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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mir einem elektrischen Turbolader. Ferner betrifft die Erfindung eine Motorbaugruppe mit einer Brennkraftmaschine mit einem elektrischen Turbolader und ein Kraftfahrzeug, insbesondere PKW, mit einer derartigen Motorbaugruppe.
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Es ist bekannt, dass durch einen Turbolader, auch Turbo, eine Leistungsoder Effizienzsteigerung von Brennkraftmaschinen, wie z. B. von Otto- oder Dieselmotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, erreicht werden kann.
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Abgasturbolader weisen eine Abgasturbine und einen Verdichter auf. Die Abgasturbine treibt den Verdichter an und erhöht den Luftdurchsatz oder vermindert die Ansaugarbeit des Kolbens. Die Abgasturbine bezieht ihre Antriebsenergie aus dem Restdruck des Abgases der Brennkraftmaschine.
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Ferner sind elektrische Turbolader bekannt, die anstelle einer Abgasturbine einen elektrischen Motor als Antrieb aufweisen. Von Vorteil ist hierbei, dass ein elektrischer Motor eine geringere Trägheit als eine Abgasturbine aufweist. Somit weist ein elektrischer Turbolader eine kürzere Ansprechzeit auf Lastwechsel als ein Abgasturbolader auf. Entsprechend geringer fällt das sogenannte Turboloch aus.
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Des Weiteren können turboaufgeladene Brennkraftmaschinen, also Brennkraftmaschinen mit einem Turbolader, eine Drosselklappe aufweisen. Mit der Drosselklappe kann bei einer als Ottomotor ausgebildeten Brennkraftmaschine die gewünschte Abgabeleistung durch Regulierung der zugeführten Luftmenge eingestellt werden.
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Eine als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine benötigt nicht zwingend eine Drosselklappe. Jedoch weisen z. B. Dieselmotoren die zur Reduzierung der Stickoxid-Anteile im Abgas eine hohe Abgasrückführungsrate fahren, eine Drosselklappe auf. Diese wird im Teillastbetrieb teilweise geschlossen, um die Frischluftzufuhr zu reduzieren und somit einen höheren Abgasanteil im Zylinderraum zu ermöglichen.
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Sowohl bei als Otto- oder auch als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschinen wird somit bei einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine die Drosselklappe nur teilweise geöffnet, wobei bei diesem Teillastbetrieb sich die Brennkraftmaschine aufgrund der geringen Wirkung des Turboladers in einem Saugbetriebsmodus befindet, in dem die Kolben der Brennkraftmaschine einen Unterdruck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine erzeugen. Hingegen befindet sich die Brennkraftmaschine in einem zwangsbeatmeten Betriebsmodus, wenn der Turbolader eine Füllung der Zylinder der Brennkraftmaschine mit Überdruck bewirkt. Jedoch verursacht die teilweise geöffnete Drosselklappe Strömungsverluste bzw. Drosselklappenverluste, die den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erhöhen können.
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Es besteht daher Bedarf daran, den Kraftstoffverbrauch bei teilweise geöffneter Drosselklappe zu reduzieren.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem elektrischen Turbolader, bei dem in einem ersten Schritt erfasst wird, ob die Brennkraftmaschine in einem Saugbetriebsmodus betrieben wird, und in einem weiteren Schritt ein Gegendruck mit dem Turbolader erzeugt wird, wenn die Brennkraftmaschine in dem Saugbetriebsmodus betrieben wird. Dabei wird unter einem Saugbetriebsmodus verstanden, dass die Zylinder der Brennkraftmaschine durch den Unterdruck mit Luft gefüllt werden, den die Zylinder der Brennkraftmaschine im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine erzeugen. Somit unterscheidet sich der Saugbetriebsmodus von einem zwangsbeatmeten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, bei dem die Zylinder der Brennkraftmaschine mit durch den Turbolader erzeugtem Überdruck gefüllt werden. Unter einem elektrischen Turbolader wird ein Turbolader verstanden, der im Unterschied zu einem Abgasturbolader anstelle von einer Abgasturbine von einem Elektromotor angetrieben wird. Dabei bewirkt der von dem Turbolader erzeugt Gegendruck eine Verringerung der Drosselklappenverluste bei der nur teilweise im Saugbetriebsmodus geöffneten Drosselklappe. Durch die Reduzierung der Drosselklappenverluste kann der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei Teillast mit nur einer teilweise geöffneten Drosselklappe reduziert werden und damit der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine insgesamt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird zum Erfassen, ob die Brennkraftmaschine in dem Saugbetriebsmodus betrieben wird, ein Ladezustandswert des Turboladers erfasst, der Ladezustandswert mit einem Schwellwert verglichen, und auf den Saugbetriebsmodus geschlossen, wenn der Ladezustandswert