DE102014114980A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben - Google Patents
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Abstract
Aufgeladene Brennkraftmaschine (30), mit einem Verbrennungsmotor (31), wobei Zylindern (32) des Verbrennungsmotors (31) zur Verbrennung von Kraftstoff Ladeluft über eine Ladeluftleitung (33) zuführbar ist, wobei Abgas, welches bei der Verbrennung des Kraftstoffs entsteht, von den Zylindern (32) über eine Abgasleitung (34) abführbar ist, wobei in der Abgasleitung (34) eine erste Turbine (35) angeordnet ist, in welcher von den Zylindern (32) abgeführtes Abgas entspannbar ist, wobei in der Ladeluftleitung (33) ein erster Verdichter (36) angeordnet ist, der von der ersten Turbine (35) antreibbar ist, wobei in Strömungsrichtung der Ladeluft gesehen stromabwärts des ersten Verdichters (36) in der Ladeluftleitung (33) ein zweiter Verdichter (39) angeordnet ist, der von einer ebenfalls in der Ladeluftleitung (33) stromabwärts des zweiten Verdichters (39) positionierten zweiten Turbine (40) antreibbar ist, und wobei dem zweiten Verdichter (39) eine elektrische Maschine (43) zugeordnet ist, die als Motor und Generator betreibbar ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
-
1 zeigt ein Blockschaltbild einer aus dem Stand der Technik bekannten, aufgeladenen Brennkraftmaschine10 . Die Brennkraftmaschine10 umfasst einen Verbrennungsmotor11 mit mehreren Zylindern12 , wobei den Zylindern12 zur Verbrennung von Kraftstoff über eine Ladeluftleitung13 Ladeluft zugeführt wird, und wobei bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Zylindern12 entstehendes Abgas über eine Abgasleitung14 von den Zylindern12 des Verbrennungsmotors11 abgeführt werden kann. Der Abgasleitung14 ist dabei eine erste Turbine15 zugeordnet, in welcher die Zylinder12 verlassendes Abgas entspannt wird, wobei hierbei gewonnene Energie genutzt wird, um einen in der Ladeluftleitung13 positionierten ersten Verdichter16 anzutreiben, in welchem Ladeluft verdichtet wird. - In Strömungsrichtung des Abgases gesehen ist stromabwärts der Turbine
15 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung17 , zum Beispiel ein Katalysator, positioniert, wobei in Strömungsrichtung der Ladeluft gesehen stromaufwärts des Verdichters16 ein Luftfilter18 angeordnet ist. - Gemäß
1 ist es aus dem Stand der Technik weiterhin bekannt, in der Ladeluftleitung13 stromabwärts des ersten Verdichters16 einen zweiten Verdichter19 zu positionieren, der von einer ebenfalls in der Ladeluftleitung13 stromabwärts des zweiten Verdichters19 positionierten, zweiten Turbine20 antreibbar ist. - Stromabwärts des ersten Verdichters
16 und stromaufwärts des zweiten Verdichters19 sowie stromabwärts des zweiten Verdichters19 und stromaufwärts der zweiten Turbine20 ist in der Ladeluftleitung13 jeweils ein Ladeluftkühler21 bzw.22 angeordnet, um in den Verdichtern16 ,19 verdichtete Ladeluft stromabwärts des jeweiligen Verdichters16 ,19 zu kühlen. - Mit der Brennkraftmaschine der
1 kann den Zylindern12 des Verbrennungsmotors11 Ladeluft mit einer geringen Ladelufttemperatur zugeführt werden. Das ist von Vorteil. Problematisch bei Brennkraftmaschinen gemäß1 ist jedoch das sogenannte transiente Betriebsverhalten zwischen unterschiedlichen Lastzuständen, da in der Ladeluftleitung neben den beiden Verdichtern16 ,19 auch die Turbine20 positioniert ist, dass über die Ladeluft demnach eine Vielzahl von Baugruppen beschleunigt werden müssen. - Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben zu schaffen, mit Hilfe derer das transiente Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden kann und die auch zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann.
- Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist dem zweiten Verdichter eine elektrische Maschine zugeordnet, die als Motor und Generator betreibbar ist. Bedingt dadurch, dass dem zweiten Verdichter, der von der zweiten Turbine aus antreibbar ist und der zusammen mit der zweiten Turbine in der Ladeluftleitung angeordnet ist, eine elektrische Maschine zugeordnet ist, die als Motor und Generator betrieben werden kann, kann das transiente Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden, ferner kann dieselbe auch zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.
