DE102014220677A1 - Method for operating a charging system of an internal combustion engine and internal combustion engine with a charging system - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Aufladesystem eines Verbrennungsmotors (2), das einen Abgasturbolader (8) und einen in den Ansaugluftpfad (4) geschalteten, elektrisch antreibbaren Verdichter (15) aufweist, wird der Verdichter (15) in bestimmten Betriebszuständen des Aufladesystem in einem Generatormodus betrieben.In a method for operating a supercharging system of an internal combustion engine (2), which has an exhaust gas turbocharger (8) and an electrically driven compressor (15) connected to the intake air path (4), the compressor (15) becomes in certain operating states of the supercharging system Generator mode operated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Aufladesystems eines Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor mit einem Aufladesystem. Bei dem Aufladesystem kann es sich um ein Abgasturboladersystem handeln, aber auch beispielsweise um ein Turbocompundsystem, um fremdaufgeladene oder durch den Verbrennungsmotor aufgeladene mechanische Lader oder Druckwellenlader bzw. Kombinationen daraus. The invention relates to a method for operating a charging system of an internal combustion engine and to an internal combustion engine with a charging system. The charging system may be an exhaust gas turbocharger system, but also, for example, a turbocompound system, externally charged or charged by the internal combustion engine mechanical supercharger or pressure wave superchargers or combinations thereof.
Aus der
Ein derartiges System erlaubt einen schnelleren Aufbau von Drehmoment im niederen Drehzahlbereich zur Abschwächung des sogenannten Turbolochs durch den elektrisch angetriebenen Verdichter. Allerdings ist sein Energiebedarf aufgrund des Stromverbrauchs des Verdichters höher als bei einem herkömmlichen Abgasturbolader, der keinen elektrisch angetriebenen Verdichter umfasst. Such a system allows a faster build-up of torque in the low speed range to mitigate the so-called turbo lag by the electrically driven compressor. However, its power consumption is higher due to the power consumption of the compressor than in a conventional exhaust gas turbocharger, which does not include an electrically driven compressor.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst energieeffizientes Verfahren zum Betreiben eines Aufladesystems eines Verbrennungsmotors anzugeben. Ferner soll ein besonders effizienter Verbrennungsmotor mit einem Aufladesystem angegeben werden. It is an object of the present invention to specify a most energy-efficient method for operating a charging system of an internal combustion engine. Furthermore, a particularly efficient internal combustion engine is to be specified with a charging system.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the subject matter of the independent claims. Advantageous developments emerge from the dependent claims.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Aufladesystems eines Verbrennungsmotors angegeben, das einen Abgasturbolader und einen in den Ansaugluftpfad geschalteten, elektrisch antreibbaren Verdichter aufweist, wobei der Verdichter in bestimmten Betriebszuständen des Aufladesystems in einem Generatormodus betrieben wird. According to one embodiment of the invention, a method for operating a supercharging system of an internal combustion engine is provided which comprises an exhaust gas turbocharger and an electrically driven compressor connected in the intake air path, wherein the compressor is operated in a generator mode in certain operating states of the supercharging system.
Unter einem Generatormodus des Verdichters wird dabei eine Betriebsweise verstanden, in dem die ansonsten als Elektromotor betriebene elektrische Maschine des Verdichters als Generator betrieben wird und Energie aus dem Ansaugluftstrom in elektrische Energie umwandelt. Der Antrieb des Generators erfolgt dabei durch den Verdichter, der kinetische Energie aus der Ansaugluft entnimmt.A generator mode of the compressor is understood to mean an operating mode in which the electric machine of the compressor, which is otherwise operated as an electric motor, is operated as a generator and converts energy from the intake air flow into electrical energy. The generator is driven by the compressor, which extracts kinetic energy from the intake air.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass in bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors ansonsten ungenutzt bleibende Energie aus der Ansaugluft in elektrische Energie umgewandelt wird und im Fahrzeug zur Verfügung steht. Die elektrische Energie kann im Fahrzeug gespeichert und verschiedenen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden, insbesondere auch dem elektrischen Verdichter selbst. Das Verfahren ist demnach besonders energieeffizient. The method has the advantage that in certain operating states of the internal combustion engine otherwise unused energy is converted from the intake air into electrical energy and is available in the vehicle. The electrical energy can be stored in the vehicle and made available to various consumers, in particular also the electric compressor itself. The method is therefore particularly energy-efficient.