kleiner als der Schwellwert ist. Somit wird bei Unterschreiten des Schwellwertes davon ausgegangen, dass nun der Turbolader keinen ausreichenden Überdruck erzeugt, um die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Luft zu füllen, sondern vielmehr die Zylinder durch Unterdruck mit Luft befüllt werden. Somit ist eine einfache, aber zuverlässige Erfassung gegeben, ob sich die Brennkraftmaschine in dem Saugbetriebsmodus oder zwangsbeatmeten Betriebsmodus befindet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird als Ladezustandswert ein Ladedruck des Turboladers erfasst. Hierzu kann ein bereits vorhandener Ladedrucksensor bzw. MAP-Sensor (MAP = Manifold-Absolute-Pressure) verwendet werden. Der Ladedrucksensor ist ein Drucksensor zur Erfassung des Saugrohr-Absolutdrucks bei Otto- bzw. Turbodieselmotoren. Er wird zur Steuerung der elektronischen Benzineinspritzung und/oder zur Steuerung eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie (VTG) verwendet. Somit wird ein bereits ohnehin vorhandenes Bauteil zur Erfassung des Ladezustandswertes verwendet, was den Fertigungsaufwand reduziert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Erfassen, ob die Brennkraftmaschine in dem Saugbetriebsmodus betrieben wird, eine Öffnungsstellung einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine erfasst, und auf den Saugbetriebsmodus geschlossen, wenn die Drosselklappe in der Öffnungsstellung teilweise geöffnet ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass bei einer nur teilweisen Öffnung der Drosselklappe ein Teillastbetrieb vorliegt, bei dem die Brennkraftmaschine in dem Saugbetriebsmodus betrieben wird. Zusammen mit der Erfassung und Auswertung des Ladedrucks des Turboladers wird so durch Kombination zweier Messgrößen eine besonders zuverlässige Erfassung eines Betriebs der Brennkraftmaschine in dem Saugbetriebsmodus erreicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Erfassen, ob die Drosselklappe teilweise geöffnet ist, ein Öffnungswinkel der Drosselklappe erfasst, der Öffnungswinkel mit einem Grenzwert verglichen, und auf eine teilweise geöffnete Drosselklappe geschlossen, wenn der Öffnungswinkel kleiner als der Grenzwert ist. Die aktuelle Stellung und damit der Öffnungswinkel der Drosselklappe kann z. B. mit einem ohnehin schon vorhandenen Drosselklappen-Potentiometer erfasst werden, das direkt an der Drosselklappen-Achse befestigt ist und diesen Wert an ein der Brennkraftmaschine zugeordnetes Steuergerät weitergeleitet. Somit wird ein bereits ohnehin vorhandenes Bauteil zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe verwendet, was den Fertigungsaufwand reduziert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Erzeugen des Gegendrucks die Drehzahl des Turboladers reduziert. Dies kann durch Abbremsen einer Welle erfolgen, die den Verdichter des Turboladers antreibt, oder aber die Drehzahl wird reduziert, in dem die Antriebsenergie reduziert wird, die einem Elektromotor zugeführt wird, der den Verdichter des elektrischen Turboladers antreibt. Somit kann mit einfachen Mitteln ein Gegendruck erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Erzeugen des Gegendrucks der Turbolader in einem Generatorbetriebsmodus betrieben. Somit wird der elektrische Motor zum Antrieb des Verdichters des elektrischen Turboladers nun als Generator betrieben. Durch die Umwandlung von Strömungsenergie in elektrische Energie wird der Luftströmung ein Teil ihrer Strömungsenergie entnommen und so ein Gegendruck erzeugt. So kann ein besonders großer Gegendruck erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Gegendruck erzeugt, der ein Öffnen einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine bewirkt. Hierdurch werden auf einfache Weise durch die nun weiter geöffnete Drosselklappe die Drosselklappenverluste reduziert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zumindest ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine angepasst, derart, dass die Brennkraftmaschine ein Lastprofil aufweist, das einem Lastprofil der Brennkraftmaschine in einem zwangsbeatmeten Betriebsmodus im Wesentlichen entspricht. Somit wird sichergestellt, dass die Brennkraftmaschine in den beiden Betriebsmodi das gleiche Lastverhalten zeigt, sodass für einen Kraftfahrzeugführer eine Brennkraftmaschine mit gleichen Lastverhalten bereitgestellt wird. Dabei wird unter im Wesentlichen verstanden, dass die Unterschiede im Lastprofil so gering sind, dass sie unterhalb einer Wahrnehmungsschwelle des Kraftfahrzeugführers liegen. Z. B. können die Unterschiede 3%, 5% oder 10% der abgegeben Leistung in den beiden Betriebsmodi betragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Brennkraftmaschine ein Ottomotor. Dies erlaubt eine besonders einfache Umsetzung der Erfindung, da als Ottomotoren ausgebildete Brennkraftmaschinen ohnehin eine Drosselklappe aufweisen. Alternativ kann die Erfindung aber auch bei als Dieselmotoren ausgebildeten Brennkraftmaschinen Verwendung finden, wenn diese ebenfalls eine Drosselklappe aufweisen.
