DE102014114980A1

DE102014114980A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102014114980A1
Application number: DE102014114980.7A
Authority: DE
Inventors: Vincenzo Bevilacqua; Matthias Böger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: DE102014114980B4

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 Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen Verbrennungsmotor 11 mit mehreren Zylindern 12, wobei den Zylindern 12 zur Verbrennung von Kraftstoff über eine Ladeluftleitung 13 Ladeluft zugeführt wird, und wobei bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Zylindern 12 entstehendes Abgas über eine Abgasleitung 14 von den Zylindern 12 des Verbrennungsmotors 11 abgeführt werden kann. Der Abgasleitung 14 ist dabei eine erste Turbine 15 zugeordnet, in welcher die Zylinder 12 verlassendes Abgas entspannt wird, wobei hierbei gewonnene Energie genutzt wird, um einen in der Ladeluftleitung 13 positionierten ersten Verdichter 16 anzutreiben, in welchem Ladeluft verdichtet wird.
In Strömungsrichtung des Abgases gesehen ist stromabwärts der Turbine 15 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 17, zum Beispiel ein Katalysator, positioniert, wobei in Strömungsrichtung der Ladeluft gesehen stromaufwärts des Verdichters 16 ein Luftfilter 18 angeordnet ist.
Gemäß 1 ist es aus dem Stand der Technik weiterhin bekannt, in der Ladeluftleitung 13 stromabwärts des ersten Verdichters 16 einen zweiten Verdichter 19 zu positionieren, der von einer ebenfalls in der Ladeluftleitung 13 stromabwärts des zweiten Verdichters 19 positionierten, zweiten Turbine 20 antreibbar ist.
Stromabwärts des ersten Verdichters 16 und stromaufwärts des zweiten Verdichters 19 sowie stromabwärts des zweiten Verdichters 19 und stromaufwärts der zweiten Turbine 20 ist in der Ladeluftleitung 13 jeweils ein Ladeluftkühler 21 bzw. 22 angeordnet, um in den Verdichtern 16, 19 verdichtete Ladeluft stromabwärts des jeweiligen Verdichters 16, 19 zu kühlen.
Mit der Brennkraftmaschine der 1 kann den Zylindern 12 des Verbrennungsmotors 11 Ladeluft mit einer geringen Ladelufttemperatur zugeführt werden. Das ist von Vorteil. Problematisch bei Brennkraftmaschinen gemäß 1 ist jedoch das sogenannte transiente Betriebsverhalten zwischen unterschiedlichen Lastzuständen, da in der Ladeluftleitung neben den beiden Verdichtern 16, 19 auch die Turbine 20 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 Brennkraftmaschine 30. Die Brennkraftmaschine 30 verfügt über einen Verbrennungsmotor 31 mit mehreren Zylindern 32. Den Zylindern 32 ist über eine Ladeluftleitung 33 Ladeluft zuführbar, um in den Zylindern 32 Kraftstoff zu verbrennen. Abgas, welches bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Zylindern 32 des Verbrennungsmotors 31 anfällt, ist über eine Abgasleitung 34 von den Zylindern 32 des Verbrennungsmotors 31 abführbar.
In der Abgasleitung 34 ist eine erste Turbine 35 angeordnet, die der Entspannung des von den Zylindern 32 abgeführten Abgases dient. Hierbei gewonnene Energie wird in einem in der Ladeluftleitung 33 positionierten ersten Verdichter 36 genutzt, um Ladeluft zu verdichten.
In Strömungsrichtung des Abgases gesehen ist stromabwärts der ersten Turbine 35 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 37 angeordnet, in Strömungsrichtung der Ladeluft gesehen ist stromaufwärts des ersten Verdichters 36 ein Luftfilter 38 angeordnet.
In die Ladeluftleitung 33 ist stromabwärts des ersten Verdichters 36 ein zweiter Verdichter 39 positioniert, der von einer ebenfalls in der Ladeluftleitung 33 stromabwärts des zweiten Verdichters 39 positionierten zweiten Turbine 40 aus antreibbar ist. In Strömungsrichtung der Ladeluft gesehen ist stromabwärts des ersten Verdichters 36 und stromaufwärts des zweiten Verdichters 39 sowie stromabwärts des zweiten Verdichters 39 und stromaufwärts der zweiten Turbine 40 jeweils ein Ladeluftkühler 41, 42 in der Ladeluftleitung 33 angeordnet.
Erfindungsgemäß ist dem zweiten Verdichter 39 der Brennkraftmaschine 30 eine elektrische Maschine 43 zugeordnet. Die elektrische Maschine 43 kann als Generator und Motor betrieben werden.
2 zeigt weiterhin eine Steuerungseinrichtung 44. Dann, wenn in der ersten Turbine 35 zu wenig Energie gewonnen werden und demnach in dem ersten Verdichter 36 zu wenig Ladeluft verdichtet werden kann, wird die elektrische Maschine 43, gesteuert durch die Steuerungseinrichtung 44, als Motor betrieben, um eine ausreichende Ladeluftmenge bereitzustellen. Dann hingegen, wenn in der ersten Turbine 35 zu viel Energie gewonnen und demnach in dem ersten Verdichter 36 zu viel Ladeluft verdichtet werden kann, wird die dem zweiten Verdichter 39 zugeordnete elektrische Maschine 43 als Generator betrieben, um die zu viel erzeugte Ladeluft zum Erzeugen von elektrischer Energie zu nutzen. Beim Betrieb der elektrischen Maschine 43 als Motor kann das transiente Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 30 verbessert werden. Der Betrieb der elektrischen Maschine 43 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 Maschine 43 mit einem elektrischen Energiespeicher 45 zusammen, der im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 43 von derselben stärker entladen und im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 43 von derselben stärker aufgeladen wird.
Die dem zweiten Verdichter 39 zugeordnete elektrische Maschine 43 übernimmt zumindest teilweise die Funktion einer Drosselklappe. Über die elektrische Maschine 43 kann demnach die Motorlast des Verbrennungsmotors 31 geregelt werden. Bei entsprechender Dimensionierung der elektrischen Maschine 43 sowie des elektrischen Energiespeichers 45 kann auf eine Drosselklappe vollständig verzichtet werden. Es ist jedoch auch möglich, nach wie vor in die Ladeluftleitung 33 eine Drosselklappe (nicht gezeigt) zu integrieren, die dann die elektrische Maschine 43 bei der Regelung der Motorlast des Verbrennungsmotors 31 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

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.