DE102014213070A1

DE102014213070A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014213070A1
Application number: DE102014213070.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Ewert; Sascha Naujoks
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-01-07
Also published as: WO2016001281A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Motorblock (2), der mehrere Zylinder (3) aufweist, die jeweils einen Brennraum (4) enthalten, eine Frischluftanlage (6) zum Zuführen von Frischluft zu den Brennräumen (4), eine Abgasanlage (8) zum Abführen von Abgas von den Brennräumen (4), einen Abgasturbolader (10), dessen Turbine (11) in der Abgasanlage (8) angeordnet ist, und dessen Verdichter (12) in der Frischluftanlage (6) angeordnet ist, und eine in der Abgasanlage (8) angeordnete Abgasnachbehandlungsanlage (16), die zumindest eine stromauf der Turbine (11) angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung (17) aufweist.
Ein verbessertes Ansprechverhalten ergibt sich durch eine elektrisch angetriebene Maschine (18) zum Erhöhen des Ladedrucks in der Frischluftanlage (6).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2007 032 736 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen Motorblock, eine Frischluftanlage, eine Abgasanlage, einen Abgasturbolader und eine Abgasnachbehandlungsanlage umfasst. Der Motorblock weist mehrere Zylinder auf, die jeweils einen Brennraum enthalten. Die Frischluftanlage dient zum Zuführen von Frischluft zu den Brennräumen. Die Abgasanlage dient zum Abführen von Abgas von den Brennräumen. Eine Turbine des Abgasturboladers ist in der Abgasanlage angeordnet, während ein Verdichter des Abgasturboladers in der Frischluftanlage angeordnet ist. Die Abgasnachbehandlungsanlage ist in der Abgasanlage angeordnet und weist zumindest eine stromauf der Turbine angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung auf.
Die Turbine entzieht dem Abgas Energie, die im Abgasturbolader zum Antreiben des Verdichters genutzt wird. Dabei wird dem Abgas nicht nur kinetische Energie, die sich aus dem Abgasmassenstrom ergibt, und potentielle Energie, die sich aus dem Abgasdruck ergibt, entzogen, sondern auch thermische Energie, die sich aus Wärmekapazität, Masse und Temperatur des Abgases ergibt. Somit nimmt insbesondere die Abgastemperatur bei der Durchströmung der Turbine ab.
Bestimmte Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie z.B. Katalysatoren, benötigen eine bestimmte Mindestbetriebstemperatur, um die ihnen zugedachte Reinigungsaufgabe durchführen zu können. Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine ist es zur Einhaltung scharfer Emissionsbestimmungen erforderlich, diese Mindestbetriebstemperatur möglichst rasch zu erreichen. Ferner kann es bei effizienten Brennkraftmaschinen im Teillastbereich dazu kommen, dass das Abgas eine relativ niedrige Abgastemperatur besitzt, die nur geringfügig oberhalb der erforderlichen Mindestbetriebstemperatur liegt. Bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine führt – wie vorstehend gezeigt – die Turbine zu einer Reduzierung der Abgastemperatur, wodurch die Aufheizung der jeweiligen Abgasnachbehandlungseinrichtung bei einem Kaltstart verzögert wird, wodurch sich die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine erhöhen können. Ferner kann die Turbine bei einer effizienten Brennkraftmaschine bei Teillast dazu führen, dass die Abgastemperatur stromab der Turbine unter die Mindestbetriebstemperatur der jeweiligen Abgasnachbehandlungseinrichtung abfallen kann. Dementsprechend ist bei den gattungsgemäßen Brennkraftmaschinen vorgesehen, zumindest eine solche Abgasnachbehandlungseinrichtung stromauf der Turbine anzuordnen, wodurch die vorstehend genannten Probleme weitgehend gelöst sind.