Das Betreiben des Verdichters im Generatormodus kann in verschiedenen, im Folgenden beschriebenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors erfolgen, in denen ansonsten ungenutzte Energie für das Antreiben des Verdichters zur Verfügung steht. The operation of the compressor in the generator mode can be carried out in various operating states of the internal combustion engine described below, in which otherwise unused energy for driving the compressor is available.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Ermitteln einer durch den Verdichter bereitzustellenden Verdichterleistung und das Betreiben des Verdichters im Generatormodus, wenn die durch den Verdichter bereitzustellende Verdichterleistung innerhalb eines festgelegten Wertebereichs liegt. In one embodiment, the method includes determining a compressor power to be provided by the compressor and operating the compressor in the generator mode when the compressor power to be provided by the compressor is within a predetermined range of values.
In dieser Ausführungsform kann der Verdichter beispielsweise im Generatormodus betrieben, wenn ermittelt wird, dass die durch den Verdichter bereitzustellende Verdichterleistung gleich Null oder kleiner Null ist. In diesem Fall wird der Verdichter im Ansaugluftstrom nicht benötigt und seine elektrische Maschine kann als Generator eingesetzt werden. For example, in this embodiment, the compressor may be operated in the generator mode when it is determined that the compressor power to be provided by the compressor is zero or less than zero. In this case, the compressor in the intake air flow is not needed and its electric machine can be used as a generator.
In einer Ausführungsform wird der Verdichter im Generatormodus betrieben, wenn ein Ladedruck im Abgasstrom einen festgelegten Wert überschreitet. In one embodiment, the compressor is operated in the generator mode when a boost pressure in the exhaust stream exceeds a predetermined value.
Bei dieser Ausführungsform kann der Verdichter in solchen Fällen im Generatormodus eingesetzt werden, in denen sonst ein Wastegate des Turboladers geöffnet würde, um überschüssiges Abgas an der Abgasturbine vorbeizuleiten. Das hat den Vorteil, dass die Ansaugluft durch Aufbringen von generatorischem Moment gedrosselt wird, wodurch einerseits elektrische Energie erzeugt wird, und andererseits die in diesem Betriebspunkt optimal benötigte Ansaugluftmasse gefördert wird. In this embodiment, the compressor can be used in generator mode in such cases, in which otherwise a wastegate of the turbocharger would be opened in order to pass excess exhaust gas to the exhaust gas turbine. This has the advantage that the intake air is throttled by applying regenerative torque, which on the one hand electrical energy is generated, and on the other hand, the optimally required at this operating point intake air mass is promoted.
In einer Ausführungsform wird der Verdichter während Phasen der Schubabschaltung des Verbrennungsmotors im Generatormodus betrieben. Dabei wird bei geschlossener Kupplung des Verbrennungsmotors die kinetische Energie im Fahrzeug genutzt, indem durch die Kolbenbewegung ein Luftstrom erzeugt wird, der den Verdichter im Generatormodus antreiben kann. In one embodiment, the compressor is operated during phases of fuel cutoff of the internal combustion engine in the generator mode. In this case, with the clutch of the internal combustion engine, the kinetic energy is used in the vehicle by an air flow is generated by the piston movement, which can drive the compressor in the generator mode.
In einer Ausführungsform wird im Generatormodus des Verdichters gewonnene elektrische Energie in ein Bordnetz eingespeist. Unter einer Einspeisung ins Bordnetz wird dabei eine Speicherung der elektrischen Energie und/oder ihre unmittelbare Nutzung durch elektrische Verbraucher im Fahrzeug verstanden. Die Energie steht somit den verschiedenen Verbrauchern im Fahrzeug zur Verfügung. In one embodiment, electrical energy generated in the generator mode of the compressor is fed into a vehicle electrical system. Under a feed to the electrical system is thereby a storage of electrical energy and / or their immediate Use understood by electrical consumers in the vehicle. The energy is thus available to the various consumers in the vehicle.
In einer Ausführungsform werden zur Ermittlung derjenigen Betriebszustände des Aufladesystems, in denen der Verdichter im Generatormodus betrieben wird, prädiktive Streckendaten und/oder Umgebungsdaten herangezogen. In one embodiment, predictive path data and / or environmental data are used to determine those operating states of the supercharging system in which the compressor is operated in the generator mode.
