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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft aufgeladene Verbrennungsmotoren, insbesondere Maßnahmen zum Verhindern eines Verdichterpumpens bei Verbrennungsmotoren mit einer abgasbetriebenen Aufladeeinrichtung, wie beispielsweise einem Turbolader.
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Stand der Technik
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Verbrennungsmotoren werden zusehends häufiger mit Aufladeeinrichtungen betrieben, um Frischluft unter einem erhöhten Ladedruck bereitzustellen. Die Aufladeeinrichtungen sind vorwiegend als Turbolader ausgebildet, bei denen eine Turbine in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet ist und durch Nutzung der Abgasenthalpie angetrieben wird. Die Turbine ist mechanisch mit einem Verdichter gekoppelt, so dass die in der Turbine erhaltene Bewegungsenergie zum Verdichten der Frischluft verwendet werden kann.
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Insbesondere bei einem Lastabfall des von dem Verbrennungsmotor angeforderten Antriebsmoments kann es zu einem plötzlich verringerten Frischluftbedarf des Verbrennungsmotors kommen. Wenn ein hohes Ladedruckverhältnis (bzw. ein hoher Druckunterschied) zwischen einem Ladedruck auf einer Ausgangsseite des Verdichters und einem Umgebungsdruck auf der Eingangsseite des Verdichters bei geringem geförderten Luftmassenstrom vorliegt, gelangt der Verdichter in einen instabilen Betriebsbereich. In einem solchen Betriebsbereich kann es zu einem so genannten Verdichterpumpen kommen, bei dem aufgrund von Strömungsabrissen oder Strömungsumkehr an einem Verdichterrad in dem Verdichter starke Vibrationen hervorgerufen werden, die den Verdichter schädigen können und von einem Fahrer eines mit dem Verbrennungsmotor betriebenen Kraftfahrzeugs als störend empfunden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben einer Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung, ein Motorsystem und ein Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei die Aufladeeinrichtung eine durch einen Abgasstrom angetriebene Turbine und einen mit der Turbine gekoppelten Verdichter aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Betreiben der Aufladeeinrichtung abhängig von einem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors;
- – Bei Erkennen eines Betriebszustands, in dem eine vorgegebene Pumpgrenze des Verdichters der Aufladeeinrichtung überschritten würde, Abbremsen des Verdichters mithilfe einer zusätzlich zu der Turbine und dem Verdichter vorgesehenen Einrichtung.
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Das Ziel einer Aufladung eines Verbrennungsmotors besteht darin, die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors zu steigern. Durch Verdichten der angesaugten Frischluft wird eine größere Luftmenge in den Zylindern des Verbrennungsmotors und damit eine größere Kraftstoffeinspritzmenge möglich. Aufladeeinrichtungen, wie z. B. Turbolader, verwenden zur Kompression der Frischluft Strömungsverdichter. Diese erfordern für einen stabilen Betriebsbereich bei einem bestimmten Ladedruckverhältnis, d. h. das Verhältnis des Ladedrucks an der Ausgangsseite und des Umgebungsdrucks an der Eingangsseite des Verdichters, einen entsprechenden Mindestluftmassenstrom. Der Verlauf der Ladedruckverhältnisse über dem Mindestluftmassenstrom, der die Grenze zwischen stabilem und instabilem Betriebsbereich, bei dem ein Verdichterpumpen auftritt, bildet, wird im Allgemeinen als Pumpgrenze bezeichnet. Umgekehrt ergibt sich für einen gegebenen Luftmassenstrom ein maximales Ladedruckverhältnis.
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Beim Verdichterpumpen reißt die Strömung im Verdichter ab und das Verdichterrad des Verdichters wird dadurch rapide gebremst. Bei diesem Vorgang werden die Schaufeln des Verdichterrads ungleichmäßig mit starken Kräften beaufschlagt, was zu Vibrationen und einer hohen Geräuschentwicklung führt.
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Bislang wird das Verdichterpumpen durch eine konservative Auslegung und Kalibrierung des Gesamtsystems vermieden, so dass man im Normalbetrieb, d. h. bei üblicherweise vorkommenden angeforderten Lastwechseln des Verbrennungsmotors, ausreichend weit von der Grenze entfernt bleibt, ab der ein Verdichterpumpen auftritt. Die Auslegung der Aufladeeinrichtung erfolgt so, dass bei üblichen Lastwechseln des Verbrennungsmotors eine ausreichende Sicherheitsreserve verbleibt, so dass das Verdichterpumpen vermieden werden kann. Ein solcher Sicherheitsabstand geht auf Kosten der Leistungsfähigkeit der Aufladeeinrichtung, wovon insbesondere ein unterer Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors betroffen ist, der für die Fahrbarkeit besonders wichtig ist.
