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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft aufgeladene Verbrennungsmotoren mit elektrisch betreibbaren Verdichtern. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben von elektrisch betreibbaren Verdichtern in aufgeladenen Verbrennungsmotoren.
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Technischer Hintergrund
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Im Zuge des Downsizings von Verbrennungsmotoren mit abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen verstärkt sich der Effekt der dynamischen Anlaufverzögerung von Aufladeeinrichtungen bei einer Momentenanforderung, dem so genannten Turboloch. Daher besteht eine mögliche Maßnahme darin, anstelle von abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen elektrisch betreibbare Verdichter zu verwenden oder abgasgetriebene Aufladeeinrichtungen mit elektrischen Unterstützungsantrieben zu versehen. Durch die üblicherweise schnelle Ansprechzeit der elektrisch betreibbaren Verdichter kann der Ladedruckaufbau deutlich schneller vorgenommen werden als dies bei rein abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen der Fall ist. Die Verwendung eines elektrisch betreibbaren Verdichters erlaubt eine leistungsorientierte Auslegung des Aufladebetriebs, so dass eine deutliche Steigerung der spezifischen Leistung zu erreichen ist.
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Der elektrisch betreibbare Verdichter kann stromabwärts des Ladeluftkühlers in die Ladeluftstrecke integriert sein, so dass das zu verdichtende Volumen nach dem elektrisch betreibbaren Verdichter möglichst gering ist.
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Bei abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen mit integrierter elektrischer Unterstützung, den so genannten Cross-Chargern, kann der elektrisch betreibbare Verdichter durch einen an der mechanischen Kopplung zwischen einer Abgasturbine und Verdichter vorgesehenen elektrischen Unterstützungsantrieb realisiert sein, so dass zusätzlich oder alternativ zu der in mechanische Energie umgesetzten Abgasenthalpie auch elektrische Energie zum Antreiben des Verdichters bereitgestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben einer Aufladeeinrichtung mit einer zumindest teilweise elektrisch bereitgestellten Verdichtungsleistung sowie die Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Aufladeeinrichtung mit einem elektrisch betreibbaren Verdichter in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Feststellen eines bestimmten Systemzustands bei abgestelltem Verbrennungsmotor;
- – Bilden eines Durchspülpfades zwischen einem Luftzuführungssystem und einem Abgassystem des Verbrennungsmotors;
- – Aktivieren des elektrisch betreibbaren Verdichters abhängig von dem festgestellten Systemzustand.
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Sowohl bei dem zusätzlichen rein elektrisch betreibbaren Verdichter als auch bei den abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen mit elektrischer Unterstützung (Cross-Chargern) besteht die Möglichkeit, unabhängig von bereitgestellter Abgasenthalpie Frischluft in den Ladedruckabschnitt und Saugrohrabschnitt des Verbrennungsmotors zuzuführen.
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Beim Abstellen des Verbrennungsmotors wird bei hoher Motortemperatur und/oder hohem Kühlmitteldruck im Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors in der Regel ein Motorlüfter aktiviert, um die Temperatur des Verbrennungsmotors schnell zu senken. Je nach Betriebsdauer und Verbrennungsmotorlast vor dem Abstellen kommt es jedoch nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors zu einem Wandern des Wärmekerns in den Zylinderkopf. Dieser Vorgang kann unter Umständen deutlich länger dauern als der bisher übliche Nachlauf des Motorlüfters.
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Bei Fahrzeugmotoren kann es zudem durch das Nachheizen zu Kraftstoffausgasungen im Kraftstoff- und/oder Einspritzsystem kommen, wodurch ein erneutes Starten des Verbrennungsmotors erschwert wird.
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Weiterhin kann nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors gegenüber der Umgebungstemperatur wärmere Ansaugluft bzw. Verbrennungsabgas im Luftzuführungs- und/oder Abgassystem verbleiben. Durch die nun auftretende Abkühlung kann es im Luftzuführungs- und Abgassystem nach Abstellen des Verbrennungsmotors zum Ausfallen von Kondensat aus der Ansaugluft bzw. dem Verbrennungsabgas kommen. Dies kann beispielsweise im Luftzuführungssystem zur Ablagerung von festklebenden Substanzen, beispielsweise auf Sensorelementen und im Abgassystem zur Bildung von säurehaltigen Ablagerungen führen. Diese Ablagerungen können zu Schädigungen führen. Insbesondere kann das Kondensat beim darauffolgenden Motorstart im Luftzuführungs- und Abgassystem durch die plötzlich einsetzende Gasströmung gelöst werden und zu Schäden an nachgelagerten Komponenten führen (Wasserschlag).