Die Anordnung zumindest einer Abgasnachbehandlungseinrichtung stromauf der Turbine hat jedoch zur Folge, dass die Durchströmung einer derartigen Abgasnachbehandlungseinrichtung zwangsläufig mit einem Druckabfall im Abgasstrom einhergeht, was bei der nachfolgende Turbine zu einem signifikanten Leistungsabfall führt. Dies wirkt sich besonders deutlich bei einem transienten Betriebszustand aus, bei dem eine Drehzahl und/oder eine Last der Brennkraftmaschine zunimmt bzw. zunehmen. In diesem Fall kann die Turbine ihre Leistung nur verzögert erhöhen, da hier nur ein reduzierter Abgasdruck zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird ein sogenanntes "Turboloch" gebildet bzw. vergrößert, was einem verzögerten Ansprechen des Turboladers bei den genannten transienten Betriebszuständen entspricht. Die Drehzahl der Brennkraftmaschine entspricht dabei einer Drehzahl einer Kurbelwelle des Motorblocks, die von Kolben des Motorblocks angetrieben ist, wozu die Kolben in den Zylindern des Motorblocks hubverstellbar angeordnet sind. Die Last der Brennkraftmaschine ist dabei ein an der Kurbelwelle bereitgestelltes bzw. abgreifbares Drehmoment.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass bei transienten Zuständen ein verbessertes Ansprechverhalten des Abgasturboladers erzielbar ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Brennkraftmaschine mit einer elektrisch angetriebenen Maschine auszustatten, mit deren Hilfe bedarfsabhängig der Ladedruck in der Frischluftanlage erhöht werden kann. Die Erfindung geht davon aus, dass es zur Reduzierung bzw. zur Überbrückung des Turbolochs ausreicht, vorübergehend den Ladedruck zu erhöhen bis die Turbine selbst ausreichend Leistung erzeugen kann, um über den Verdichter den gewünschten, erhöhten Ladedruck selbst zu erzeugen. Die Verwendung einer elektrisch angetriebenen Maschine lässt sich dabei besonders einfach realisieren. Insbesondere lässt sich eine derartige Maschine besonders einfach bedarfsabhängig zuschalten und abschalten.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine Steuerung zum Ansteuern der Maschine vorgesehen sein, die so ausgestaltet bzw. programmiert ist, dass sie die Maschine vorübergehend einschaltet, wenn ein transienter Zustand der Brennkraftmaschine vorliegt, bei dem eine Drehzahl und/oder eine Last der Brennkraftmaschine zunimmt bzw. zunehmen. Durch diese Maßnahme wird die jeweilige Maschine stets nur dann eingeschaltet bzw. aktiviert, wenn aufgrund des transienten Zustands ein erhöhter Ladedruck benötigt wird. Somit arbeitet diese Maßnahme zur Leistungssteigerung besonders effizient.
Die Steuereinrichtung ist somit letztlich so ausgestaltet bzw. programmiert, dass sie ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine durchführen kann. Dieses Betriebsverfahren sieht dabei vor, bei einem transienten Zustand der Brennkraftmaschine die jeweilige Maschine vorübergehend einzuschalten.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Steuerung so ausgestaltet bzw. programmiert sein, dass sie eine Einschaltzeitdauer und/oder eine Leistung der Maschine, mit der die Steuerung die Maschine beim transienten Zustand ansteuert, abhängig von einer Drehzahldifferenz und/oder abhängig von einer Lastdifferenz ermittelt, die sich durch einen Vergleich eines Ist-Zustands der Brennkraftmaschine mit einem Soll-Zustand der Brennkraftmaschine ergibt bzw. ergeben, wobei der Ist-Zustand der Brennkraftmaschine vor dem transienten Zustand bzw. zu dessen Anfang vorliegt, während der Soll-Zustand der Brennkraftmaschine nach dem transienten Zustand bzw. zu dessen Ende vorliegen soll. Die Steuerung kann somit die jeweilige Maschine nicht nur Einschalten und Ausschalten, sondern auch gezielt hinsichtlich der Einschaltzeitdauer