- Nach einer Weiterbildung betreibt eine Steuerungseinrichtung dann, wenn in der ersten Turbine zu wenig Energie gewonnen und demnach in dem ersten Verdichter zu wenig Ladeluft verdichtet wird, die dem zweiten Verdichter zugeordnete elektrische Maschine als Motor, wohingegen die Steuerungseinrichtung dann, wenn in der ersten Turbine zu viel Energie gewonnen und demnach in dem ersten Verdichter zu viel Ladeluft verdichtet wird, die dem zweiten Verdichter zugeordnete elektrische Maschine als Generator betreibt. Beim Betrieb der elektrischen Maschine als Motor kann das transiente Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden. Der Betrieb der elektrischen Maschine als Generator dient der Erzeugung elektrischer Energie insbesondere bei Teillast-Rekuperation.
- Vorzugsweise übernimmt die dem zweiten Verdichter zugeordnete elektrische Maschine die Funktion einer Drosselklappe zumindest teilweise. Auf eine Drosselklappe kann vollständig verzichtet werden.
- Das Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine ist in Anspruch 8 definiert.
- Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine aufgeladene Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik; -
2 eine erfindungsgemäße aufgeladene Brennkraftmaschine. - Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
-
2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine30 . Die Brennkraftmaschine30 verfügt über einen Verbrennungsmotor31 mit mehreren Zylindern32 . Den Zylindern32 ist über eine Ladeluftleitung33 Ladeluft zuführbar, um in den Zylindern32 Kraftstoff zu verbrennen. Abgas, welches bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Zylindern32 des Verbrennungsmotors31 anfällt, ist über eine Abgasleitung34 von den Zylindern32 des Verbrennungsmotors31 abführbar. - In der Abgasleitung
34 ist eine erste Turbine35 angeordnet, die der Entspannung des von den Zylindern32 abgeführten Abgases dient. Hierbei gewonnene Energie wird in einem in der Ladeluftleitung33 positionierten ersten Verdichter36 genutzt, um Ladeluft zu verdichten. - In Strömungsrichtung des Abgases gesehen ist stromabwärts der ersten Turbine
35 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung37 angeordnet, in Strömungsrichtung der Ladeluft gesehen ist stromaufwärts des ersten Verdichters36 ein Luftfilter38 angeordnet. - In die Ladeluftleitung
33 ist stromabwärts des ersten Verdichters36 ein zweiter Verdichter39 positioniert, der von einer ebenfalls in der Ladeluftleitung33 stromabwärts des zweiten Verdichters39 positionierten zweiten Turbine40 aus antreibbar ist. In Strömungsrichtung der Ladeluft gesehen ist stromabwärts des ersten Verdichters36 und stromaufwärts des zweiten Verdichters39 sowie stromabwärts des zweiten Verdichters39 und stromaufwärts der zweiten Turbine40 jeweils ein Ladeluftkühler41 ,42 in der Ladeluftleitung33 angeordnet. - Erfindungsgemäß ist dem zweiten Verdichter
39 der Brennkraftmaschine30 eine elektrische Maschine43 zugeordnet. Die elektrische Maschine43 kann als Generator und Motor betrieben werden. -
2 zeigt weiterhin eine Steuerungseinrichtung44 . Dann, wenn in der ersten Turbine35 zu wenig Energie gewonnen werden und demnach in dem ersten Verdichter36 zu wenig Ladeluft verdichtet werden kann, wird die elektrische Maschine43 , gesteuert durch die Steuerungseinrichtung44 , als Motor betrieben, um eine ausreichende Ladeluftmenge bereitzustellen. Dann hingegen, wenn in der ersten Turbine35 zu viel Energie gewonnen und demnach in dem ersten Verdichter36 zu viel Ladeluft verdichtet werden kann, wird die dem zweiten Verdichter39 zugeordnete elektrische Maschine43 als Generator betrieben, um die zu viel erzeugte Ladeluft zum Erzeugen von elektrischer Energie zu nutzen. Beim Betrieb der elektrischen Maschine43 als Motor kann das transiente Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine30 verbessert werden. Der Betrieb der elektrischen Maschine43 als Generator dient der Erzeugung elektrischer Energie insbesondere bei Teillast-Rekuperation. - Dann, wenn die elektrische Maschine
43 als Motor betrieben wird, kann demnach eine Boost-Funktion für die Brennkraftmaschine bereitgestellt werden. - Dann, wenn die elektrische Maschine
43 als Generator betrieben wird, kann eine Rekuperations-Funktion für die Brennkraftmaschine bereitgestellt werden. - Gemäß
2 wirkt die elektrische Maschine43 mit einem elektrischen Energiespeicher45 zusammen, der im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine43 von derselben stärker entladen und im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine43 von derselben stärker aufgeladen wird. - Die dem zweiten Verdichter