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, bei einem Motorsystem mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest ein Teil der Verdichtungsleistung durch einen elektrisch betreibbaren Verdichter bereitgestellt werden kann, den elektrisch betreibbaren Verdichter nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors zu aktivieren, wenn ein Systemzustand vorliegt, bei dem eine Gefährdung des Motorsystems durch Überhitzung und/oder durch das Entstehen eines Feuchtigkeitsfilms und/oder durch das Absetzen von Kondensaten oder Ablagerungen besteht. Auf diese Weise kann mittels Überdruckerzeugung in dem Luftzuführungssystem bei einem rein elektrisch betreibbaren Verdichter, bei einem zusätzlich zu einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung vorgesehenen rein elektrisch betreibbaren Verdichter und bei einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit elektrischer Unterstützung (Cross-Charger) bzw. durch eine Unterdruckerzeugung in dem Abgassystem bei einem Cross-Charger ein Gasaustausch in dem Luftzuführungssystem und in dem Abgassystem mit Umgebungsluft erreicht werden.
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Dies ermöglicht es, in verbesserter Weise die nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors im Luftzuführungs- und Abgassystem verbleibenden Gase durch Umgebungsluft auszutauschen. Dadurch kann zum einen Wärme von den Komponenten des Luftzuführungssystems und dem Abgasabführungssystem durch den Austausch mit der kühleren Umgebungsluft schnell abgeführt werden. Weiterhin kann Wasserschlag und/oder verklebende Kondensate auf Komponenten des Luftzuführungssystems und/oder Säurebildungen von Kondensaten mit Abgasbestandteilen in dem Luftzuführungssystem bzw. in dem Abgassystem verringert bzw. verhindert werden. Dadurch wird der Komponentenschutz verbessert und es wird die Zuverlässigkeit von in dem Luftzuführungssystem und Abgassystem vorhandenen Sensoren und Stellgebern aufrechterhalten und insgesamt schädigende Korrosion vermieden.
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Konstruktionsbedingt ist durch die Möglichkeit, eine Verdichtungsleistung elektrisch bereitzustellen, eine Entkopplung von dem Verbrennungsmotorbetrieb möglich, so dass die entsprechende Verdichtungsleistung sowohl bei betriebenem als auch bei abgestelltem Verbrennungsmotor zusätzlich zur oder unabhängig von der aus der Abgasenthalpie generierten Verdichtungsleistung bereitgestellt werden kann.
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Weiterhin kann der bestimmte Systemzustand festgestellt werden, wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:
- – Mindestens eine Motortemperatur liegt über einem vorbestimmten Temperaturschwellenwert,
- – eine Feuchtigkeit eines Gases im Luftzuführungssystem und/oder im Abgassystem liegt über einem vorgegebenen Feuchtigkeitsschwellenwert; und
- – eine Abkühlung eines Gases im Luftzuführungssystem und/oder im Abgassystem liegt über einem vorgegebenen Temperaturdifferenzschwellenwert.
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Insbesondere kann der elektrisch betreibbare Verdichter für eine vorbestimmte Zeitdauer aktiviert werden, wenn eine Abkühlung eines Gases im Luftzuführungssystem und/oder im Abgassystem über einem vorgegebenen Temperaturdifferenzschwellenwert liegt, wobei insbesondere die vorbestimmte Zeitdauer mindestens einer Zeitdauer entspricht, die für ein Durchspülen des Luftzuführungssystems und des Abgassystems ausreicht.
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Weiterhin kann der elektrisch betreibbare Verdichter abhängig von dem festgestellten Systemzustand bzw. einem weiteren festgestellten Systemzustand deaktiviert werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Aktivieren und das Deaktivieren des elektrisch betreibbaren Verdichters mehrfach, insbesondere zyklisch durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Durchspülpfad durch Öffnen einer Drosselklappe und durch Öffnen eines Abgasrückführungsventils gebildet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Durchspülpfad durch Öffnen einer Drosselklappe im Luftzuführungssystem, eines Einlassventils und eines Auslassventils an einem der Zylinder des Verbrennungsmotors gebildet wird.