und zusätzlich oder alternativ gezielt hinsichtlich der Leistung ansteuern. Somit lässt sich der Betrieb der Maschine gezielt auf den jeweiligen transienten Zustand abstimmen, um den Effekt des Turbolochs weitgehend zu eliminieren. Die Steuereinrichtung kann zur Ermittlung der Einschaltzeitdauer bzw. der Leistung beispielsweise auf Kennfelder oder auf Berechnungsmodelle zugreifen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Steuereinrichtung so ausgestaltet bzw. programmiert sein, dass sie die Maschine im transienten Zustand immer mit derselben elektrischen Leistung ansteuert, während eine Einschaltzeitdauer variabel ist und insbesondere vom angestrebten Soll-Zustand bzw. von der (den) vorstehend genannten Differenz(en) abhängig. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Ansteuerung der Maschine.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Maschine ein elektromotorisch angetriebener Zusatzverdichter sein, der in der Frischluftanlage angeordnet ist. Dieser Zusatzverdichter ist dabei zusätzlich und separat zum Verdichter des Abgasturboladers in der Frischluftanlage angeordnet, wobei der Zusatzverdichter bezüglich der Strömungsrichtung der Frischluft stromauf oder stromab des Verdichters angeordnet sein kann. Mit Hilfe des Zusatzverdichters lässt sich der gewünschte Ladedruck besonders effizient aufbauen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Frischluftanlage einen Bypass zur Umgehung des Zusatzverdichters aufweisen. Der Zusatzverdichter stellt für den Fall, dass er nicht benötigt wird und dementsprechend ausgeschaltet ist, einen Strömungswiderstand für die Frischluftströmung dar. Durch den Bypass kann die Frischluftströmung den Zusatzverdichter mit reduziertem Strömungswiderstand umgehen. Zweckmäßig kann im Bypass ein Bypassventil zum Steuern des Bypasses angeordnet sein. Insbesondere kann mit Hilfe des Bypassventils der Bypass gesperrt und geöffnet werden. Bei gesperrtem oder geschlossenem Bypass ist die Luftströmung durch den Zusatzverdichter geführt. Bei geöffnetem Bypass strömt die Frischluft bei ausgeschaltetem Zusatzverdichter automatisch weitgehend durch den Bypass, der im Vergleich zum Zusatzverdichter einen erheblich kleineren Durchströmungswiderstand besitzt. Zweckmäßig beginnt der Bypass unmittelbar vor dem Zusatzverdichter. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Bypass unmittelbar nach dem Zusatzverdichter endet. Somit ergibt sich für den Zusatzverdichter mit Bypass eine extrem kompakte Bauform.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann die Steuereinrichtung so ausgestaltet bzw. programmiert sein, dass sie mit dem Einschalten des Zusatzverdichters das Bypassventil zum Sperren des Bypasses ansteuert. Ferner bewirkt die Steuereinrichtung zweckmäßig mit dem Ausschalten des Zusatzverdichters ein Ansteuern des Bypassventils zum Öffnen des Bypasses. Somit ist gewährleistet, dass der Bypass nur dann geschlossen ist, wenn der Zusatzverdichter eingeschaltet ist, während der Bypass bei ausgeschaltetem Zusatzverdichter stets geöffnet ist.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann ein Ladeluftkühler in der Frischluftanlage stromab des Verdichters und stromab des Zusatzverdichters angeordnet sein. Der Zusatzverdichter kann dabei stromab oder stromauf des Verdichters angeordnet sein. Durch die vorgeschlagene Anordnung des Ladeluftkühlers lässt sich sowohl die mit der Verdichtung im Verdichter einhergehende Temperaturerhöhung in der Ladeluft als auch die durch die Zusatzverdichtung im Zusatzverdichter einhergehende zusätzliche Temperaturerhöhung in der Ladeluft ausgleichen, um einerseits den Luftmassenstrom zu erhöhen und um andererseits die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine zu reduzieren.
