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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System aus einer Brennkraftmaschine, einem Turbolader, einer Abgasnachbehandlungsanlage und einem Turbogenerator, das über Bypassleitungen der Turbinen energieeffizient gesteuert werden kann.
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Turbogeneratoren sind eine bekannte Vorrichtung, um Abgasenergie in Form von elektrischer Energie zurückzugewinnen. Es ist ein Trend erkennbar, dass in Kraftfahrzeugen zunehmend elektrische Geräte eingebaut werden, die aus dem Bordstromnetz versorgt werden müssen, z. B. elektrische Pumpen, elektrische Katalysatoren, elektromechanischen Ventilaktuatoren und die Klimaanlage. Weiterhin tragen auch Bordcomputer und Navigationsgeräte zu einem erhöhten Stromverbrauch bei. Dabei stößt die Bordelektrik mit einer Batterie und einer Lichtmaschine häufig an ihre Grenzen.
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Moderne Kraftfahrzeuge weisen häufig einen Turbolader oder einen Multiturbolader auf. Die im Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs angeordnete Turbine eines Turboladers beeinflusst die Wärmeregulierung in einem System mit einer Brennkraftmaschine, da das Abgas in der Turbine Wärme abgibt. Allerdings ist die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur des Abgases häufig noch hoch genug, so dass noch Potential für eine weitere Nutzung der Abgasenergie besteht. Wird die Strömungsenergie für den Betrieb eines stromabwärts von der Turbine des Turboladers angeordneten Turbogenerators genutzt, geht allerdings weitere Wärmeenergie des Abgases verloren. Abgasnachbehandlungsanlagen benötigen jedoch eine gewisse Betriebstemperatur, die idealerweise durch die Wärmeenergie des Abgases erreicht wird, wodurch es zum Konflikt mit der Nutzung eines Turbogenerators kommt. Es besteht die Aufgabe, eine Anordnung bereitzustellen, mit der die Temperatur und die Strömungsenergie des Abgases effizient genutzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, der Beschreibung, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein System aus einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einer Abgasleitung, mit mindestens einem Turbolader, der mindestens eine in der Abgasleitung angeordnete erste Turbine und einen in einer Ansaugleitung angeordneten ersten Kompressor aufweist, mit einer stromabwärts von der ersten Turbine in der Abgasleitung angeordneten Abgasnachbehandlungsanlage, und einem Turbogenerator, der mindestens eine stromabwärts von der Abgasnachbehandlungsanlage in der Abgasleitung angeordnete zweite Turbine und einen elektrischen Energiewandler aufweist, und mit einer Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, Steuerparameter des Systems zu überwachen und einzustellen,
bei dem eine erste Bypassleitung mit einem ersten Wastegate stromaufwärts der ersten Turbine von der Abgasleitung abzweigt und stromabwärts der ersten Turbine wieder in die Abgasleitung einmündet, und
bei dem eine zweite Bypassleitung mit einem zweiten Wastegate stromaufwärts der zweiten Turbine von der Abgasleitung abzweigt und stromabwärts der zweiten Turbine wieder in die Abgasleitung einmündet.
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Durch die Anordnung der Abgasnachbehandlungsanlage stromabwärts des Turbogenerators kann die Wärme des Abgases vorteilhaft zur Erreichen der Betriebstemperatur von in der Abgasnachbehandlungsanlage angeordneten Katalysatoren genutzt werden, wodurch weniger Emissionen erzeugt werden. Mittels der Wastegates in den Bypassleitungen der Turbinen sind ist der Abgasstrom durch oder um die Turbinen herum vorteilhaft steuerbar, um die Energie des Abgases effizient zu nutzen.
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Die zweite Turbine ist auch als Niederdruckturbine zu bezeichnen, da das Abgas in diesem Teil der Abgasleitung einen niedrigeren Druck aufweist als an der ersten Turbine. Das zweite Wastegate wird wegen der Anordnung in der Bypassleitung der Niederdruckturbine auch als Niederdruckturbinen-Wastegate (low pressure turbine wastegate, LPTWG) bezeichnet. Die erste Turbine wird auch als Hochdruckturbine bezeichnet, da das Abgas in diesem Teil der Abgasleitung einen höheren Druck aufweist als an der zweiten Turbine. Das erste Wastegate wird wegen der Anordnung in der Bypassleitung der Hochdruckturbine auch als Hochdruckturbinen-Wastegate (high pressure turbine wastegate, HPTWG) bezeichnet.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn in dem erfindungsgemäßen System der Energiewandler durch ein Teilstromnetz mit dem Hauptstromnetz des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Das Hauptstromnetz entspricht dabei einem herkömmlichen Bordstromnetz. Die Verbindung des Energiewandlers über das Teilstromnetz ermöglicht vorteilhaft eine Verbindung der elektrischen Eigenschaften des Turbogenerators mit den Eigenschaften des herkömmlichen Bordstromnetzes, um Wirkungsgrad und Effizienz der Steuerung eines gemeinsamen Systems aus Antriebsstrang und elektrischer Versorgung des Kraftfahrzeugs zu erhöhen.
