DE102014006782A1

DE102014006782A1 - Verfahren zur CO2-Ausstoßreduzierung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102014006782A1
Application number: DE102014006782.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes Müller; Claudio Rivas Zoeller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2014-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (10), durch Bereitstellen von elektrischer Energie mit einer elektrischen Maschine (14), die von einer Verbrennungskraftmaschine (12) angetrieben wird, Speichern der elektrischen Energie in einem Superkondensator (18), und Versorgen zumindest eines elektrischen Verbrauchers (16) des Kraftfahrzeugs (10) mit der in dem Superkondensator gespeicherten elektrischen Energie, wobei der zumindest eine elektrische Verbraucher (16) mit der in dem Superkondensator (18) gespeicherten elektrischen Energie während einer Leerlaufphase der Verbrennungskraftmaschine (12), in welcher die Verbrennungskraftmaschine (12) im Leerlauf betrieben wird, versorgt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs durch Bereitstellen von elektrischer Energie mit einer elektrischen Maschine, die von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, Speichern der elektrischen Energie in einem Superkondensator, und Versorgen zumindest eines elektrischen Verbrauchers des Kraftfahrzeugs mit der in dem Superkondensator gespeicherten elektrischen Energie. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
In den aktuellen Bordnetz-Entwicklungen für Kraftfahrzeuge werden Fahrperformance und Batterielebensdauer als Entwicklungsziele von Maßnahmen zur CO₂-Ausstoßreduzierung abgelöst.
Kraftfahrzeuge weisen in der Regel eine Verbrennungskraftmaschine auf. Diese dient üblicherweise dazu, das Kraftfahrzeug anzutreiben. Zusätzlich können an der Verbrennungskraftmaschine Nebenaggregate angebrachte sein, wie zum Beispiel Lenkhilfepumpen, Lichtmaschinen, Klimakompressoren, Druckluftkompressoren, Wasserpumpen oder dergleichen, und von dieser betrieben werden. Diese Nebenaggregate müssen, unabhängig vom Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine, in einem bestimmten Drehzahlbereich betrieben werden. Solche Betriebsbereiche der Verbrennungskraftmaschine können beispielsweise Beschleunigungsphasen oder Leerlaufphasen oder Schubphasen sein.
Um die Nebenaggregate unabhängig von der Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine betreiben zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Zusatzmotor zum Betrieb der Nebenaggregate in dem Kraftfahrzeug zu integrieren. Dieser Zusatzmotor, der beispielsweise als elektrische Maschine ausgelegt sein kann, liefert damit unabhängig von einer fahrdynamischen Situation des Kraftfahrzeugs die zum Betrieb der Nebenaggregate notwendige Drehzahl. Der Betrieb von Nebenaggregaten über den Zusatzmotor oder über die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 100 01 436 A1 bekannt.
Außerdem ist bekannt, dass zur Energieversorgung eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug eine Bordnetzbatterie als zusätzlicher Energiespeicher notwendig ist. Die Bordnetzbatterie wird hauptsächlich beim Startvorgang des Verbrennungsmotors belastet. Sie kann aber auch dazu dienen, die Nebenaggregate mit Energie zu versorgen. Die Energieversorgung über die Bordnetzbatterie ist vor allem dann notwendig, wenn der Verbrennungsmotor nicht genügend Energie zur Versorgung der Nebenaggregate liefern kann. Dabei wird die Bordnetzbatterie entladen, um die notwendige Energie bereitzustellen. Dies kann sich beispielsweise nachteilig auf die Lebensdauer der Bordnetzbatterie auswirken, da die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge in den bekannten Bordnetzbatterien beschränkt ist.
Um die Bordnetzbatterie nicht unnötig zu belasten, schlägt die EP 1 013 506 B1 vor, das Bordnetz um einen Superkondensator zu erweitern. Solche Superkondensatoren werden auch als Doppelschichtkondensatoren oder Ultrakondensatoren bezeichnet. Dieser Superkondensator wird in vorgegebenen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine geladen bzw. entladen. In einer Entladephase dient der Superkondensator dazu, die Nebenaggregate mit Energie zu versorgen. Dabei schlägt die EP 1 013 506 B1 vor, den Superkondensator zu entladen, sobald die Bordnetzbatterie nach dem Motorstart belastet wird. Ein weiterer Betriebszustand, währenddessen der Superkondensator entladen wird, sind Beschleunigungsphasen des Kraftfahrzeugs.