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Weiterhin kann ein Aktivieren des elektrisch betreibbaren Verdichters abhängig von einem Ladezustand eines den elektrisch betreibbaren Verdichter betreibenden elektrischen Energiespeichers zugelassen bzw. unterdrückt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit vorgesehen, die ausgebildet ist, um das obige Verfahren durchzuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
- – einen Verbrennungsmotor, dem Umgebungsluft über einen Luftzuführungssystem zugeführt wird und von dem Verbrennungsabgas über ein Abgassystem abgeleitet wird,
- – einen elektrisch betreibbaren Verdichter;
- – die obige Vorrichtung.
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Weiterhin kann der elektrisch betreibbare Verdichter zusätzlich zu einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung vorgesehen sein oder durch elektromotorische Unterstützung des Verdichters der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung gebildet sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung und einem zusätzlichen rein elektromotorisch betreibbaren Verdichter;
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2 eine schematische Darstellung eines weiteren Motorsystems mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit einem elektromotorisch betreibbaren Verdichter;
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3 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrisch unterstützten Aufladung; und
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4 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zur Veranschaulichung eines weiteren Verfahrens zum Betreiben einer elektrisch unterstützten Aufladung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der eine Anzahl von Zylindern 3 aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind ohne Einschränkung der Allgemeinheit vier Zylinder 3 bereitgestellt. Der Verbrennungsmotor 2 kann als Diesel- oder Ottomotor ausgebildet sein.
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Dem Verbrennungsmotor 2 wird in an sich bekannter Weise Umgebungsluft über ein Luftzuführungssystem 4 zugeführt und Verbrennungsabgas aus den Zylindern 3 über ein Abgassystem 5 abgeführt. Das Luftzuführungssystem 4 steht über Einlassventile (nicht gezeigt) mit den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 2 in an sich bekannter Weise in Verbindung. Verbrennungsabgas wird über entsprechende Auslassventile (nicht gezeigt) in das Abgassystem 5 in an sich bekannter Weise ausgestoßen.
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Es kann eine Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen sein, die eine Abgasturbine 61 im Abgassystem 5 aufweist und einen Verdichter 62 im Luftzuführungssystem 4 aufweist. Die Turbine 61 ist mit dem Verdichter 62 mechanisch gekoppelt, so dass Abgasenthalpie, die in der Turbine 61 in mechanische Energie umgesetzt wird, zur Verdichtung von aus der Umgebung entnommener Umgebungsluft in dem Verdichter 62 verwendet wird.
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Stromabwärts des Verdichters 62 kann ein Ladeluftkühler 7 vorgesehen sein. Stromabwärts des Ladeluftkühlers 7 kann ein zusätzlicher, rein elektrisch betreibbarer Verdichter 8 vorgesehen sein, um in einem Saugrohrabschnitt 41 des Luftzuführungssystems 4 Ladeluft unter einem Ladedruck zur Verfügung zu stellen. Der Ladedruck im Ladeluftabschnitt 41 ergibt sich aus den Verdichtungsleistungen des Verdichters 62 und des zusätzlichen rein elektrisch betriebenen Verdichters 8.
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Der Ladeluftabschnitt 41 wird durch eine Drosselklappe 9 stromabwärts begrenzt. Zwischen der Drosselklappe 9 und Einlassventilen (nicht gezeigt) der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 befindet sich ein Saugrohrabschnitt 42 des Luftzuführungssystems 4.
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Zwischen einem Abschnitt des Abgassystems 5, der sich zwischen Auslassventilen (nicht gezeigt) der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 und der Turbine 61 befindet, führt eine Abgasrückführungsleitung 10 in den Saugrohrabschnitt 42. In der Abgasrückführungsleitung 10 kann ein Abgasrückführungsventil 11 angeordnet sein, um die Höhe des rückgeführten Abgasmassenstroms einstellen zu können.
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Es ist eine Steuereinheit 15 vorgesehen, die den Verbrennungsmotor 2 in an sich bekannter Weise durch Stellen der Stellgeber, wie beispielsweise der Drosselklappe 9, eines Laderstellers an der Turbine 61 (nicht gezeigt), des Abgasrückführungsventils 11 und dergleichen entsprechend eines momentanen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2 und entsprechend einer Vorgabe, beispielsweise einem Fahrerwunschmoment, betreibt.
