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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems, sowie ein Motorsystem.
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Insbesondere betrifft die Erfindung ein Motorsystem, in welchem im Einlasskanal bzw. Ansaugkrümmer ein Drosselklappenturbinengenerator angeordnet ist.
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Ein solcher Drosselklappenturbinengenerator wird verwendet, um im Bereich einer Drosselklappe auftretende Energieverluste über eine Umwandlung in elektrische Energie zu nutzen. Hierzu kann während eines Betriebs des Motorsystems unter Teillast, d.h. im gedrosselten Betrieb, der Luftstrom über eine Bypass-Leitung zu einer an einen Generator gekoppelten Turbine geführt werden.
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Aus
DE 10 2012 218 259 A1 ist u.a. ein Motorsystem bekannt, wobei eine in einem Drosselklappenbypass angeordnete Turbine zum Antrieb eines Zusatzgenerators bzw. Turbinengenerators vorgesehen ist, und wobei eine Steuerung dazu konfiguriert ist, den Ladezustand der Batterie zu identifizieren und die Batterie mit dem Primärgenerator und/oder dem Zusatzgenerator auf Grundlage des Ladezustands der Batterie und eines Betriebszustands zu laden.
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Aus der
DE 198 06 048 A1 ist es bekannt, elektrische Energie für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz von einem Verbrennungsmotor sowohl mittels eines konventionellen, an eine Motorabtriebswelle angekoppelten Generators als auch mittels eines Abgasgenerators zu erzeugen, welcher thermoelektrisch oder gaskinetisch arbeitet. Die Verknüpfung mit dem Bordnetz erfolgt durch selektive Aktivierung eines oder beider Generatoren mittels einer Steuereinrichtung.
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Zum Weiteren Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf
US 5,544,484 ,
WO 2013/163128 A1 und
WO 2011/156056 A2 verwiesen.
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Ein in der Praxis auftretendes Problem ist, dass es sich bei dem Drosselklappenturbinengenerator um eine Leistungsquelle (und nicht wie im Falle des Primärgenerators bzw. der Lichtmaschine um eine Spannungsquelle) handelt, wobei die im Betrieb jeweils erzeugte elektrische Leistung weder konstant noch exakt vorhersagbar ist, da die Fahrbedingungen und somit auch die Drehmomentanforderungen je nach Verkehrssituation variieren. Dies führt dazu, dass auch die im Einlasskanal des Motorsystems zur Verfügung stehende Luftströmung und somit die bereitgestellte elektrische Energie veränderlich sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems sowie ein Motorsystem bereitzustellen, welche eine möglichst effektive Nutzung von im gedrosselten Betrieb des Motorsystems auftretenden Energieverlusten ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. das Motorsystem gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 5 gelöst.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems eines Fahrzeugs, wobei das Motorsystem einen Primärgenerator und einen Drosselklappenturbinengenerator aufweist, wird der Primärgenerator mit einem ersten Ladespannungs-Sollwert betrieben, und der Drosselklappenturbinengenerator wird mit einem zweiten Ladespannungs-Sollwert betrieben, wobei der zweite Ladespannungs-Sollwert größer ist als der erste Ladespannungs-Sollwert.
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Gemäß einer Ausführungsform entspricht in einem ersten Betriebsmodus der erste Ladespannungs-Sollwert der sich einstellenden Bordnetzspannung, und in einem zweiten Betriebsmodus entspricht der zweite Ladespannungs-Sollwert der sich einstellenden Bordnetzspannung.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Motorsystem in dem zweiten Betriebsmodus betrieben, wenn eine vom Drosselklappenturbinengenerator bereitstellbare elektrische Energie größer als oder gleich einem auf Seiten sämtlicher elektrischer Verbraucher im Fahrzeug vorhandener Bedarf an elektrischer Energie ist.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Motorsystem in dem ersten Betriebsmodus betrieben, wenn eine vom Drosselklappenturbinengenerator bereitstellbare elektrische Energie kleiner als ein auf Seiten sämtlicher elektrischer Verbraucher im Fahrzeug vorhandener Bedarf an elektrischer Energie ist.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Motorsystem eines Fahrzeugs, wobei das Motorsystem einen Primärgenerator und einen Drosselklappenturbinengenerator aufweist, wobei das Motorsystem dazu konfiguriert ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen durchzuführen. Zu Vorteilen sowie vorteilhaften Ausgestaltungen des Motorsystems wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen
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Die Erfindung geht zunächst von dem Prinzip aus, die zusätzlich aufgrund des Drosselklappenturbinengenerators bereitgestellte elektrische Energie zur Versorgung elektrischer Verbraucher (wie z.B. Radio, Sitzheizung, Gebläse etc.) zu nutzen und so aufgrund der hiermit einhergehenden Entlastung des Primärgenerators bzw. der Lichtmaschine die Kraftstoffökonomie des Motorsystems zu verbessern. Hierzu wird die elektrische Spannung des Drosselklappenturbinengenerators bzw. des TLR-Systems (TLR = "Throttle Loss Recovery") entsprechend geregelt bzw. an die Spannungsregelung des Primärgenerators (d.h. der Lichtmaschine) angepasst. Zugleich sollte hierbei sichergestellt werden, dass die elektrische Energie nach Möglichkeit bzw. vorzugsweise durch den Drosselklappenturbinengenerator bzw. das TLR-System bereitgestellt wird.