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Vorzugsweise umfasst das Teilstromnetz den elektrischen Energiewandler, einen DCDC-Wandler und einen elektrischen Energiespeicher. Der elektrische Energiewandler versorgt dabei das Teilnetz und ist über den DCDC-Wandler mit dem Hauptstromnetz verbunden. Dabei wird der DCDC-Wandler so geschaltet, dass sein Ausgang mit dem Hauptstromnetz und der Starter-Batterie verbunden ist. Der Energiespeicher des Teilnetzes kann zum Beispiel eine Blei- oder LiIon-Batterie sein, oder kann mit einer Bank von Super-Capacitors implementiert werden. Die elektrische Leistung des Energiewandlers, bzw. sein Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung des DCDC-Wandlers sind Steuerparameter des Systems.
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Vorzugsweise ist in dem erfindungsgemäßen System eine Anzahl von Druckmesspunkten angeordnet, die mit der Steuereinrichtung verbunden sind. Die Steuereinrichtung ermöglicht auf Grund der Druckmessungen vorteilhaft eine integrierte und koordinierte Steuerung von Drosseln und Wastegates, um Steuerparameter wie Abgasdruck, Rückstau des Abgases, Saugrohrdruck, Luftstrom, Abgasrückführung und elektrische Stromerzeugung zu steuern. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in dem erfindungsgemäßen System eine Anzahl von elektrischen Sensoren angeordnet ist, die mit der Steuereinrichtung verbunden sind. Die elektrischen Sensoren ermöglichen vorteilhaft ein Messen des Ladezustands z. B. einer Starterbatterie und von Strom im Hauptstromnetz, sowie ggf. eines Energiespeichers im Teilstromnetz.
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Vorzugsweise ist der elektrische Energiewandler des Turbogenerators ein Generator. Alternativ kann der elektrische Energiewandler auch eine Lichtmaschine sein. Der elektrische Energiewandler ist mit dem Bordstromnetz verbunden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem System gemäß der Erfindung.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Abgasenergie unter Verwendung eines Systems gemäß der Erfindung, wobei die Ventilpositionen des zweiten Wastegates in Abhängigkeit von Steuerparametern des Fahrstatus des Kraftfahrzeugs durch die Steuereinrichtung gesteuert werden.
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Die Vorteile des Verfahrens entsprechen denen des erfindungsgemäßen Systems. Dazu ist das Verfahren besonders vorteilhaft, weil Kraftstoffverbrauch und Abgasproduktion verringert werden können und damit der Wirkungsgrad des Systems erhöht wird.
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Vorzugsweise wird zusätzlich der DCDC-Wandler und die Leistung des elektrischen Energiewandlers durch die Steuereinrichtung gesteuert, wenn der Energiewandler über ein Teilstromnetz mit dem Hauptstromnetz verbunden ist.
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Vorzugsweise werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren Steuerparameter zur Definition des Fahrstatus des Kraftfahrzeugs ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend die Drehzahl und das Drehmoment der zweiten Turbine, den Druck in der Abgasleitung stromabwärts der zweiten Turbine, den Druck in der Ansaugleitung stromaufwärts der Ansaugdrossel, den Druck im Ansaugkrümmer, die Ventilstellung des ersten Wastegate, die Katalysatortemperatur, die Abgastemperatur, die Drehzahl und / oder das Drehmoment der Brennkraftmaschine, den Ladezustand des Energiespeichers des Teilstromnetzes, die Leistung des elektrischen Energiewandlers, den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung des elektrischen Energiewandlers und den Ladezustand einer Starterbatterie. Ein weiterer Steuerparameter für die Ventilposition des zweiten Wastegate ist der Abgasdruck stromaufwärts der zweiten Turbine.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt das zweite Wastegate vollständig geöffnet, wenn mindestens einer der Steuerparameter unter einem vordefinierten Wert liegt. Zu niedrige Werte der Steuerparameter kommen besonders im Niedriglastbetrieb der Brennkraftmaschine vor. Vorteilhafterweise wird das zweite Wastegate unter diesen Bedingungen vollständig geöffnet, um einen zu hohen Rückstau im Niedriglastbetrieb zu vermeiden. Die Ventilposition des ersten Wastegate wird dabei in Abhängigkeit vom aktuellen Wert der Steuerparameter gesteuert.