Bei dieser Ausführungsform werden somit nicht nur aktuelle Daten einer Motorsteuerung des Verbrennungsmotors in die Ermittlung der Betriebszustände einbezogen, sondern es werden weitere Daten einbezogen, um in naher Zukunft auftretende Betriebszustände ermitteln zu können. Insbesondere können diese Daten Daten einer Umfeldsensorik, beispielsweise Radar oder optische Kamera, sein, zudem GPS-Daten und/oder Daten eines Fahrerassistenzsystems. In this embodiment, therefore not only current data of an engine control of the internal combustion engine are included in the determination of the operating conditions, but it will include more data to be able to determine occurring operating conditions in the near future. In particular, these data may be data from an environmental sensor system, for example radar or optical camera, in addition GPS data and / or data of a driver assistance system.
In einer Ausführungsform werden zur Ermittlung einer im Generatormodus des Verdichters bereitstellbaren Menge an elektrischer Energie prädiktive Streckendaten und/oder Umgebungsdaten herangezogen. Auch in diesem Fall können diese Daten Daten einer Umfeldsensorik, beispielsweise Radar oder optische Kamera, sein, zudem GPS-Daten und/oder Daten eines Fahrerassistenzsystems. In one embodiment, predictive path data and / or environmental data are used to determine an amount of electrical energy that can be provided in the generator mode of the compressor. In this case, too, these data may be data from an environment sensor system, for example a radar or optical camera, as well as GPS data and / or data from a driver assistance system.
Die Kenntnis einer durch den Verdichter im Generatormodus bereitstellbaren Menge an elektrischer Energie hat den Vorteil, dass der Verbrauch elektrischer Energie an Bord des Fahrzeugs optimiert werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, weil in modernen Fahrzeugen eine größere Anzahl elektrischer Verbraucher verbaut sind, die teilweise einen zumindest zeitweise erheblichen Energiebedarf haben. The knowledge of an amount of electrical energy that can be provided by the compressor in the generator mode has the advantage that the consumption of electrical energy on board the vehicle can be optimized. This is particularly advantageous because a larger number of electrical consumers are installed in modern vehicles, some of which have at least a temporary considerable energy consumption.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt aufweisend ein computerlesbares Medium und auf dem computerlesbaren Medium abgespeicherten Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit anleitet, ein Verfahren gemäß einer der genannten Ausführungsformen auszuführen.Another aspect of the invention relates to a computer program product comprising a computer readable medium and program code stored on the computer readable medium which, when executed on a computing unit, directs the computing unit to execute a method according to any one of the embodiments.
Die Recheneinheit ist dabei insbesondere als Motorsteuergerät ausgebildet. The arithmetic unit is designed in particular as an engine control unit.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor mit einem Aufladesystem angegeben, das einen Abgasturbolader und einen in den Ansaugluftpfad geschalteten, elektrisch antreibbaren Verdichter aufweist, wobei der elektrisch antreibbare Verdichter (insbesondere abhängig vom Betriebszustand des Aufladesystems) in einem Generatormodus betreibbar ist. According to one aspect of the invention, an internal combustion engine is provided with a supercharging system having an exhaust gas turbocharger and an electrically driven compressor connected in the intake air path, wherein the electrically drivable compressor is operable in a generator mode (in particular depending on the operating state of the supercharging system).
Dass der Verdichter in einem Generatormodus betreibbar ist, setzt voraus, dass seine elektrische Maschine grundsätzlich für den Betrieb als Generator geeignet ist. Ferner ist eine Speichermöglichkeit für die erzeugte elektrische Energie vorgesehen, die insbesondere als elektrischer Energiespeicher ausgebildet ist. Es besteht demnach die Möglichkeit, die erzeugte elektrische Energie ins Bordnetz einzuspeisen. The fact that the compressor can be operated in a generator mode presupposes that its electric machine is basically suitable for operation as a generator. Furthermore, a storage facility for the generated electrical energy is provided, which is designed in particular as an electrical energy storage. It is therefore possible to feed the generated electrical energy into the electrical system.