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Ferner gehören zur Erfindung eine Motorbaugruppe und ein Kraftfahrzeug, insbesondere PKW, mit einer derartigen Motorbaugruppe.
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Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt:
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1 eine Motorbaugruppe mit einer Brennkraftmaschine und einem elektrischen Turbolader zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 zeigt eine Motorbaugruppe 2 mit einer Brennkraftmaschine 4 und einem elektrischen Turbolader 6. zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. eines PKW. Von den weiteren Komponenten der Motorenbaugruppe sind ein Drosselklappe 8, ein Ansaugkrümmer 10 und ein Ladedrucksensor 12 sowie ein Steuergerät 14 dargestellt. Ferner kann die Motorbaugruppe 2 einen Ladeluftkühler (nicht dargestellt) und einen Luftfilter (nicht dargestellt) aufweisen.
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Die Brennkraftmaschine 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Ottomotor ausgebildet. Sie weist daher eine Drosselklappe 8 auf, mit der die gewünschte Abgabeleistung durch Regulierung der zugeführten Luftmenge eingestellt werden kann. Alternativ kann die Brennkraftmaschine 4 auch als Dieselmotor mit zugeordneter Drosselklappe 8 ausgebildet sein.
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Der elektrische Turbolader 6 weist einen Verdichter (nicht dargestellt) und einen den Verdichter antreibenden elektrischen Maschine (nicht dargestellt) auf. Die elektrische Maschine ist dabei ausgebildet, in sowohl als Motor in einem Motorbetriebsmodus als auch als Generator in einem Generatorbetriebsmodus betrieben werden zu können.
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Die Drosselklappe 8 ist in Strömungsrichtung vor dem Ansaugkrümmer 10 angeordnet, der eine Leitungsverzweigung im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 4 aufweist, um jeden Zylinder der Brennkraftmaschine 4 mit Luft zu versorgen.
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Zwischen der Drosselklappe 8 und dem Ansaugkrümmer 10 ist der Ladedrucksensor 12 angeordnet. Der Ladedrucksensor 12 ist als Drucksensor zur Erfassung des Saugrohr-Absolutdrucks der Brennkraftmaschine 4 ausgebildet. Abweichend von der Anordnung zwischen der Drosselklappe 8 und dem Ansaugkrümmer 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Ladedrucksensor 12 auch an anderen Orten angeordnet sein.
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Das Steuergerät 14 (auch Motorsteuergerät) ist zur Steuerung, Regelung und Überwachung von Motorfunktionen der Brennkraftmaschine 4 sowie der Komponenten der Motorbaugruppe 2 ausgebildet. Z. B. ist das Steuergerät 14 dazu ausgebildet, mit der Drosselklappe 8 und einem Luftmassensensor die Luftmasse, das Gemischverhältnis (Luft zu Kraftstoff) und die katalytische Abgasreinigung sowie die Abgasrückführung und/oder mit einem variablen Ventiltrieb die Öffnungs- und Schließ(kurbelwellen)winkel von Ein- und Auslassventilen der Brennkraftmaschine 4 den momentanen Erfordernissen entsprechend einzustellen. Außerdem ist das Steuergerät 14 dazu ausgebildet, den Ladedruck der Brennkraftmaschine 4 zu regeln.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 14 dazu ausgebildet, einen Öffnungswinkel W der Drosselklappe 8 einzulesen, der mit einem Drosselklappen-Potentiometer (nicht dargestellt) erfasst wird, das z. B. direkt an einer Drosselklappen-Achse der Drosselklappe 8 befestigt ist.