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Weiterhin wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt die Ventilposition des zweiten Wastegate in Abhängigkeit vom aktuellen Wert der Steuerparameter gesteuert. Dazu sind für jeden Steuerparameter bestimmte Regelpunkte einstellbar, nach denen die effizienteste Ventilposition von der Steuereinrichtung berechnet wird. Die Ventilposition des ersten Wastegate wird dabei ebenfalls in Abhängigkeit vom aktuellen Wert der Steuerparameter gesteuert.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren das zweite Wastegate während eines Bremsvorgangs oder einer Schubabschaltung mit Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr vollständig geschlossen wird. Auf diese Weise wird während dieses Betriebszustands die maximal mögliche Abgasmenge in die zweite Turbine geleitet, wodurch eine maximal mögliche Menge an elektrischer Energie gewonnen werden kann. Es ist besonders bevorzugt, wenn dabei das erste Wastegate vollständig geöffnet wird.
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Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
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2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen System mit einem Teilstromnetz.
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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4 eine schematische Darstellung einer Steuerung des erfindungsgemäßen Systems.
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Gemäß der Darstellung von 1 umfasst eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1 eine Brennkraftmaschine 2 eines Kraftfahrzeugs, z. B. eine selbstzündende oder eine fremdgezündete Brennkraftmaschine 2, mit einer Anzahl von Zylindern 3. Stromaufwärts der Brennkraftmaschine 2 ist ein Ansaugkrümmer 4 und stromabwärts der Brennkraftmaschine 2 ein Abgaskrümmer 5 angeordnet. An den Abgaskrümmer 5 schließt sich der Abgastrakt 6 an.
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Die Brennkraftmaschine 2 ist mit einer Lichtmaschine 8a gekoppelt, die elektrischen Strom erzeugt und in eine Bordstromnetz, im weiteren als Hauptstromnetz 8 bezeichnet, einspeist. Die Lichtmaschine ist dabei unter anderem mit einer Starterbatterie 8b und einer Reihe von elektrischen Fahrzeuglasten 8c, d.h. elektrischen Einrichtungen des Kraftfahrzeugs, verbunden.
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Im Abgastrakt 6 ist eine erste Turbine 7a angeordnet, die zu einem Turbolader gehört. Die erste Turbine 7a wird auch als Hochdruckturbine bezeichnet. Ein über eine Welle mit der ersten Turbine 7a verbundener Kompressor 7b des Turboladers ist entsprechend in einer Ansaugleitung 9 angeordnet, in der Ladeluft zur Brennkraftmaschine 2 geleitet wird. Stromaufwärts der ersten Turbine 7a zweigt eine erste Bypassleitung 10 von der Abgasleitung 6 ab, die stromabwärts der ersten Turbine 7a wieder in die Abgasleitung 6 mündet. In der ersten Bypassleitung 10 ist ein erstes Wastegate (HPTWG) 10a zum Öffnen, Schließen und Regulieren der ersten Bypassleitung 10 angeordnet. Stromabwärts der Mündung der ersten Bypassleitung 10 in die Abgasleitung 6 ist eine Abgasnachbehandlungsanlage 11 angeordnet, in der verschiedene Katalysatoren angeordnet sein können, z. B. in Abhängigkeit von der Brennkraftmaschine ein Drei-Wege-Katalysator, ein Oxidationskatalysator, ein Stickoxid-Speicher-Katalysator, ein Dieselpartikelfilter, und/oder ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion.
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Stromabwärts der Abgasnachbehandlungsanlage 11 ist eine zweite Turbine 12a angeordnet, die zu einem Turbogenerator gehört. Die zweite Turbine 12a wird auch als Niederdruckturbine bezeichnet. Die zweite Turbine ist über eine Welle mit einem elektrischen Energiewandler 12b verbunden, der bevorzugt ein Generator zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische ist, aber auch eine zweite Lichtmaschine (zusätzlich zu der herkömmlicherweise mit der Brennkraftmaschine 2 verbundenen ersten Lichtmaschine 8a) sein kann. Der elektrische Energiewandler 12b ist wiederum mit dem Hauptstromnetz 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Stromaufwärts der zweiten Turbine 12a zweigt eine zweite Bypassleitung 13 von der Abgasleitung 6 ab, die stromabwärts der zweiten Turbine 12a wieder in die Abgasleitung 6 mündet. In der zweiten Bypassleitung 13 ist ein zweites Wastegate (LPTWG) 13a zum Öffnen, Schließen und Regulieren der zweiten Bypassleitung 13 angeordnet. Stromabwärts der Mündung der zweiten Bypassleitung 13 in die Abgasleitung 6 ist eine Abgasdrossel 14 angeordnet.
