentaufbau in diesem Betriebszustand erzielt man dadurch, dass der mindestens eine vorbestimmte Betriebszustand eine Lastanforderung an die Brennkraftmaschine umfasst.
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Eine konstruktiv besonders einfache Ausführung der Brennkraftmaschine mit hoher Wirkung erzielt man dadurch, dass beim Antrieb der Nutzturbine mittels Abgas in die erste Drehrichtung die Nutzturbine als Radialturbine betrieben wird und beim Antrieb der Nutzturbine mittels des Generators in die zweite Drehrichtung die Nutzturbine als Radialverdichter betrieben wird.
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Einen Hybridmotor mit reduzierten Schadstoffausstoß erzielt man dadurch, dass der Generator wahlweise als Elektromotor zum Antrieb einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verwendet wird.
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Ein unnötiges Antreiben der Nutzturbine als Verdichter bzw. Pumpe wird dadurch wirksam vermieden, dass der Antrieb der Nutzturbine mittels des Generators in die zweite Drehrichtung nur dann durchgeführt wird, wenn ein durch die Nutzturbine stromauf der Turbine des Abgasturboladers in dem Abgaskanal erzeugbarer Druck p3* größer ist als ein aktuell stromauf der Turbine des Abgasturboladers in dem Abgaskanal herrschender Druck p3.
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Weiterhin ist es bei einer Brennkraftmaschine der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Generator derart ausgebildet ist, dass dieser wahlweise als Elektromotor die Nutzturbine in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweite Drehrichtung antreibt, wobei die Nutzturbine derart ausgebildet und angeordnet ist, dass diese bei Antrieb in die zweite Drehrichtung als Pumpe arbeitend Abgas stromab der Turbine des Abgasturboladers absaugt und stromauf der Turbine des Abgasturboladers in den Abgaskanal einleitet.
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Dies hat den Vorteil, dass das Abgasenthalpie-Angebot, welches der Turbine des Abgasturboladers zur Verfügung steht, wahlweise kurzzeitig erhöht wird, so dass eine Turbinenleistung gesteigert und ein Hochlaufen der Turbine beschleunigt wird, was zu einem deutlich verbesserten transienten Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine führt. Gleichzeitig weist die Vorrichtung umfassend die Nutzturbine und den Generator einen Doppelnutzen auf, nämlich einerseits zur Rekuperation von Abgasenthalpie und andererseits zur Erhöhung des Abgasenthalpie bzw. zur Erhöhung des Eingangsdruckes.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die in der einzigen Fig. schematisch dargestellte, beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Motorblock 10 mit Arbeitszylindern 12, denen über einen Verbrennungsluftkanal 14 Verbrennungsluft zugeführt wird und von denen über einen Abgaskanal 16 Abgas abgeführt wird. Die Brennkraftmaschine ist mittels eines Abgasturboladers (ATL) 18 aufgeladen, der eine in dem Abgaskanal 16 angeordnete Turbine 20 und einen in dem Verbrennungsluftkanal 14 angeordneten Verdichter 22 aufweist, wobei die Turbine 20 in bekannte Weise eine Abgasenthalpie nutzt, um den Verdichter 22 anzutreiben, so dass zur Leistungssteigerung den Arbeitszylindern 12 verdichtete Verbrennungsluft zugeführt wird.
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An der Turbine 20 ist ein Wastegate-Kanal 24 angeordnet, über den Abgas mindestens teilweise an der Turbine 20 vorbei geleitet werden kann. Die Menge bzw. der Volumenstrom des über den Wastegate-Kanal 24 vorbei geleiteten Abgases wird durch ein Wastegateventil 25 in dem Wastegate-Kanal 24 bestimmt. Mittels dieses Wastegate-Kanals 24 wird zusammen mit dem Wastegateventil 25 beispielsweise eine Leistung des Abgasturboladers 18 eingestellt bzw. überschüssiges Abgas, welches in einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine nicht zum Antrieb der Turbine 20 benötigt wird, abgeleitet.