Der Stand der Technik besitzt den Nachteil, dass die Rückspeisestrategie, also die Betriebszustände, in denen der Superkondensator entladen wird, nicht auf eine CO₂-Ausstoßreduzierung optimiert ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie der CO₂-Ausstoß beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs weiter reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Ein solches Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs stellt elektrische Energie mit einer elektrischen Maschine, die von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, bereit. Die Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise ein Verbrennungsmotor, dient in der Regel zum Antrieb des Kraftfahrzeugs. Die von der elektrischen Maschine bereitgestellte elektrische Energie wird in einem Superkondensator gespeichert. Ferner wird zumindest ein elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit der in dem Superkondensator gespeicherten elektrischen Energie versorgt. Ein solcher elektrischer Verbraucher kann beispielsweise eines der bereits beschriebenen Nebenaggregate sein.
Um nun mittels des Verfahrens eine CO₂-Ausstoßreduzierung zu erreichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zumindest eine elektrische Verbraucher mit der in dem Superkondensator gespeicherten elektrischen Energie während einer Leerlaufphase der Verbrennungskraftmaschine, in welcher die Verbrennungskraftmaschine im Leerlauf betrieben wird, versorgt wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich in Leerlaufphasen des Verbrennungsmotors der größte CO₂-Ausstoß pro abgegebene Kilowattstunde Verbrennerleistung ergibt. Dies geht aus der Wirkungsgradcharakteristik von Verbrennungsmotoren hervor. Der Verbrennungsmotor wird in Leerlaufphasen genau dann entlastet, wenn die Nebenaggregate, also die elektrischen Verbraucher, nicht mit Energie, die über die elektrische Maschine durch den Verbrennungsmotor bereitgestellt wird, versorgt werden müssen. Die Energieversorgung der elektrischen Verbraucher erfolgt mit Hilfe der im Superkondensator gespeicherten elektrischen Energie, indem der Superkondensator entladen wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der zumindest eine elektrische Verbraucher mit der in dem Superkondensator gespeicherten elektrischen Energie während eines Stillstandes des Kraftfahrzeugs versorgt wird. Das Kraftfahrzeug befindet sich beispielsweise dann in einer Leerlaufphase im Fahrzeugstillstand, wenn das Kraftfahrzeug an einer Ampel warten muss. Das Kraftfahrzeug wird insbesondere im Stillstand nicht bewegt. Auch dann wird der größte CO₂-Vorteil erreicht, wenn der Verbrennungsmotor in Leerlaufphasen bei Fahrzeugstillstand maximal entlastet wird und die Energie zur Versorgung der Nebenaggregate durch Entladen des Superkondensators bereitgestellt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine der Superkondensator mit elektrischer Energie von der elektrischen Maschine, die als Generator betrieben wird, geladen wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Superkondensator immer dann mit Energie aufgeladen wird, wenn sich das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet, also wenn bei beispielsweise nicht getretener Kupplung die Verbrennungskraftmaschine durch das Fahrzeug in Drehbewegung gehalten wird. Diese Betriebsphase ist auch als Motorbremse bekannt. Dabei treibt die Verbrennungskraftmaschine die elektrische Maschine an. Die durch diesen Generatorbetrieb der elektrischen Maschine bereitgestellte Energie wird in dem Superkondensator gespeichert. Somit wird die im Schubbetrieb gewonnene Energie optimal eingesetzt.