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In einer Ausführungsform gemäß der Darstellung von 2 weist das System 1 ein Teilstromnetz 30 auf, über das der elektrische Energiewandler 12b mit dem Hauptstromnetz 8 des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Im Teilstromnetz 30 ist der elektrische Energiewandler 12b mit einem elektrischen Energiespeicher 31 und einem DCDC-Wandler 32 verbunden. Der elektrische Energiespeicher 31 kann mit einer Art Batterie, zum Beispiel aus einer Blei- oder Li-Ion-Batterie realisiert werden, oder er kann mit einer oder mehreren Super-Cap-Zellen aufgebaut werden. Die Spannungsebene des Teilstromnetzes 30 und die Größe des Energiespeichers 31 ist mit den Eigenschaften des DCDC-Wandlers 32 und seiner Betriebsdauer abgestimmt, um den Wirkungsgrad der Energieumwandlung zu erhöhen.
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Das System 1 weist weiterhin eine Abgasrückführung 15 auf, die gemäß der Darstellung von 1 als Hochdruck-Abgasrückführung ausgebildet ist, die stromabwärts des Abgaskrümmers 5 von der Abgasleitung 6 abzweigt und stromaufwärts des Ansaugkrümmers 4 in die Ansaugleitung 8 mündet. Die Abgasrückführung 15 kann alternativ auch als Niederdruck-Abgasrückführung ausgebildet sein. In der Leitung der Abgasrückführung 15 sind ein Abgasrückführungsventil 16 und ein Kühler 17 angeordnet.
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In der Ansaugleitung 9 sind stromabwärts des Kompressors ein Ladeluftkühler 18 und eine Ansaugdrossel 19 angeordnet. In der Ansaugleitung 9 befindet sich ein erster Druckmesspunkt 20 an der Ansaugdrossel 19 und ein zweiter Druckmesspunkt 21 an dem Ansaugkrümmer 4, wobei entsprechende Sensoren an den Messpunkten angeordnet sind. Jeweils ein dritter, vierter und fünfter Druckmesspunkt 22, 23 und 24 mit Sensoren befindet sich an der Abgasdrossel 14, am HPTWG 10a bzw. am LPTWG 13a. Die von den Sensoren aufgenommenen Druckmesswerte und elektrische Werte werden an eine Steuereinrichtung 33 übermittelt. Weitere an die Steuereinrichtung 33 übermittelte Steuerparameter sind die Drehzahl der zweiten Turbine 12a und die Menge des durch den elektrischen Energiewandler 12b erzeugten Stroms, die ebenfalls durch entsprechende Sensoren aufgenommen werden. Die Steuereinrichtung 22 ist ausgebildet, mittels eines Einstellens der Ventilposition des HPTWG 10a und/oder LPTWG 13a Steuerparameter wie Abgasgegendruck, Einlassdruck, Luftstrom, Abgasrückführung und Stromerzeugung zu steuern.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Darstellung von 3 werden Steuerparameter des Systems 1 gemäß 1 durch die Ventilposition des HPTWG 10a und des LPTWG 13a eingestellt. Nach Inbetriebnahme des Systems 1 durch Starten der Brennkraftmaschine 2 und besonders während eines Niedriglastbetriebs wird in einem ersten Status S1 des Systems 1 das LPTWG 13a vollständig geöffnet und die Ventilposition des HPTWG 10a von der Steuereinrichtung 33 variiert, um den Druck an der Ansaugdrossel 19 zu regulieren. Gleichzeitig wird dabei der Abgasrückstau in der Abgasleitung 6 reduziert. Wird im Status S1 das Kraftfahrzeug gebremst und/oder wird die Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine 2 abgeschaltet, wird das System 1 in einen zweiten Status S2 überführt. Das LPTWG 13a wird dazu vollständig geschlossen und das HPTWG 10a vollständig geöffnet. Auf diese Weise wird im Status S2 eine maximale Menge an Energie zurückgewonnen. Befindet sich das System 1 nach einer Phase des Bremsen oder der abgeschalteten Kraftstoffzufuhr wieder im Niedriglastbetrieb, wird das System 1 wieder in den Status S1 zurückgeführt. Befindet sich das System 1 nach einer Phase des Bremsen oder der abgeschalteten Kraftstoffzufuhr vorbei nicht weiter im Niedriglastbetrieb, z. B. in einen Volllastbetrieb, wird das System 1 in einen Status S3 überführt, in dem sowohl die Ventilposition des LPTWG 13a als auch des HPTWG 10a durch Steuerbefehle von der Steuereinrichtung 33 entsprechend der aktuellen Fahrsituation variiert werden. Wird in dieser Situation das Kraftfahrzeug wieder gebremst oder die Kraftstoffzufuhr abgeschaltet, wird das System 1 wieder in den Status S2 überführt. Gelangt das System 1 aus Status S3 in einen Niedriglastbetrieb, wird es in den Status S1 überführt. Aus Status S1 kann das System 1 auch in den Status S3 überführt werden, wenn aus einem Niedriglastbetrieb in einen anderen Betriebsmodus gewechselt wird (außer bei Bremsen und Abschalten der Kraftstoffzufuhr).