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Jedoch kann bei einer starken Bremsung des Verbrennungsmotors von einem Betriebspunkt mit starker Aufladung, d. h. bei hoher Last und hoher Drehzahl, z. B. durch einen Bremseingriff eines Fahrers eines mit einem Verbrennungsmotor betriebenen Kraftfahrzeugs bei eingekuppeltem Verbrennungsmotor, der Luftdurchsatz durch den Verdichter der Aufladeeinrichtung plötzlich stark reduziert werden. Bei bestehenden Motorsystemen wird in einem solchen Fall ein Eingriff über einen Ladersteller vorgenommen, wie beispielsweise ein Abbau des abgasseitigen Drucks vor der Turbine der Aufladeeinrichtung über ein Wastegate oder ein Einstellen einer Turbinengeometrie bei einem VTG-Steller (VTG = Variable Turbine Geometry), um die Leistung der Aufladeeinrichtung zu reduzieren. Dieser Eingriff ist wegen der mechanischen Stellzeit des Laderstellers in der Regel verzögert. Weiterhin ist die Leistungsabnahme des Verdichters bei einem niedrigen geförderten Luftmassenstrom sehr gering. Aufgrund der Massenträgheit der Aufladeeinrichtung ist der Drehzahlabbau damit nur relativ langsam möglich. Dadurch verbleibt die Drehzahl des Verdichters zunächst auf einem hohen Niveau, bevor diese aufgrund der abnehmenden Abgasenthalpie verzögert absinkt. In der Folge nimmt das Ladedruckverhältnis nach dem angeforderten Lastwechsel auch nur verzögert ab.
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Das obige Verfahren sieht zur Ansteuerung einer abgasbetriebenen Aufladeeinrichtung vor, bei einem plötzlichen Lastwechsel, bei dem die Menge der durch den Verdichter der Aufladeeinrichtung zu fördernden Frischluft plötzlich abnimmt, den Verdichter durch eine zusätzliche Maßnahme abzubremsen, um so einen Betriebsbereich zu vermeiden, in dem ein Verdichterpumpen auftreten kann. Dies hat den Vorteil, dass die oben beschriebenen negativen Auswirkungen, die durch die verzögert einsetzende Reaktion der Aufladeeinrichtung entstehen, vermieden werden können.
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Weiterhin kann das Abbremsen durch ein generatorisches Betreiben eines mit dem Verdichter gekoppelten Elektroantriebs durchgeführt werden, der insbesondere an einer Kopplungswelle zur mechanischen Kopplung der Turbine und des Verdichters angeordnet ist.
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Insbesondere kann der Elektroantrieb zur Unterstützung der Aufladeeinrichtung bei Betriebszuständen des Verbrennungsmotos vorgesehen sein, in denen eine Lasterhöhung von einem niedrigen Lastbereich und/oder von einer niedrigen Drehzahl des Verbrennungsmotors gefordert wird.
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Das Abbremsen des Verdichters kann alternativ oder zusätzlich mithilfe einer Bremseinrichtung durchgeführt werden, die insbesondere an einer Kopplungswelle zur mechanischen Kopplung der Turbine und des Verdichters angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Pumpgrenze durch ein Modell der Aufladeeinrichtung definiert werden, das eine Mindestluftmenge als minimal zulässiger Luftmassenstrom durch den Verdichter über einen jeweiligen Druckunterschied zwischen einem ausgangsseitigen und eingangsseitigen Druck über dem Verdichter definiert oder einen maximalen Druckunterschied zwischen einem ausgangsseitigen und eingangsseitigen Druck über dem Verdichter über jeweiligen Luftmassenströmen durch den Verdichter definiert, wobei der Betriebszustand, in dem eine vorgegebene Pumpgrenze des Verdichters der Aufladeeinrichtung überschritten würde, erkannt wird, indem für einen bestehenden Druckunterschied und einen benötigten Luftmassenstrom, insbesondere einen aufgrund einer angeforderten Laständerung und/oder aufgrund einer angeforderten Laständerung benötigten Luftmassenstrom, in den Verbrennungsmotor überprüft wird, ob die durch das Modell definierte Pumpgrenze überschritten wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei die Aufladeeinrichtung eine durch einen Abgasstrom angetriebene Turbine und einen mit der Turbine gekoppelten Verdichter aufweist. Die Vorrichtung umfasst:
- – eine Einrichtung zum Betreiben der Aufladeeinrichtung abhängig von einem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors;
- – eine Einrichtung, die ausgebildet ist, um bei Erkennen eines Betriebszustands, in dem eine vorgegebene Pumpgrenze des Verdichters der Aufladeeinrichtung überschritten würde, den Verdichter durch entsprechende Ansteuerung einer zusätzlich zu der Turbine und dem Verdichter vorgesehenen Bremseinrichtung abzubremsen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