Dass der Verdichter abhängig vom Betriebszustand des Aufladesystems im Generatormodus betreibbar ist bedeutet, dass Einrichtungen vorgesehen sind, die eine Ermittlung des Betriebszustands und eine Ansteuerung der elektrischen Maschine abhängig von dem ermittelten Betriebszustand ermöglichen. Das kann insbesondere eine Sensorik zur Ermittlung des Betriebszustands und Steuergeräte mit entsprechender Software einschließen. The fact that the compressor can be operated in the generator mode depending on the operating state of the charging system means that devices are provided which enable a determination of the operating state and a control of the electric machine depending on the determined operating state. This may include in particular a sensor for determining the operating state and control devices with appropriate software.
Der Verbrennungsmotor hat den Vorteil, dass er besonders verbrauchsarm betreibbar ist, weil die im System vorhandene Energie besonders gut ausgenutzt wird. The combustion engine has the advantage that it can be operated with particularly low consumption, because the energy present in the system is used particularly well.
In einer Ausführungsform ist der elektrisch antreibbare Verdichter im Ansaugluftpfad stromabwärts von einem Verdichter des Abgasturboladers angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann der elektrisch antreibbare Verdichter im Ansaugluftpfad stromaufwärts von einem Verdichter des Abgasturboladers angeordnet sein. Es kann auch mehr als ein elektrisch antreibbarer Verdichter vorgesehen sein. In one embodiment, the electrically drivable compressor is disposed in the intake air path downstream of a compressor of the exhaust gas turbocharger. Alternatively or additionally, the electrically drivable compressor may be arranged in the intake air path upstream of a compressor of the exhaust gas turbocharger. It can also be provided more than one electrically driven compressor.
In einer Ausführungsform arbeitet die elektrische Maschine mit der Turbine auf einer gemeinsamen Welle und treibt den elektrisch antreibbaren Verdichter an, der mit dem Verdichter des Abgasturboladers identisch ist. Bei dieser Ausführungsform kann auch ein Getriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe, zwischen die elektrische Maschine und die Welle geschaltet sein. In one embodiment, the electric machine operates with the turbine on a common shaft and drives the electrically driven compressor, which is identical to the compressor of the exhaust gas turbocharger. In this embodiment, a transmission, such as a planetary gear, be connected between the electric machine and the shaft.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit dem beschriebenen Verbrennungsmotor angegeben.According to one aspect of the invention, a vehicle is specified with the described internal combustion engine.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying figures.
Das Fahrzeug
Das Fahrzeug
An dem Verdichter
In Strömungsrichtung der Ansaugluft stromaufwärts des Abgasturboladers
Der Verdichter
Die Recheneinheit
Zur Ermittlung eines Betriebszustands des Aufladesystems ist die Recheneinheit
In einer nicht gezeigten Ausführungsform ist der elektrisch betriebene Verdichter
Der elektrisch antreibbare Verdichter
Im Folgenden werden beispielhaft verschiedene Betriebszustände des Verbrennungsmotors
In einem ersten Betriebszustand werden der Abgasturbolader
In einem zweiten Betriebszustand wird der Abgasturbolader
In einem dritten Betriebszustand wird der Verdichter
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fahrzeug vehicle
- 2 2
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 33
- Recheneinheit computer unit
- 44
- Ansaugluftpfad intake air path
- 55
- Pfeil (Strömungsrichtung) Arrow (flow direction)
- 66
- Abgasluftpfad Exhaust air path
- 77
- Pfeil (Strömungsrichtung) Arrow (flow direction)
- 88th
- Abgasturbolader turbocharger
- 99
- Verdichter compressor
- 1010
- Turbine turbine
- 1111
- Wastegate wastegate
- 1212
- Bypassleitung bypass line
- 1313
- Bypassleitung bypass line
- 1414
- Bypassklappe bypass damper
- 1515
- Verdichter compressor
- 1616
- elektrische Maschine electric machine
- 1717
- Bypassleitung bypass line
- 1818
- Bypassklappe bypass damper
- 1919
- Signalleitung signal line
- 2020
- Verarbeitungseinheit processing unit
- 2121
- computerlesbares Medium computer readable medium
- 2222
- Sensor sensor
- 2323
- Sensor sensor
- 2424
- Signalleitung signal line
- 2525
- Signalleitung signal line
- 2626
- Getriebe transmission
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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