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Falls der elektrische Energiewandler 12b über ein Teilnetz 30 mit dem Hauptstromnetz 8 des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wie in 2 dargestellt, kann der DCDC-Wandler 32 so gesteuert werden, dass eine konstante Spannung im Hauptstromnetz vorhanden ist. Der DCDC-Wandler 32 kann auch gesteuert werden, um den Energiespeicher 31 des Teilnetzes 30 optimal zu entladen, um den Kraftstoffverbrauch und / oder die Abgasproduktion zu minimieren, den Ladezustand des Energiespeichers 31 im Teilnetz 30 oder den Ladezustand der Starter-Batterie 8b im Hauptstromnetz 8 bei einem Soll-Wert zu regeln, oder um die elektrische Funktionalität von elektrischen Lasten 8c im Hauptstromnetz 8 zu gewährleisten. Eine Steuerung eines Systems mit Haupt- und Teilstromnetz ist in 4 dargestellt. Zur Steuerung des elektrischen Energiewandlers 12b, des DCDC-Wandler und des zweiten Wastegate ist die Steuereinrichtung 33 vorgesehen, die auch als System-Manager 33 bezeichnet werden kann, der die Ladezustände der Starter-Batterie 8b und des elektrischen Energiespeichers 31 im Teilnetz 30, sowie den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors (Drehzahl und Drehmoment), die gemessenen Drücke im System, sowie die Stellung des ersten Wastegates 10a überwacht. Der Manager steuert den elektrischen Energiewandler 12b, den DCDC-Wandler 32 und das zweite Wastegate 13a, um die Kosten von Antriebsleistung und / oder der elektrischen Leistung zu minimieren.
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Zusätzlich kann durch den Systemmanager 33 eine Vorhersage der Fahrt über eine Prädiktionsperiode getroffen werden. In die Vorhersage fließen Daten des Navigations-Systems, GPS-Kartendaten, Telematik-Verkehrsdaten, und die aktuelle Geschwindigkeit, Gang und Fahrer-Steuerangaben ein. In dieser Ausführungsform wird die Menge von Kraftstoff oder die Menge von Abgas mittels der Steuereinrichtung 33 durch eine Optimierung der Steuerung von DCDC-Wandler 32, elektrischem Energiewandler 12b und zweitem Wastegate 13a minimiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Zylinder
- 4
- Ansaugkrümmer
- 5
- Abgaskrümmer
- 6
- Abgasleitung
- 7a
- erste Turbine
- 7b
- Kompressor
- 8
- Hauptstromnetz
- 8a
- Lichtmaschine
- 8b
- Starterbatterie
- 8c
- elektrische Lasten
- 9
- Ansaugleitung
- 10
- erste Bypassleitung
- 10a
- erstes Wastegate
- 11
- Abgasnachbehandlungsanlage
- 12a
- zweite Turbine
- 12b
- elektrischer Energiewandler
- 13
- zweite Bypassleitung
- 13a
- zweites Wastegate
- 14
- Abgasdrossel
- 15
- Abgasrückführung
- 16
- Ventil der Abgasrückführung
- 17
- Kühler der Abgasrückführung
- 18
- Ladeluftkühler
- 19
- Ansaugdrossel
- 20
- erster Druckmesspunkt
- 21
- zweiter Druckmesspunkt
- 22
- dritter Druckmesspunkt
- 23
- vierter Druckmesspunkt
- 24
- fünfter Druckmesspunkt
- 30
- Teilstromnetz
- 31
- Energiespeicher
- 32
- DCDC-Wandler
- 33
- Steuereinrichtung