Bei einer alternativen Weiterbildung kann der Zusatzverdichter stromab des Verdichters in der Frischluftanlage angeordnet sein, wobei ein Ladeluftkühler in der Frischluftanlage stromab des Verdichters und stromauf des Zusatzverdichters angeordnet ist. Bei dieser Bauform wird somit nur die Temperaturerhöhung in der Ladeluft aufgrund der Verdichtung im Verdichter ausgeglichen. Diese Ausführungsform beruht auf der Überlegung, dass die transienten Zustände, in denen der Zusatzverdichter aktiviert wird, in Relation zur Gesamtbetriebszeit der Brennkraftmaschine nur einen geringen Anteil besitzen, so dass sich die kurzzeitig erhöhte Ladelufttemperatur nur gering auswirken kann. Die Positionierung des Zusatzverdichters stromab des Ladeluftkühlers hat jedoch den Vorteil, dass eine erhöhte Flexibilität für die Integration des Zusatzverdichters in die Frischluftanlage entsteht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Maschine ein elektromotorischer Antrieb des Abgasturboladers sein, der mit einer Antriebswelle antriebsverbunden ist, die ein Turbinenrad der Turbine mit einem Verdichterrad des Verdichters antriebsverbindet. Üblicherweise besitzen Turbinenrad und Verdichterrad eine gemeinsame Antriebswelle, an der sie drehfest angebracht sind und die im Gehäuse des Abgasturboladers gelagert ist. Das Gehäuse des Abgasturboladers umfasst üblicherweise drei Abschnitte, nämlich einen Turbinenabschnitt, in dem das Turbinenrad drehbar angeordnet ist, einen Verdichterabschnitt, in dem das Verdichterrad drehbar angeordnet ist, und einen Lagerabschnitt, der zwischen dem Turbinenabschnitt und dem Verdichterabschnitt angeordnet ist und in dem die Antriebswelle drehbar gelagert ist. Der elektromotorische Antrieb kann nun grundsätzlich an beliebiger Stelle mit dieser Antriebswelle des Abgasturboladers antriebsverbunden sein. Beispielsweise kann der Antrieb durch das Turbinengehäuse hindurch oder durch das Verdichtergehäuse hindurch mit der Antriebswelle verbunden sein. In diesem Fall kann eine Rotationsachse des Antriebs parallel zur Rotationsachse der Antriebswelle ausgerichtet sein. Ebenso ist denkbar, den Antrieb im Bereich des Lagerabschnitts mit der Antriebswelle zu koppeln, wobei sich dann eine Rotationsachse des Antriebs geneigt, insbesondere senkrecht, zur Rotationsachse der Antriebswelle erstrecken kann.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher der Antrieb in ein Gehäuse des Abgasturboladers integriert ist. Besonders zweckmäßig lässt sich eine derartige Integration zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad, vorzugsweise im Bereich des Lagerabschnitts realisierten. Beispielsweise kann der Antrieb in den Lagerabschnitt integriert sein.
Bei einer anderen Weiterbildung kann der Antrieb über eine Kupplung und/oder über ein Getriebe mit der Antriebswelle verbunden sein. Durch die Kupplung bzw. durch das Getriebe lässt sich die räumliche Orientierung der Rotationsachse des Antriebs quasi beliebig zur Raumlage der Rotationsachse der Antriebswelle ausrichten. Hierdurch vereinfacht sich die Antriebskopplung zwischen Antrieb und Antriebswelle. Die Verwendung eines Getriebes ermöglicht insbesondere eine Übersetzung zwischen der Drehzahl des Antriebs und der Drehzahl der Antriebswelle. Bei einem hinreichend leistungsstarken Antrieb wird dabei eine Übersetzung ins schnelle bevorzugt, um hohe Drehzahlen für die Antriebswelle zu realisieren. Die Verwendung einer steuerbaren Kupplung ermöglicht ein bedarfsabhängiges Zuschalten bzw. Einkuppeln und Auskuppeln bzw. Trennen des Antriebs mit der Antriebswelle.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die wenigstens eine stromauf der Turbine angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Drei-Wege-Katalysator oder ein Oxidationskatalysator oder ein SCR-Katalysator, wobei SCR für Selective Catalyst Reduction steht, oder ein LNT-Katalysator, wobei LNT für Lean NO_x Trap steht, oder ein Partikelfilter oder eine beliebige Kombination der vorstehenden Elemente sein. Eine solche Kombination ist beispielsweise ein Oxidationskatalysator stromauf eines Partikelfilters in einem gemeinsamen Gehäuse. Ferner kann optional ein SCR-Katalysator dem Partikelfilter in demselben Gehäuse nachgeordnet sein. Besonders kompakt sind Kombinationen, bei denen in demselben Gehäuse ein Oxidationskatalysator und stromab davon ein Partikelfilter angeordnet ist, wobei das Partikelfilter mit einer SCR-Katalysatorbeschichtung versehen ist.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass sämtliche Abgasnachbehandlungseinrichtungen der Abgasnachbehandlungsanlage stromauf der Turbine in der Abgasanlage angeordnet sind. Somit lässt sich die Abgasnachbehandlungsanlage vollständig im heißen Bereich der Abgasanlage, also stromauf der Turbine anordnen. Andere Komponenten der Abgasanlage, die keine Mindestbetriebstemperatur benötigen, wie z.B. Schalldämpfer, sind dann stromab der Turbine in der Abgasanlage angeordnet.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 bis 3 jeweils ein stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsform bei drei verschiedenen Varianten,
4 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung der Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsform.