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In 2 ist ein alternatives Motorsystem 1' dargestellt. Identische Komponenten bzw. Komponenten identischer Funktion sind darin mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu dem Motorsystem 1 ist in dem Motorsystem 1' kein zusätzlicher rein elektrisch betreibbarer Verdichter vorgesehen. Der elektrisch betreibbarer Verdichter ist stattdessen mithilfe eines Unterstützungsantriebs 8' in der Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen, der zusätzliche mechanische Energie über die mechanische Kopplung zwischen der Turbine 61 und dem Verdichter 62 einbringen kann, so dass der Verdichter 62 auch unabhängig von von der Turbine bereitgestellten mechanischer Energie betrieben werden kann. In der Ausführungsform der 2 ist der elektrisch betreibbare Verdichter aus dem Unterstützungsantrieb 8' und dem Verdichter 62 gebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform weist das Motorsystem keine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung auf sondern nur einen elektrisch betreibbaren Verdichter.
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In 3 ist ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines elektrisch betreibbaren Verdichters gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen anhand eines Flussdiagramms dargestellt.
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Im Schritt S1 wird überprüft, ob der Verbrennungsmotor 2 abgestellt worden ist. Ist dies der Fall (Alternative: ja), wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S2 wird eine Motortemperatur im Verbrennungsmotor gemessen. Die zu messende Motortemperatur kann beispielsweise eine Kühlwassertemperatur und/oder eine Verbrennungsstegtemperatur oder dergleichen sein.
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Weiterhin kann optional in Schritt S3 ein Druck (nicht gezeigt) im Kühlsystem des Verbrennungsmotors 2 bestimmt werden.
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In Schritt S4 wird nun überprüft, ob die Motortemperatur einen vorbestimmten Temperaturschwellwert übersteigt und/oder ob der Druck im Kühlsystem einen vorbestimmten Druckschwellenwert übersteigt. Ist dies der Fall (Alternative: ja), wird das Verfahren mit Schritt S5 fortgesetzt, andernfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S5 wird nun ein Durchspülpfad geöffnet, um Umgebungsluft mithilfe des elektrisch betreibbaren Verdichters über das Luftzuführungssystem 4 in das Abgassystem 5 zu spülen, so dass eine Kühlung der dort befindlichen bzw. damit thermisch verbundenen Komponenten erreicht wird.
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Ein Durchspülpfad wird gebildet, indem ein Strömungskanal zwischen dem Luftzuführungssystem 4 und dem Abgassystem 5 geöffnet wird. Das Öffnen eines Durchspülpfades kann beispielsweise durch Öffnen des Abgasrückführungsventils 11 erreicht werden, so dass die angesaugte Umgebungsluft über den Saugrohrabschnitt und die Abgasrückführungsleitung 10 in das Abgassystem 5 geleitet wird.
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Alternativ oder zusätzlich können auch in mindestens einem der Zylinder 3 ein Einlass- und ein Auslassventil gleichzeitig in Offenstellung sein, so dass Umgebungsluft über den Saugrohrabschnitt 42 durch den betreffenden Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 in das Abgassystem 5 geführt werden kann. Die gleichzeitige Stellung der Einlass- und Auslassventile in Offenstellung kann beispielsweise durch eine entsprechende Einstellung bei variablen Ventiltrieben (z.B. mit einem Nockenwellenphasensteller und dergleichen) erreicht werden. Insbesondere können diese beim Abstellen des Verbrennungsmotors 2 im Motorauslauf gezielt so gestellt werden, dass ein Durchspülpfad durch einen der Zylinder 3 geöffnet wird.
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Bei Motorsystemen, die zusätzlich noch eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung aufweisen, kann ebenfalls vorgesehen sein, die durchzuleitende Umgebungsluft durch Öffnung eines entsprechenden Niederdruck-Abgasrückführungsventils zu spülen.
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Im Schritt S6 wird nun der elektrisch betreibbare Verdichter 8 aktiviert, um Umgebungsluft durch das Luftzuführungssystem 4 und das Abgassystem 5 zu spülen.
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Der elektrisch betreibbare Verdichter 8 kann so lange aktiviert bleiben, wie die Motortemperatur den bzw. einen weiteren vorbestimmten Temperaturschwellenwert nicht unterschreitet und/oder der Druck im Kühlsystem den oder einen weiteren vorbestimmten Druckschwellenwert nicht unterschreitet. Diese Abfrage wird in Schritt S7 durchgeführt. Erst wenn die Motortemperatur den bzw. einen weiteren vorbestimmten Temperaturschwellenwert unterschreitet und/oder der Druck im Kühlsystem den oder einen weiteren vorbestimmten Druckschwellenwert unterschreitet, wird der elektrisch betreibbare Verdichter deaktiviert und das Verfahren mit Schritt S1 fortgesetzt.