Besonders bevorzugt wird der Superkondensator während eines von der Leerlaufphase verschiedenen Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine bis zu einem vorgegebenen Schwellenwert bezüglich eines Ladezustands des Superkondensators entladen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Superkondensator auch während anderer Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise Beschleunigungsphasen, Energie für die Versorgung des mindestens einen elektrischen Verbrauchers bereitstellt. Dabei wird der Superkondensator aber nur so weit entladen, bis ein vorgegebener Schwellenwert bezüglich des Ladezustands des Superkondensators erreicht ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass in dem Superkondensator genügend Energie verbleibt, um die elektrischen Verbraucher in Leerlaufphasen des Verbrennungsmotors zu versorgen. Somit wird die elektrische Maschine und damit auch der Verbrennungsmotor sowohl während der Fahrt, also in einem von der Leerlaufphase verschiedenen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, als auch im Leerlaufbetrieb entlastet und dadurch der CO₂-Ausstoß verringert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schwellenwert dynamisch während des Betriebs des Kraftfahrzeugs angepasst wird. Dies bedeutet, dass der Schwellenwert so eingestellt werden muss, dass in Leerlaufphasen der Verbrennungskraftmaschine genügend Energie zur Versorgung der Nebenaggregate bereitgestellt werden kann. Moderne Verbrennungsmotoren sind in der Lage, anhand ihrer Einspritzmengen und eigenen Leerlaufverluste zu ermitteln, welche Belastung im Stillstand den Nebenaggregaten zuzuordnen ist. Somit können die Lade- und Entladephasen des Superkondensators besonders energieeffizient gestaltet werden.
Auch kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als Motor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs betrieben wird. Somit kann die durch die Nebenantriebe entnommene Leistung durch den elektromotorischen Betrieb ausgeglichen werden. Dadurch wird ebenso der Verbrennungsmotor entlastet und der CO₂-Ausstoß verringert.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, einer elektrischen Maschine, die von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, zum Bereitstellen von elektrischer Energie, einem Superkondensator zum Speichern der elektrischen Energie und einer Steuereinrichtung zum Steuern einer Versorgung zumindest eines elektrischen Verbrauchers des Kraftfahrzeugs mit der in dem Superkondensator gespeicherten elektrischen Energie. Zur optimalen CO₂-Ausstoßreduzierung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung die Versorgung derart steuert, dass der Superkondensator den zumindest einen elektrischen Verbraucher mit der gespeicherten elektrischen Energie während einer Leerlaufphase der Verbrennungskraftmaschine, in welcher die Verbrennungskraftmaschine im Leerlauf betrieben wird, versorgt.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 Wirkungsgradcharakteristik einer konventionellen Verbrennungskraftmaschine; und
2 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
Erfindungsgemäß wird berücksichtigt, dass sich in Leerlaufphasen des Verbrennungsmotors der größte CO₂-Ausstoß pro abgegebene Kilowattstunde Verbrennerleistung ergibt. Dies geht aus der Wirkungsgradcharakteristik von Verbrennungsmotoren gemäß 1 hervor. Dabei ist auf der Abszisse die Drehzahl 1 des Verbrennungsmotors aufgetragen. Die Ordinate zeigt die Leistung 2 der Verbrennungskraftmaschine. Die dargestellten ovalförmigen Linien zeigen den spezifischen Kraftstoffverbrauch 3 bei verschiedenen Kombinationen von Drehzahl und Verbrennerleistung. Der Bereich unterhalb der gestrichelten Linie 4 zeigt eine Kombination von Drehzahl 1 und Verbrennerleistung 2, die einen besonders hohen spezifischen Kraftstoffverbrauch 3 zur Folge hat. Ein solch hoher spezifischer Kraftstoffverbrauch 3 tritt beispielsweise bei sehr niedriger Drehzahl 1 sowie sehr niedriger Verbrennerleistung 2 auf, also beispielsweise im Leerlaufbetrieb der Verbrennungskraftmaschine. Somit eignen sich diese Phasen, in denen sich der Verbrennungsmotor in einer Leerlaufphase befindet, besonders gut zur Entlastung des Verbrennungsmotors und somit zur CO₂-Einsparung.
2 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Verbrennungskraftmaschine 12. Die Verbrennungskraftmaschine dient üblicherweise dazu, das Fahrzeug 10 anzutreiben. Zusätzlich ist in dem Kraftfahrzeug 10 eine elektrische Maschine 14 angeordnet. Die elektrische Maschine 14 kann beispielsweise als Generator ausgebildet sein. Die Verbrennungskraftmaschine 12 treibt die elektrische Maschine 14 an. Die durch den Antrieb der elektrischen Maschine 14 bereitgestellte elektrische Energie dient der Versorgung mindestens eines elektrischen Verbrauchers 16. Es können aber auch mehrere elektrische Verbraucher 16 vorgesehen sein, die von der elektrischen Maschine 14 versorgt werden. Der oder die elektrische Verbraucher 16 kann eines oder mehrere der Nebenaggregate sein.