Entsprechend den 1 bis 4 umfasst eine Brennkraftmaschine 1, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug zur Anwendung kommen kann, einen Motorblock 2, der mehrere Zylinder 3 enthält, in denen jeweils ein Brennraum 4 ausgebildet ist.
In den Zylindern 3 sind außerdem hier nicht gezeigte Kolben hubverstellbar angeordnet, die in üblicher Weise über Pleuelstangen mit einer Kurbelwelle 5 des Motorblocks 2 verbunden sind. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner eine Frischluftanlage 6 zum Zuführen von Frischluft zu den Brennräumen 4. Ein entsprechender Frischluftstrom 7 ist durch Pfeile angedeutet. Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem eine Abgasanlage 8 auf, die zum Abführen von Abgas von den Brennräumen 4 dient. Ein entsprechender Abgasstrom 9 ist durch Pfeile angedeutet.
Die Brennkraftmaschine 1 ist aufgeladen und ist dementsprechend mit einem Abgasturbolader 10 ausgestattet, der in üblicher Weise eine Turbine 11, die in der Abgasanlage 8 angeordnet ist, und einen Verdichter 12 aufweist, der in der Frischluftanlage 6 angeordnet ist. Die Turbine 11 umfasst ein Turbinenrad 13, das vom Abgasstrom 9 angetrieben ist. Der Verdichter 12 enthält ein Verdichterrad 14, das den Luftstrom 7 antreibt. Eine Antriebswelle 15 des Abgasturboladers 10, der im Folgenden auch verkürzt als Turbolader 10 bezeichnet werden kann, verbindet das Turbinenrad 13 mit dem Verdichterrad 14.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner eine Abgasnachbehandlungsanlage 16, die in der Abgasanlage 8 angeordnet ist und die zumindest eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 17 aufweist, die bezüglich der Strömungsrichtung des Abgasstroms 9 stromauf der Turbine 11 angeordnet ist.
Die hier vorgestellte Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit einer elektrisch angetriebenen Maschine 18 ausgestattet, mit deren Hilfe bedarfsabhängig der Ladedruck in der Frischluftanlage 6 erhöht werden kann. Zum Ansteuern dieser Maschine 18 ist eine Steuereinrichtung 19 vorgesehen, die auf geeignete Weise, z.B. über wenigstens eine Steuerleitung 20, mit der Maschine 18 elektrisch verbunden sein kann. Die Steuereinrichtung 19 kann beispielsweise über wenigstens eine Signalleitung 21 mit einem Motorsteuergerät 22 elektrisch verbunden sein, das zum Ansteuern der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen ist. Hierzu ist das Motorsteuergerät 22 rein exemplarisch über zumindest eine Leitung 23 mit dem Motorblock 2 verbunden. Die Steuereinrichtung 19 zum Ansteuern der Maschine 18 ist bevorzugt hardwaremäßig in das Motorsteuergerät 22 integriert und/oder softwaremäßig in das Motorsteuergerät 22 implementiert. Jedenfalls kennt die Steuereinrichtung 19, z.B. über die Signalleitung 21, den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1. Die Steuereinrichtung 19 kann dabei insbesondere auch einen transienten Zustand der Brennkraftmaschine 1 identifizieren, bei dem eine Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 zunimmt und/oder bei dem eine Last der Brennkraftmaschine 1 zunimmt. Die Steuereinrichtung 