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Das Verfahren kann zyklisch ausgeführt werden bzw. in bestimmten Zeitintervallen wiederholt werden.
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Weiterhin kann durch Überprüfung eines Batterieladezustands ein Aktivieren der elektrischen Verdichtungsunterstützung unterbunden werden, wenn der Batterieladezustand einen bestimmten Wert unterschreitet.
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In 4 ist ein weiteres Betriebsverfahren zum Betreiben eines elektrisch betreibbaren Verdichters gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen anhand eines Flussdiagramms dargestellt.
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Im Schritt S11 wird überprüft, ob der Verbrennungsmotor 2 abgestellt worden ist. Ist dies der Fall (Alternative: ja), wird das Verfahren mit Schritt S12 fortgesetzt, anderenfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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Im Schritt S12 werden die Temperaturangaben aus dem Luftzuführungssystem 4 und/oder dem Abgassystem 5 kontinuierlich bzw. periodisch gespeichert und in einem Abfrageschritt S13 kontinuierlich überprüft, wenn im Laufe des Abkühlens die Temperaturdifferenz bzw. die Temperaturdifferenzen bei deaktiviertem elektrisch betreibbaren Verdichter jeweils einen bestimmten Temperaturdifferenzschwellenwert einen bestimmten Wert überschritten hat.
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Wird in Schritt S13 festgestellt, dass mindestens eine Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Temperaturdifferenzschwellenwert überschritten hat (Alternativ: ja), so wird im Schritt S14 mindestens ein Luftspülpfad, wie oben beschrieben, geöffnet.
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In Schritt S15 wird nun der elektrisch betreibbare Verdichter 8‘ aktiviert, um Umgebungsluft durch das Luftzuführungssystem 4 und das Abgassystem 5 zu spülen. Dadurch wird Umgebungsluft durch das Luftzuführungssystem 4 und das Abgassystem 5 gespült und verdrängt dadurch Kondensat, Ablagerungen und auskondensierende Gase und führt diese in die Umgebung ab. Zudem ist die dadurch angesaugte kühlere Umgebungsluft durch die Erwärmung im Luftzuführungssystem 4 bzw. Abgassystem 5 in der Lage, mehr Feuchtigkeit aufzunehmen.
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Das Verfahren kann zyklisch ausgeführt werden bzw. in bestimmten Zeitintervallen wiederholt werden.
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Weiterhin kann durch Überprüfung eines Batterieladezustands ein Aktivieren der elektrischen Verdichtungsunterstützung unterbunden werden, wenn der Batterieladezustand einen bestimmten Wert unterschreitet.
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Nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Einschalten des elektrisch betreibbaren Verdichters 8‘ kann dieser wieder deaktiviert werden. Die vorbestimmte Zeitdauer kann so geregelt sein, dass sichergestellt ist, dass ein vollständiger Austausch der in dem Luftzuführungssystem 4 und dem Abgasabführungssystem 5 befindlichen Gase durch Umgebungsluft erfolgt ist.
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Das Verfahren kann durch periodisches bzw. zyklisches Aktivieren so lange wiederholt werden, bis die Temperatur der im Luftzuführungssystem 4 bzw. Abgassystem 5 verbliebenen Luft kleiner als ein vorgegebener Resttemperaturschwellenwert ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann bei Motorsystemen, bei dem eine Feuchtigkeit des Gases, das sich im Luftzuführungssystem 4 und/oder im Abgassystem 5 befindet, erfasst, gemessen oder bestimmt wird, durch Aktivieren des elektrisch betreibbaren Verdichters Umgebungsluft durch den Durchspülpfad geleitet werden, wenn ein bestimmter Feuchteschwellenwert erreicht bzw. überschritten wird, Bei Unterschreiten des bestimmten Feuchteschwellenwerts bzw. eines weiteren bestimmten Feuchteschwellenwerts kann der elektrisch betreibbare Verdichter wieder deaktiviert werden.
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Die obigen Verfahren zum Betreiben des elektrisch betreibbaren Verdichters nach einem Abstellen des Motorsystems 1, 1‘ können alternativ oder in Kombination zueinander durchgeführt werden.