Auch kann die durch die elektrische Maschine 14 bereitgestellte Energie in einem Superkondensator 18 zwischengespeichert werden. Der Superkondensator 18 stellt die gespeicherte Energie zur Verfügung, um zumindest einen elektrischen Verbraucher 16, beispielsweise die Klimaanlage oder die Lichtmaschine, mit elektrischer Energie zu versorgen.
Durch die direkte Energieversorgung der elektrischen Verbraucher 16 über die elektrische Maschine 14 wird auch die Verbrennungskraftmaschine 12 belastet, da die Verbrennungskraftmaschine 12 die elektrische Maschine 14 antreibt. Dies kann in bestimmten Betriebszuständen, wie beispielsweise im Leerlaufbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, zu einem erhöhten CO₂-Ausstoß pro abgegebener Kilowattstunde Verbrennerleistung führen.
Daher ist es für den Betriebszustand der Leerlaufphase besonders vorteilhaft, wenn die Energie für den oder die elektrische Verbraucher 16 von dem Superkondensator 18 bereitgestellt wird. Zusätzlich steht eine Steuereinrichtung 20 zur Verfügung, die die Versorgung derart steuert, dass der oder die elektrischen Verbraucher 16 während einer Leerlaufphase mit Energie aus dem Superkondensator 18 versorgt wird/werden.
Auch kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 20 einen Energiefluss derart steuert, dass der Superkondensator 18 im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs 10 über die elektrische Maschine 14 im Generatorbetrieb aufgeladen werden kann.
Insgesamt ist somit durch das Beispiel eine optimierte Rückspeisestrategie im Bordnetz für ein Kraftfahrzeug gezeigt.
Bezugszeichenliste

1: Drehzahl
2: Leistung
3: spezifischer Kraftstoffverbrauch
4: Bereichsabgrenzung
10: Kraftfahrzeug
12: Verbrennungskraftmaschine
14: elektrische Maschine
16: elektrische Verbraucher
18: Superkondensator
20: Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10001436 A1 [0004]
EP 1013506 B1 [0006, 0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (10), durch – Bereitstellen von elektrischer Energie mit einer elektrischen Maschine (14), die von einer Verbrennungskraftmaschine (12) angetrieben wird, – Speichern der elektrischen Energie in einem Superkondensator (18), und – Versorgen zumindest eines elektrischen Verbrauchers (16) des Kraftfahrzeugs (10) mit der in dem Superkondensator gespeicherten elektrischen Energie, gekennzeichnet durch – Versorgen des zumindest eines elektrischen Verbrauchers (16) mit der in dem Superkondensator (18) gespeicherten elektrischen Energie während einer Leerlaufphase der Verbrennungskraftmaschine (12), in welcher die Verbrennungskraftmaschine (12) im Leerlauf betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrische Verbraucher (16) mit der in dem Superkondensator (18) gespeicherten elektrischen Energie während eines Stillstandes des Kraftfahrzeugs (10) versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, im Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (12) der Superkondensator (18) mit der elektrischen Energie von der elektrischen Maschine (14), die als Generator betrieben wird, geladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Superkondensator (18) während eines von der Leerlaufphase verschiedenen Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine (12) bis zu einem vorgegebenen Schwellenwert bezüglich eines Ladezustands des Superkondensators (18) entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert dynamisch während des Betriebs des Kraftfahrzeugs (10) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (14) als Motor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (10) betrieben wird.
Kraftfahrzeug (10) mit – einer Verbrennungskraftmaschine (12), – einer elektrischen Maschine (14), die von der Verbrennungskraftmaschine (12) angetrieben wird, zum Bereitstellen von elektrischer Energie, – einem Superkondensator (18) zum Speichern der elektrischen Energie und – einer Steuereinrichtung (20) zum Steuern einer Versorgung zumindest eines elektrischen Verbrauchers (16) des Kraftfahrzeugs (10) mit der in dem Superkondensator (18) gespeicherten elektrischen Energie, dadurch gekennzeichnet, dass – Steuereinrichtung (20) die Versorgung derart steuert, dass der Superkondensator (18) den zumindest einen elektrischen Verbraucher (16) mit der gespeicherten elektrischen Energie während einer Leerlaufphase der Verbrennungskraftmaschine (12), in welcher die Verbrennungskraftmaschine (12) im Leerlauf betrieben wird, versorgt.