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Stromab des Verdichters 22 ist in dem Verbrennungsluftkanal 14 ein Ladeluftkühler 26 und eine Drosselklappe 28, welche beispielsweise als Leistungsstellglied dient, angeordnet. In dem Wastegate-Kanal 24 ist eine Nutzturbine 30 angeordnet, welche von Abgas, welches durch den Wastegate-Kanal 24 strömt, in eine erste Drehrichtung antreibbar ist. Weiterhin ist ein Generator 32 und ein Elektromotor 34 vorgesehen. Der Generator 32 ist wahlweise von der Nutzturbine 30 angetrieben, wenn Abgas durch den Wastegate-Kanal 24 strömt, und speist elektrische Energie in eine Batterie 36 ein. Der Elektromotor 34 wird wahlweise von einer Kurbelwelle 38 der Brennkraftmaschine angetrieben, wodurch der Elektromotor 34 elektrische Energie der Batterie 36 zuführt. Die Nutzturbine 30 dient zur Rekuperation von Abgasenthalpie, welche vom Abgasturbolader 18 nicht benötigt wird.
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Die Nutzturbine 30 ist in der beispielhaft dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine als so genannter TurboCompound ausgebildet. Mit dem Begriff "TurboCompound" (TC) wird eine an der Brennkraftmaschine installierte Abgasturbine bezeichnet, die einen Teil der im Abgas enthaltenen Energie in mechanische Wellenenergie umwandelt und über ein angekoppeltes Getriebe zurück in die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine speist. Dadurch wird entweder eine Anhebung des Drehmomentverlaufs oder ein besserer Gesamtwirkungsgrad erreicht.
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Im Allgemeinen weisen einstufig turboaufgeladene Ottomotoren insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen aus niedrigen Drehzahl- und Lastbereichen aufgrund des relativ geringen Abgasenthalpie-Angebots einen mehr oder weniger deutlich verzögerten Ladedruckaufbau auf. Durch gezielte Beeinflussung bestimmter Motorbetriebsparameter (Luftverhältnis, Zündwinkel, Ventilüberschneidung, AGR-Rate usw.) kann das der ATL-Turbine 20 zur Verfügung stehende Abgasenthalpie-Angebot lediglich in definierten Grenzen erhöht werden. Bei Hybridfahrzeugen, welche mit einem Hybridmotor, wie dargestellt, ausgerüstet sind, wird daher zur Verbesserung der Fahrzeugbeschleunigung der Traktionsmotor in Form des Elektromotors 34 zugeschaltet. Die bei der Ansteuerung des elektrischen Fahrmotors 34 erforderliche elektrische Leistung ist typischerweise sehr hoch, da das komplette Fahrzeug beschleunigt werden muss. Die elektrische Energie ist zudem besonders wertvoll, und wegen der relativ ungünstigen elektrischen Wirkungsgradkette, welche Kurbelwelle, Generator, Batterie sowie E-Motor umfasst, und der Batteriebelastung möglichst sparsam einzusetzen.
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Erfindungsgemäß wird die Nutzturbine bzw. TurboCompound-Turbine (TC bzw. TC-Turbine) 30 verwendet, um bei dynamischer Lastanforderung das Abgasenthalpie-Angebot für die ATL-Turbine 20 kurzzeitig zu erhöhen. Die damit einhergehende Steigerung der Turbinenleistung Pt führt zu einem beschleunigtem Hochlauf des Abgasturboladers 18 und damit zu einer deutlichen Verbesserung des transienten Drehmomentverlaufs der Brennkraftmaschine. Die Funktion zur Verbesserung des Ansprechverhaltens mittels der zuvor erläuterten kurzzeitigen Erhöhung der Abgasenthalpie stromauf der Turbine 20 mittels dem Generator 32 und der Nutzturbine 30 wird im Folgenden auch als "TC-Boosten" bezeichnet.