19 ist dabei so ausgestaltet bzw. so programmiert, dass sie bei Vorliegen eines derartigen transienten Zustands die Maschine 18 vorübergehend einschaltet. Dabei kann die Steuereinrichtung 19 optional so ausgestaltet bzw. programmiert sein, dass sie eine Einschaltzeitdauer und/oder eine Leistung der Maschine 18, mit der die Steuereinrichtung 19 die Maschine 18 beim transienten Zustand ansteuert, abhängig von einer Drehzahldifferenz bzw. abhängig von einer Lastdifferenz ermittelt. Die Drehzahldifferenz bzw. die Lastdifferenz ergibt sich dabei durch einen Vergleich eines Ist-Zustands der Brennkraftmaschine 1 mit einem Soll-Zustand der Brennkraftmaschine. Der Ist-Zustand liegt dabei unmittelbar vor dem transienten Zustand vor, während der Soll-Zustand unmittelbar nach dem transienten Zustand vorliegen soll. Die Steuereinrichtung 19 kann nun abhängig von der festgestellten Differenz, z.B. über Kennfelder und/oder Berechnungsmodelle, die jeweils erforderliche Einschaltzeitdauer bzw. die jeweils erforderliche Leistung der Maschine 18 ermitteln und die Maschine 18 entsprechend ansteuern.
Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung kann die Steuereinrichtung 19 die Maschine 18 im transienten Zustand immer mit derselben elektrischen Leistung ansteuern, während eine Einschaltzeitdauer variabel ist und von der ermittelten Differenz von Drehzahl und/oder Last abhängt.
Bei den Beispielen der 1 bis 3, die eine erste Ausführungsform in unterschiedlichen Varianten betreffen, ist die Maschine 18 ein elektromotorisch angetriebener Zusatzverdichter 24, der zusätzlich zum Verdichter 12 in der Frischluftanlage 6 angeordnet ist. In den gezeigten Beispielen zufasst der Zusatzverdichter 24 eine Verdichtereinheit 25, die in der Frischluftanlage 6 angeordnet ist und die zum Antreiben bzw. zum Verdichten der Frischluft dient. Die Verdichtereinheit 25 umfasst beispielsweise ein entsprechendes Verdichterrad. Ferner umfasst der Zusatzverdichter 24 eine Antriebseinheit 26, z.B. in Form eines Elektromotors, um die Verdichtereinheit 25 anzutreiben.
Bei den Ausführungsformen der 1 bis 3 ist die Frischluftanlage 6 außerdem mit einem Bypass 27 zur Umgehung des Zusatzverdichters 24 ausgestattet. Im Bypass 27 ist ein Bypassventil 28 zum Steuern des Bypasses 27 angeordnet. Die Steuereinrichtung 19 kommuniziert, z.B. über eine Steuerleitung 29, mit dem Bypassventil 28, so dass die Steuereinrichtung 19 das Bypassventil 28 zum Öffnen und Schließen des Bypasses 27 ansteuern kann. Zweckmäßig ist die Steuereinrichtung 19 dabei so konfiguriert, dass sie mit dem Einschalten des Zusatzverdichters 24 das Bypassventil 28 zum Sperren des Bypasses 27 ansteuert. Mit dem Ausschalten des Zusatzverdichters 24 steuert dann die Steuereinrichtung 19 das Bypassventil 28 zum Öffnen des Bypasses 27 an.
Gemäß den 1 bis 4 ist in der Frischluftanlage 6 außerdem ein Ladeluftkühler 30 angeordnet, der in üblicher Weise mit einem hier nicht gezeigten Kühlkreis wärmeübertragend gekoppelt ist und der bezüglich der Strömungsrichtung der Frischluftstroms 7 stromab des Verdichters 12 angeordnet ist.