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Grundsätzlich wird erfindungsgemäß dem Primärgenerator (d.h. der Lichtmaschine) ein Ladespannungs-Sollwert basierend auf der Batterietemperatur, dem Batterieladezustand oder gegebenenfalls auch auf Basis einer intelligenten Laderegelung, bei der der Generatorspannungssollwert berechnet und geregelt wird, vorgegeben. Bei der intelligenten Laderegelung kann die Ladespannung des Generators im Falle einer Fahrzeugverzögerung angehoben und im Falle einer Fahrzeugbeschleunigung abgesenkt werden.
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Des Weiteren wird das TLR-System bzw. der Drosselklappenturbinengenerator mit einem Ladespannungs-Sollwert betrieben, welcher größer ist als der erste Ladespannungs-Sollwert des Primärgenerators. Folglich erhält das TLR-System gegenüber dem Primärgenerator in Betriebsphasen, in denen er zur Versorgung sämtlicher elektrischer Verbraucher in der Lage ist, automatisch Vorrang bzw. eine höhere Priorität, da der Primärgenerator bzw. die Lichtmaschine dann bei geringerer Spannung betrieben wird und somit lediglich eine Auffangquelle darstellt.
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In Betriebsphasen, in denen das TLR-System weniger leistungsfähig ist und deshalb nicht zur Bereitstellung der gesamten elektrischen Last bzw. zur Versorgung sämtlicher elektrischer Verbraucher in der Lage ist, stellt sich hingegen die Bordnetzspannung entsprechend dem Niveau des Primärgenerators ein, da das TLR-System in diesen Betriebsphasen nicht imstande ist, das höhere Niveau der Bordnetzspannung entsprechend dem hohen Ladespannungs-Sollwert zu halten, so dass die sich einstellende Bordnetzspannung auf das Niveau der Generatorspannung des Primärgenerators abfällt.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Motorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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2 ein Diagramm zur Erläuterung eines möglichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt in schematischer Darstellung den möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Motorsystems 1.
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Gemäß 1 befindet sich im Einlasskanal eines Motors 10 eine Drosselklappe 11. Das Motorsystem 1 weist einen Drosselklappenturbinengenerator 20 auf, um die beim Drosseln von Motoreinlassluft anfallende, ohne einen solchen Drosselklappenturbinengenerator 20 verlorengehende Energie zu nutzen.
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Über eine Steuerung 30 kann die Drosselklappenstellung der Drosselklappe 11 geändert werden, um die den Zylindern des Motors 10 zugeführte Einlassluftmenge zu variieren. Des Weiteren kann die Einlassluft über einen Drosselklappenbypass 15 in Abhängigkeit von der Stellung eines Drosselklappenbypassventils 21 einer Turbine 22 zugeführt werden, welche wiederum einen Turbinengenerator bzw. Zusatzgenerator 23 antreibt. Einer Batterie 50 kann sowohl Strom von dem Zusatzgenerator 23 als auch von einem Primärgenerator (Lichtmaschine) 40 zugeführt werden.
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2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines möglichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausführungsform.
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Gemäß 2 ist die Kurve für die Generatorspannung des Primärgenerators 40 mit "A" bezeichnet, wohingegen die Kurve für die Spannung des TLR-Systems bzw. des Drosselklappenturbinengenerators 20 mit "B" bezeichnet ist. Mit "C" (gestrichelt) ist die Kurve für die sich einstellende Bordnetzspannung bezeichnet.
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Wie aus 2 ersichtlich werden die Generatorspannung des Primärgenerators 40 und die Spannung des TLR-Systems bzw. des Drosselklappenturbinengenerators 20 auf unterschiedlichen Niveaus gehalten. Dabei wird an den Drosselklappenturbinengenerator 20 jeweils ein konstanter Wert basierend auf der Batterietemperatur übertragen. Dieser Spannungssollwert wird entsprechend der üblichen Ladestrategie gewählt, bei welcher die Batterie 50 auf Basis eines temperaturbasieren Spannungssollwertes konstant geladen wird. Des Weiteren erfolgt im Betrieb des Motorsystems 1 gemäß 2 die Berechnung und Regelung des Spannungssollwertes für den Primärgenerator 40 auf Basis des Batterieladezustandes (SOC) der Batterie 50, der Batterietemperatur sowie des jeweils aktuellen Wirkungsgrades des Motors 10.
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In den Betriebsphasen "II", innerhalb derer die vom TLR-System bzw. dem Drosselklappenturbinengenerator 20 bereitgestellte elektrische Energie zur Versorgung sämtlicher elektrischer Verbraucher ausreicht, erhält automatisch gemäß 2 aufgrund der jeweils getroffenen Wahl der Spannungssollwerte das TLR-System bzw. der Drosselklappenturbinengenerator 20 effektiv Vorrang gegenüber dem Primärgenerator 40. In diesen Betriebsphasen "II" dient der Primärgenerator 40 somit lediglich als Auffangquelle.
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In den mit "I" bezeichneten Betriebsphasen ist hingegen die von dem TLR-System bzw. dem Drosselklappenturbinengenerator 20 bereitgestellte elektrische Energie vergleichsweise gering und reicht nicht zur Versorgung sämtlicher elektrischer Verbraucher aus. In diesen mit "I" bezeichneten Betriebsphasen fällt deshalb die sich einstellende Bordnetzspannung auf das Niveau der Generatorspannung des Primärgenerators 40 ab.