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Die im Abgasstrom des Wastegate-Kanals 24 angeordnete Nutzturbine 30 wird in der Betriebsart TC-Boosten nicht zur Rekuperation von Abgasenergie genutzt. Vielmehr ist der Generator 32 zusätzlich als "TC-Elektromotor" derart ausgelegt, dass er auch in bzgl. der Rekuperation von Abgasenergie entgegengesetzter Drehrichtung betrieben werden kann und dadurch dementsprechend die Nutzturbine 30 in bezüglich der Rekuperation von Abgasenergie entgegengesetzter Drehrichtung antreibt. Die vorzugsweise als Radialturbine ausgeführte Nutzturbine 30 arbeitet bei umgekehrter Drehrichtung als Radialverdichter und saugt über den Wastegate-Kanal 24 wie eine Pumpe Abgas stromab der Turbine 20 an und leitet dieses Abgas über den Wastegate-Kanal 24 mit erhöhtem Druck stromauf der Turbine 20 in den Abgaskanal 16 ein. Hierbei ist das Wastegateventil 25 geöffnet. Auf diese Weise wird ein Druck p3 40 (Eingangsdruck für die Turbine 20) stromauf der Turbine 20 erhöht.
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Die Funktionsweise des „TC-Boostens" wird nachfolgend beispielhaft beschrieben. Ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine detektiert eine Beschleunigungsanforderung. Falls die geforderte dynamische Lastanforderung nicht allein durch den konventionellen Abgasturbolader 18 bereitgestellt werden kann, wird die erweiterte Funktion der TC-Turbine bzw. der Nutzturbine 30, nämlich das TC-Boosten, aktiviert. Die TC-Turbine 30 wird mit Hilfe des beispielsweise als 4-Quadranten-Maschine ausgebildeten Generators 32 entgegen der konventionellen Turbinendrehrichtung bei der Rekuperation von Abgasenergie beschleunigt. Die TC-Turbine 30 arbeitet somit als Radialverdichter. Die TC-Turbine 30 saugt bei geöffnetem Wastegateventil 25 Abgas aus der Abgasanlage stromab der Turbine 20 an und drückt dieses vor die Turbine 20 des konventionellen Abgasturboladers 18, d.h. an die Druckseite der Turbine 20. Durch die damit verbundene Erhöhung des Druckes p3 und des Abgasmassenstroms wird die Turbinenleistung Pt des konventionellen Abgasturboladers 18 angehoben. Die Erhöhung der Turbinenleistung führt zu einem beschleunigten Hochlauf bzw. einem verbesserten Ansprechverhalten des konventionellen Abgasturboladers 18. Der beschleunigte Hochlauf des Laufzeugs des konventionellen Abgasturboladers 18 wird verdichterseitig in einen schnelleren Ladedruckaufbau umgesetzt, so dass sich für die Brennkraftmaschine ein verbesserter transienter Drehmomentverlauf ergibt.
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Das TC-Boosten ist nur dann sinnvoll einzusetzen, wenn die von der TC-Turbine 30 im Verdichterbetrieb stromauf der Turbine 20 theoretisch zu realisierende Druck p3* größer ist als der aktuell anliegende Druck p3 stromauf Turbine 20 des konventionellen Abgasturboladers 18.
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Sollte im Verlauf eines Lastsprungs diese Bedingung nicht mehr erfüllt sein, wird das Wastegateventil 25 geschlossen und die Antriebsleistung der TC-Turbine 30 deaktiviert.
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Es ergeben sich u.a. folgende Vorteile:
Bei der Rekuperation der Abgasenthalpie erfolgt die Generierung von elektrischer Energie ohne Verschlechterung des verbrennungsmotorischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine, was zu einem entsprechenden Verbrauchsvorteil hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine führt. Es ist eine Ausweitung des elektrischen Fahrbetriebes möglich. Das elektrische TC-Boosten ist mit relativ geringer elektrischer Leistung realisierbar. Es erfolgt eine geringe Beanspruchung der Batterie, so dass die Batterie ggf. verkleinert werden kann und damit Kosten gesenkt werden können.