Bei den 1 und 2 ist der Ladeluftkühler 30 sowohl stromab des Verdichters 12 als auch stromab des Zusatzverdichters 24 in der Frischluftanlage 6 angeordnet. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Zusatzverdichter 24 stromauf des Verdichters 12 in der Frischluftanlage 6 angeordnet. Bemerkenswert ist, dass der Bypass 27 ein unmittelbar stromauf des Zusatzverdichters 24 angeordnetes Einlassende 31 und ein unmittelbar stromab des Zusatzverdichters 24 angeordnetes Auslassende 32 aufweist, wobei das Auslassende 32 stromauf des Verdichters 12 an die Frischluftanlage 6 angeschlossen ist.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Zusatzverdichter 24 stromab des Verdichters 12 in der Frischluftanlage 6 angeordnet. Bemerkenswert ist, dass hier das Einlassende 31 des Bypasses 27 zwischen dem Verdichter 12 und dem Zusatzverdichter 24 angeordnet ist, während das Auslassende 32 des Bypasses 27 zwischen dem Zusatzverdichter 24 und dem Ladeluftkühler 30 angeordnet ist.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist der Zusatzverdichter 24 wieder stromab des Verdichters 12 in der Frischluftanlage 6 angeordnet. Bei dieser Variante ist jedoch der Ladeluftkühler 30 stromauf des Zusatzverdichters 24 und stromab des Verdichters 12 in der Frischluftanlage 6 angeordnet. Demnach ist der Ladeluftkühler 30 zwischen dem Verdichter 12 und dem Zusatzverdichter 24 positioniert. Das Einlassende 31 des Bypasses 27 ist dabei zwischen dem Ladeluftkühler 30 und dem Zusatzverdichter 24 an die Frischluftanlage 6 angeschlossen. Das Auslassende 32 des Bypasses 27 ist zwischen dem Zusatzverdichter 24 und dem Motorblock 20 an die Frischluftanlage 6 angeschlossen.
Bei der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Maschine 18, mit deren Hilfe bedarfsabhängig in einem transienten Zustand der Brennkraftmaschine 1 der Ladedruck erhöht werden kann, durch einen elektromotorischen Antrieb 33 des Turboladers 10 gebildet, der auf geeignete Weise mit der Antriebswelle 15 antriebsverbunden ist. Zweckmäßig kann der Antrieb 33, der bevorzugt durch einen Elektromotor gebildet ist oder zumindest einen Elektromotor umfasst, in ein hier nicht gezeigtes Gehäuse des Turboladers 10 integriert sein. Der Antrieb 33 kann über eine Kupplung 34 und/oder über ein Getriebe 35 mit der Antriebswelle 15 verbunden sein. Im Beispiel der 4 sind rein exemplarisch sowohl eine Kupplung 34 als auch ein Getriebe 35 vorgesehen. Über die Kupplung 34 lässt sich der Antrieb 33 bedarfsabhängig zuschalten und vollständig entkoppeln, wenn er nicht benötigt wird. Über das Getriebe 35 lässt sich eine Drehzahldifferenz zwischen Antrieb 33 und Antriebswelle 15 erzeugen. Im Beispiel der 4 ist eine Rotationsachse 37 des Antriebs 33 im Wesentlichen senkrecht zu einer Rotationsachse 38 der Antriebswelle 15 orientiert.
Sofern eine derartige schaltbare Kupplung 34 vorgesehen ist, kann die Steuereinrichtung 19 über eine entsprechende Steuerleitung 36 mit der Kupplung 34 elektrisch verbunden sein, so dass die Steuereinrichtung 19 die Kupplung 34 zum Einkuppeln und zum Auskuppeln ansteuern kann, zweckmäßig synchron zum Einschalten und Ausschalten des Antriebs 33.
Die stromauf der Turbine 11 angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung 17 kann beispielsweise ein Drei-Wege-Katalysator oder ein Oxidationskatalysator oder ein SCR-Katalysator oder ein LNT-Katalysator oder ein Partikelfilter sein. Denkbar ist ebenfalls eine Kombination aus den vorstehend genannten Einrichtungen. Beispielsweise kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung 17 in einem gemeinsamen Gehäuse eine Kombination aus einem Oxidationskatalysator und einem nachgeordneten Partikelfilter sowie einem nachgeordneten SCR-Katalysator enthalten, wobei der SCR-Katalysator insbesondere durch eine katalytisch aktive Beschichtung des Partikelfilters gebildet sein kann.