39 zugeordnete elektrische Maschine43 übernimmt zumindest teilweise die Funktion einer Drosselklappe. Über die elektrische Maschine43 kann demnach die Motorlast des Verbrennungsmotors31 geregelt werden. Bei entsprechender Dimensionierung der elektrischen Maschine43 sowie des elektrischen Energiespeichers45 kann auf eine Drosselklappe vollständig verzichtet werden. Es ist jedoch auch möglich, nach wie vor in die Ladeluftleitung33 eine Drosselklappe (nicht gezeigt) zu integrieren, die dann die elektrische Maschine43 bei der Regelung der Motorlast des Verbrennungsmotors31 unterstützt. - Um also das transiente Betriebsverhalten einer Brennkraftmaschine, in deren Ladeluftleitung zwei Verdichter und eine Turbine positioniert sind, zu verbessern, ist demjenigen Verdichter, der von der in der Ladeluftleitung integrierten Turbine aus angetrieben werden kann, eine elektrischen Maschine zugeordnet, die abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors als Motor oder als Generator betrieben wird. Im Motorbetrieb der elektrischen Maschine kann in einem transienten Betriebszustand die Motorlast besonders vorteilhaft geregelt werden. Dann, wenn viel Ladeluft zur Verfügung steht, kann Energie der Ladeluft zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Dann hingegen, wenn zu wenig Ladeluft zur Verfügung steht, kann über die elektrische Maschine der Verdichter angetrieben werden, um eine Boost-Funktion bereitzustellen.
- Die Erfindung kommt vorzugsweise bei Ottomotoren zum Einsatz, kann aber auch bei Dieselmotoren genutzt werden.
Claims (8)
- Aufgeladene Brennkraftmaschine (
30 ), mit einem Verbrennungsmotor (31 ), wobei Zylindern (32 ) des Verbrennungsmotors (31 ) zur Verbrennung von Kraftstoff Ladeluft über eine Ladeluftleitung (33 ) zuführbar ist, wobei Abgas, welches bei der Verbrennung des Kraftstoffs entsteht, von den Zylindern (32 ) über eine Abgasleitung (34 ) abführbar ist, wobei in der Abgasleitung (34 ) eine erste Turbine (35 ) angeordnet ist, in welcher von den Zylindern abgeführtes Abgas entspannbar ist, wobei in der Ladeluftleitung (33 ) ein erster Verdichter (36 ) angeordnet ist, der von der ersten Turbine (35 ) antreibbar ist, wobei in Strömungsrichtung der Ladeluft gesehen stromabwärts des ersten Verdichters (36 ) in der Ladeluftleitung ein zweiter Verdichter (39 ) angeordnet ist, der von einer ebenfalls in der Ladeluftleitung (33 ) stromabwärts des zweiten Verdichters positionierten zweiten Turbine (40 ) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Verdichter (39 ) eine elektrische Maschine (43 ) zugeordnet ist, die als Motor und Generator betreibbar ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (
44 ) dann, wenn in der ersten Turbine (35 ) zu wenig Energie gewonnen und demnach in dem ersten Verdichter (36 ) zu wenig Ladeluft verdichtet wird, die dem zweiten Verdichter (39 ) zugeordnete elektrische Maschine (43 ) als Motor betreibt. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (
41 ) dann, wenn in der ersten Turbine (35 ) zu viel Energie gewonnen und demnach in dem ersten Verdichter (36 ) zu viel Ladeluft verdichtet wird, die dem zweiten Verdichter (39 ) zugeordnete elektrische Maschine (43 ) als Generator betreibt. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zweiten Verdichter (
39 ) zugeordnete elektrische Maschine (43 ) die Funktion einer Drosselklappe zumindest teilweise übernimmt. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drosselklappe die Funktion der elektrischen Maschine (
43 ) unterstützt. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des ersten Verdichters (
36 ) und stromaufwärts des zweiten Verdichters (39 ) ein Ladeluftkühler (41 ) in der Ladeluftleitung (33 ) angeordnet ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des zweiten Verdichters (
39 ) und stromaufwärts der zweiten Turbine (40 ) ein Ladeluftkühler (42 ) in der Ladeluftleitung angeordnet ist. - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn in der ersten Turbine (
35 ) zu wenig Energie gewonnen und demnach in dem ersten Verdichter (36 ) zu wenig Ladeluft verdichtet wird, die dem zweiten Verdichter (39 ) zugeordnete elektrische Maschine (43 ) als Motor betrieben wird; dann, wenn in der ersten Turbine (25 ) zu viel Energie gewonnen und demnach in dem ersten Verdichter (36 ) zu viel Ladeluft verdichtet wird, die dem zweiten Verdichter (39 ) zugeordnete elektrische Maschine (43 ) als Generator betrieben wird.
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