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Ferner ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Steuergerät 14 dazu ausgebildet, als Ladezustandswert der Brennkraftmaschine 4 einen Ladedruck P des Turboladers 6 einzulesen, der ein Drucksensor zur Erfassung des Saugrohr-Absolutdrucks der Brennkraftmaschine 4 ist.
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Das Steuergerät 14 ist außerdem dazu ausgebildet, den Ladedruck P mit einem Schwellwert S und den Öffnungswinkel W mit einem Grenzwert G zu vergleichen. Das Steuergerät 14 schließt auf einen Saugbetriebsmodus, wenn der Ladedruck P kleiner als der Schwellwert S und der Öffnungswinkel W kleiner als der Grenzwert G ist.
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Ferner ist das Steuergerät 14 dazu ausgebildet, auf das Erfassen eines Betriebs der Brennkraftmaschine 4 im Saugbetriebsmodus hin einen Gegendruck durch Reduzierung der Drehzahl des Turboladers 6 zu bewirken. Hierzu kann das Steuergerät den Elektromotor des Turboladers 6 mittels eines Ansteuersignals A derart ansteuern, dass dieser in einem Generatorbetriebsmodus betrieben wird, in dem er elektrische Energie erzeugt. Durch die Umwandlung von Strömungsenergie in elektrische Energie wird der Luftströmung ein Teil ihrer Strömungsenergie entnommen und so der Gegendruck erzeugt.
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Schließlich ist das Steuergerät 14 dazu ausgebildet, zumindest einen Betriebsparameter B der Brennkraftmaschine 4 anzupassen, derart, dass die Brennkraftmaschine 4 ein Lastprofil aufweist, das einem Lastprofil der Brennkraftmaschine 4 in dem zwangsbeatmeten Betriebsmodus im Wesentlichen entspricht. So wird erreicht, dass die Brennkraftmaschine 4 in den beiden Betriebsmodi das gleiche Lastverhalten zeigt, sodass für einen Kraftfahrzeugführer 4 kein Unterschied erfassbar ist, da die Unterschiede im Lastprofil so gering sind, dass sie unterhalb einer Wahrnehmungsschwelle des Kraftfahrzeugführers liegen. Z. B. können die Unterschiede 3%, 5% oder 10% der abgegeben Leistung in den beiden Betriebsmodi betragen.
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Im Betrieb liest das Steuergerät 14 den Ladedruck P des Turboladers 6 und den Öffnungswinkel W der Drosselklappe 8 ein.
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Wenn der Ladedruck P kleiner als der Schwellwert S und der Öffnungswinkel W kleiner als der Grenzwert G ist, schließt das Steuergerät 12 auf einen Betrieb der Brennkraftmaschine 4 in einem Saugbetriebsmodus.
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Auf das Erfassen des Saugbetriebsmodus hin steuert das Steuergerät 12 den Elektromotor des Turboladers 6 mit dem Ansteuersignal A an, damit dieser von einem Motorbetriebsmodus in den Generatorbetriebsmodus wechselt. Nun erzeugt der Turbolader 8 einen Gegendruck, der ein Öffnen der Drosselklappe 8 der Brennkraftmaschine 4 bewirkt. So werden durch die nun weiter geöffnete Drosselklappe 8 die Drosselklappenverluste reduziert.
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Zugleich passt das Steuergerät 14 auf das Erfassen des Saugbetriebsmodus hin zumindest einen Betriebsparameter B der Brennkraftmaschine 4 an, derart, dass die Brennkraftmaschine 4 ein Lastprofil aufweist, das einem Lastprofil der Brennkraftmaschine 4 in dem zwangsbeatmeten Betriebsmodus im Wesentlichen entspricht.
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Somit wird durch die Reduzierung der Drosselklappenverluste der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei Teillast mit nur einer teilweise geöffneten Drosselklappe reduziert und einem Kraftfahrzeugführer eine Brennkraftmaschine 4 mit einem Lastprofil bereitgestellt, dass für ihn keine wahrnehmbaren Unterschiede zwischen den beiden Betriebsmodi aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Motorbaugruppe
- 4
- Brennkraftmaschine
- 6
- elektrischer Turbolader
- 8
- Drosselklappe
- 10
- Ansaugkrümmer
- 12
- Ladedrucksensor
- 14
- Steuergerät
- A
- Ansteuersignal
- B
- Betriebsparameter
- G
- Grenzwert
- P
- Ladedruck
- S
- Schwellwert
- W
- Öffnungswinkel