Zweckmäßig kann bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass sämtliche Abgasnachbehandlungseinrichtungen 17 der Abgasnachbehandlungsanlage 16 stromauf der Turbine 11 in der Abgasanlage 8 angeordnet sind. Somit erfolgt die gesamte Schadstoffreinigung des Abgasstroms 9 stromauf der Turbine 11. Schalldämpfende Maßnahmen, insbesondere in Form von Schalldämpfern, können dagegen bevorzugt stromab der Turbine 11 in der Abgasanlage 8 angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007032736 A1 [0002]

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, – mit einem Motorblock (2), der mehrere Zylinder (3) aufweist, die jeweils einen Brennraum (4) enthalten, – mit einer Frischluftanlage (6) zum Zuführen von Frischluft zu den Brennräumen (4), – mit einer Abgasanlage (8) zum Abführen von Abgas von den Brennräumen (4), – mit einem Abgasturbolader (10), dessen Turbine (11) in der Abgasanlage (8) angeordnet ist und dessen Verdichter (12) in der Frischluftanlage (6) angeordnet ist, – mit einer in der Abgasanlage (8) angeordneten Abgasnachbehandlungsanlage (16), die zumindest eine stromauf der Turbine (11) angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung (17) aufweist, gekennzeichnet durch eine elektrisch angetriebene Maschine (18) zum Erhöhen des Ladedrucks in der Frischluftanlage (6).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (19) zum Ansteuern der Maschine (18), die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie bei einem transienten Zustand der Brennkraftmaschine (1), während dem eine Drehzahl und/oder eine Last der Brennkraftmaschine (1) zunimmt/zunehmen, die Maschine (18) vorübergehend zum Erhöhen des Ladedrucks einschaltet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19) so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie eine Einschaltzeitdauer und/oder eine Leistung der Maschine (18), mit der sie die Maschine (18) beim transienten Zustand ansteuert, abhängig von einer Drehzahldifferenz und/oder einer Lastdifferenz ermittelt, die sich durch einen Vergleich eines Ist-Zustands der Brennkraftmaschine (1), der vor dem transienten Zustand vorliegt, mit einem Soll-Zustand der Brennkraftmaschine (1), der nach dem transienten Zustand vorliegen soll, ergibt/ergeben.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19) so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie die Maschine (18) im transienten Zustand immer mit derselben elektrischen Leistung ansteuert, während eine Einschaltzeitdauer variabel ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (18) ein elektromotorisch angetriebener Zusatzverdichter (24) ist, der in der Frischluftanlage (6) angeordnet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftanlage (6) einen Bypass (27) zur Umgehung des Zusatzverdichters (24) aufweist, in dem ein Bypassventil (28) zum Steuern des Bypasses (27) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach den Ansprüche 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19) so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie mit dem Einschalten des Zusatzverdichters (24) das Bypassventil (28) zum Sperren des Bypasses (27) ansteuert.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladeluftkühler (30) in der Frischluftanlage (6) stromab des Verdichters (12) und stromab des Zusatzverdichters (24) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass der Zusatzverdichter (24) stromab des Verdichters (12) in der Frischluftanlage (6) angeordnet ist, – dass ein Ladeluftkühler (30) in der Frischluftanlage (6) stromab des Verdichters (12) und stromauf des Zusatzverdichters (24) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (18) ein elektromotorischer Antrieb (33) des Abgasturboladers (10) ist, der mit einer Antriebswelle (15) antriebsverbunden ist, die ein Turbinenrad (13) der Turbine (11) mit einem Verdichterrad (14) des Verdichters (12) antriebsverbindet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (33) in ein Gehäuse des Abgasturboladers (10) integriert ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (33) über eine Kupplung (34) und/oder ein Getriebe (35) mit der Antriebswelle (15) verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine stromauf der Turbine (11) angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung (17) ein Drei-Wege-Katalysator oder ein Oxidationskatalysator oder ein SCR-Katalysator oder ein LNT-Katalysator oder ein Partikelfilter oder eine beliebige Kombination daraus ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Abgasnachbehandlungseinrichtungen (17) der Abgasnachbehandlungsanlage (16) stromauf der Turbine (11) in der Abgasanlage (8) angeordnet sind.