- – einen Verbrennungsmotor;
- – eine Aufladeeinrichtung, die in einem Luftzuführungssystem und in einem Abgasabführungsabschnitt angeordnet ist;
- – eine Bremseinrichtung, die mit dem Verdichter gekoppelt ist, um diesen abzubremsen; und
- – die obige Vorrichtung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer Aufladeeinrichtung;
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2a und 2b Diagramme zur Veranschaulichung des Verlaufs der Pumpgrenze und der Verläufe einer Motordrehzahl und einer Turboladerdrehzahl bei einem plötzlichen Lastwechsel zu einer niedrigeren Last ohne und mit Anwendung eines zusätzlichen Abbremsens des Verdichters der Aufladeeinrichtung; und
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2c und 2d Diagramme zur Veranschaulichung der zulässigen bzw. erreichbaren Betriebsbereiche der Aufladeeinrichtung bei Systemen ohne und mit einer zusätzlichen Bremsmöglichkeit für den Verdichter der Aufladeeinrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der beispielsweise als Ottomotor oder Dieselmotor ausgebildet sein kann. Das Motorsystem kann beispielsweise in einem System vorgesehen sein, in dem häufige Lastwechsel auftreten, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.
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Dem Verbrennungsmotor 2 wird Frischluft über ein Luftzuführungssystem 3 zugeführt und Verbrennungsabgase werden über einen Abgasabführungsabschnitt 4 abgeführt. Der Verbrennungsmotor 2 weist Zylinder 5 auf, in denen ein Luft-/Kraftstoffgemisch verbrannt wird, um ein Antriebsmoment bereitzustellen. Kraftstoff wird den Zylindern entweder durch Einspritzen in einen Saugrohrabschnitt unmittelbar vor Einlassventilen der Zylinder 5 des Verbrennungsmotors 2 oder durch direktes Einspritzen in die Zylinder 5 des Verbrennungsmotors 2 zugeführt.
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Es ist eine Aufladeeinrichtung 6 in Form eines Turboladers vorgesehen. Die Aufladeeinrichtung 6 weist eine Turbine 61 auf, die in dem Abgasabführungsabschnitt 4 angeordnet ist. Die Turbine 61 dient dazu, die Abgasenthalpie des von dem Verbrennungsmotor 2 gelieferten Verbrennungsabgases in kinetische Energie umzusetzen. Die kinetische Energie wird über eine Kopplungswelle 62, die mit der Turbine 61 gekoppelt ist, einem ebenfalls mit der Kopplungswelle 62 verbundenen Verdichter 63 zugeführt.
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Der Verdichter 63 ist im Luftzuführungssystem 3 angeordnet und dient dazu, Frischluft aus einer Umgebung des Motorsystems 1 anzusaugen und ausgangsseitig unter einem erhöhten Ladedruck bereitzustellen.
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Der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung 6 kann beispielsweise mithilfe eines Wastegatestellers (nicht gezeigt) eingestellt werden, der einen Teil der stromaufwärts der Turbine 61 vorliegenden Abgasenthalpie um die Turbine 61 zu deren Ausgangsseite führt. Alternativ kann der Wirkungsgrad durch Verwenden einer Turbine 61 mit einer variablen Turbinengeometrie eingestellt werden, um den Anteil an in kinetische Energie umzusetzender Abgasenthalpie an die von dem Motorsystem geforderte Antriebsleistung bzw. den geforderten Ladedruck anpassen zu können.
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Im Luftzuführungsabschnitt 3 ist weiterhin stromabwärts des Verdichters 63 eine Drosselklappe 7 angeordnet, die eine schnelle Möglichkeit zum Einstellen des in den Verbrennungsmotor 2 geleiteten Luftmassenstroms bereitstellt.
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Es ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die den Verbrennungsmotor 2 gemäß einer Vorgabegröße V betreibt, um ein durch die Vorgabegröße V angefordertes Antriebsmoment bereitzustellen. Dazu erfasst die Steuereinheit 10 über geeignete Sensoren, wie beispielsweise einen Luftmassensensor 8 eingangsseitig des Verdichters 63, einen Ladedrucksensor 9 ausgangsseitig des Verdichters 63, einen Drehzahlsensor und anderen Sensoren, Zustandsgrößen des Motorsystems und steuert das Motorsystem 1 durch entsprechende Eingriffe, wie beispielsweise ein Stellen der Drosselklappe 7, eine Zumessung einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge sowie ein Einstellen des Wirkungsgrads der Aufladeeinrichtung 6.
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Abgasbetriebene Aufladeeinrichtungen, so genannte Turbolader, haben in der Regel den Nachteil, dass bei niedrigen Lasten bzw. niedrigen Drehzahlen kaum Verdichtungsleistung vorliegt, so dass der Verbrennungsmotor 2 bei einer plötzlich angeforderten Last den dafür notwendigen Ladedruck nur verzögert aufbauen kann. Um dieses so genannte Turboloch auszugleichen, kann beispielsweise vorgesehen sein, die Aufladeeinrichtung 6 mit einem Elektroantrieb 64 zu versehen, der beispielsweise mit der Kopplungswelle 62 gekoppelt ist und die Aufladeeinrichtung 6 durch ein zusätzliches Drehmoment an der Kopplungswelle 62 unterstützt, wenn die umzusetzende Abgasenthalpie nicht ausreicht, um die benötigte Verdichterleistung des Verdichters 63 schnell zur Verfügung zu stellen.
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Die Steuereinheit 10 steuert den Elektroantrieb 64 so an, dass gerade in Bereichen mit niedriger Last und/oder niedriger Drehzahl die fehlende Abgasenthalpie durch Zuschalten des Elektroantriebs 64 ausgeglichen wird und somit auch bei angeforderten Beschleunigungen des Verbrennungsmotors 2 aus niedrigen Drehzahlen heraus ein schneller Lastaufbau des Verbrennungsmotors 2 möglich ist.
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Bei einem Lastwechsel von einem Betriebsbereich mit hoher Last und/oder hoher Drehzahl zu einem Betriebszustand mit niedriger Last und/oder niedriger Drehzahl, beispielsweise bei einem Bremseingriff des Fahrers bei eingekuppeltem Verbrennungsmotor 2, tritt, wie oben beschrieben, die Gefahr auf, dass die Aufladeeinrichtung 6 in einen instabilen Betriebsbereich gelangen kann, in dem ein Verdichterpumpen auftritt. Der instabile Betriebsbereich ist z. B. dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hohen bestehenden Ladedruckverhältnis, d. h. einem Druckverhältnis zwischen einem Ladedruck auf einer Ausgangsseite und einem Umgebungsdruck auf einer Eingangsseite des Verdichters 63, der Luftmassenstrom sehr gering ist.
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Für diesen Betriebsfall ist vorgesehen, die Kopplungswelle 62 bzw. den Verdichter 63 durch eine zusätzliche Maßnahme, d. h. eine Maßnahme, die nicht unmittelbar den Verdichter 63 oder die Turbine 61 betrifft, abzubremsen, um die Förderleistung des Verdichters 63 sofort zu reduzieren. Dadurch können die ansonsten vorliegende Verzögerung aufgrund der Totzeit des Laderstellers (VTG-Steller, Wastegatesteller) und die aufgrund der Luftsystemdynamik bestehende Verzögerungszeit bei der Beeinflussung des durch den Verdichter 63 geförderten Ladedrucks vermieden werden.
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Das Abbremsen des Verdichters 63 erfolgt gesteuert durch die Steuereinheit 10, sobald diese erkennt, dass ein plötzlicher Lastwechsel von einer hohen zu einer niedrigen Last vorliegt, bei dem ein Verdichterpumpen des Verdichters 63 auftreten kann. Dazu kann beispielsweise in der Steuereinheit 10 ein Modell der Aufladeeinrichtung 6 vorliegen, durch das der angeforderte Lastwechsel analysiert wird. Wenn festgestellt wird, dass aufgrund des Gradienten des Lastwechsels ein Verdichterpumpen auftreten kann, kann durch eine zusätzliche Abbremsmaßnahme, die die Förderleistung des Verdichters 63 reduziert, das Ladedruckverhältnis nahezu verzögerungsfrei abgebaut werden.
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Zum Abbremsen des Verdichters 63 kann beispielsweise der Elektroantrieb 64 vorgesehen werden, indem dieser generatorisch mit einer entsprechend angeschlossenen elektrischen Last betrieben wird. Zum Erreichen einer größtmöglichen Bremsleistung der Kopplungswelle 62 kann beispielsweise der Elektroantrieb 64 auch kurzgeschlossen werden, so dass ein maximal mögliches Bremsmoment erreicht werden kann. Anstelle des Abbremsens des Verdichters 63 mithilfe des Elektroantriebs 64 können auch zusätzliche Bremseinrichtungen, wie beispielsweise eine Scheibenbremse, eine Wirbelstrombremse oder dergleichen, an die Kopplungswelle 62 oder den Verdichter 63 gekoppelt sein, so dass gesteuert durch die Steuereinheit 10 ein Abbremsen des Verdichters 63 erreicht werden kann.
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2a zeigt schematisch den Betriebsbereich einer abgasbetriebenen Aufladeeinrichtung im Verbund mit einem Verbrennungsmotor.
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Man erkennt in dem Diagramm die Pumpgrenze als Verlauf des Ladedruckverhältnisses p2/p1 über dem Luftmassenstrom dm/dt, wobei ein Verdichterpumpen linksseitig bzw. oberhalb der dargestellten Pumpgrenze PG auftritt. Weiterhin sind Linien KM konstanter Motordrehzahlen nMotor des Verbrennungsmotors 2 und Linien KT konstanter Turboladerdrehzahlen nTurbo dargestellt. Der Pfeil K1 gibt die plötzliche Abnahme der Motordrehzahl nMotor des Verbrennungsmotors 2 bei einer angeforderten Reduzierung der Last des Verbrennungsmotors 2 an und man erkennt, dass ohne weitere Maßnahmen dadurch die Pumpgrenze PG überschritten und in dem Verdichter 63 ein Verdichterpumpen auftreten würde.
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In 2a markiert der Punkt P1 einen normalen Betriebspunkt der Aufladeeinrichtung 6. Bei einem starken Abbremsen des Verbrennungsmotors 2 würde ohne Gegenmaßnahme die Turboladerdrehzahl nTurbo der Aufladeeinrichtung 6 konstant bleiben und damit die Pumpgrenze PG überschritten werden, was durch den Pfeil K1 angezeigt ist. Die Wirksamkeit von Laderschutzmaßnahmen nach dem Stand der Technik ist in der Kurve K2 dargestellt. Nach einer mechanisch bedingten Totzeit Ttot des Systems sinkt die Turboladerdrehzahl nTurbo über die thermodynamische Kopplung an den Luftmassenstrom.
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In 2b ist die Wirkung des hierin beschriebenen direkten Bremseingriffs an der Aufladeeinrichtung 6 dargestellt. Die Kurve K3 gibt das Abbremsverhalten wieder, wobei gegenüber der herkömmlichen Strategie ein sicherer Betrieb deutlich näher an der Pumpgrenze PG der Aufladeeinrichtung 6 möglich ist.
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In 2c ist der Arbeitsbereich dargestellt, der nach dem Stand der Technik mit einer Turboaufladung zugänglich ist. Die Fläche A1 und die Fläche A2 zusammen stellen die Betriebsbereiche dar, die thermodynamisch von der Aufladeeinrichtung 6 nutzbar wären. Die Fläche A2 stellt den Betriebsbereich dar, der aus Gründen der Vermeidung des Verdichterpumpens, d. h. um sicherzustellen, dass die Aufladeeinrichtung im dynamischen Betrieb nicht die Pumpgrenze PG überschreitet, vermieden werden sollte.
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In 2d ist der Arbeitsbereich dargestellt, der mit einer elektrisch unterstützen Aufladeeinrichtung mit einem aktiven Bremseingriff zu Schutzzwecken zugänglich ist. Daher umfasst der gezeigte Arbeitsbereich auch Arbeitsbereiche, die rein thermodynamisch nicht erreichbar sind. Die Fläche A3 zeigt die nutzbaren, stabilen Betriebsbereiche der Aufladeeinrichtung 6, die durch Nutzung der elektrisch unterstützten Aufladung erreicht werden können. Lediglich die Fläche A4 gibt die Betriebsbereiche an, die zur Vermeidung eines Überschreitens der Pumpgrenze PG im dynamischen Betrieb vermieden werden sollte. Diese beinhaltet auch Punkte, die der Aufladeeinrichtung 6 rein thermodynamisch nicht zugänglich wären.
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Durch Vergleichen der Betriebsbereiche A1 und A3 bzw. A2 und A4 erkennt man, dass insbesondere im unteren bis mittleren Drehzahlbereich der Motordrehzahl nMotor, der für die Fahrbarkeit eines Fahrzeugs besonders wichtig ist, der Betrieb der Aufladeeinrichtung 6 mit der Möglichkeit eines zusätzlichen Bremseingriffs vorteilhaft ist, da gegenüber dem Stand der Technik deutlich größere Ladedrücke zulässig sind bzw. erreicht werden können.
