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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft aufgeladene Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit elektromotorischer Unterstützung.
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Technischer Hintergrund
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Heutige Verbrennungsmotoren werden in der Regel mit abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen, so genannten Abgasturboladern, versehen, die zur Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors Frischluft unter einem erhöhten Druck, dem so genannten Ladedruck, zur Verfügung stellen. Allgemein wandeln abgasgetriebene Aufladeeinrichtungen eine durch die Verbrennungsabgase bereitgestellte Abgasenthalpie in mechanische Energie um. Die mechanische Energie wird als Rotationsenergie bereitgestellt und zum Antreiben eines Verdichters verwendet. Der Verdichter saugt Umgebungsluft an und stellt diese in einem Ladedruckabschnitt des Luftzuführungssystems unter einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Ladedruck bereit.
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Wenn insbesondere bei geringen Drehzahlen bzw. Lasten des Verbrennungsmotors die Abgasenthalpie gering ist und daher nicht ausreicht, um einen nach einer Erhöhung der Lastanforderung benötigten Ladedruck bereitzustellen, sind Konzepte bekannt, die abgasgetriebene Aufladeeinrichtung mit einer elektromotorischen Unterstützung zu koppeln. Ein Elektroantrieb dient dann als Unterstützung für die Beschleunigung (Hochlauf) eines Verdichters der Aufladeeinrichtung durch Bereitstellen eines zusätzlichen Drehmomentes. Durch die Verwendung der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit elektromotorischer Unterstützung kann eine höhere Spontaneität erreicht werden, so dass bei sprunghaftem Erhöhen der Lastanforderung ein schnelleres Bereitstellen des geforderten Ladedrucks ermöglicht wird.
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Alternativ kann die Aufladung auch ganz oder zusätzlich durch einen rein elektrisch angetriebenen Verdichter bereitgestellt werden.
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Die Verwendung des elektrisch angetriebenen Verdichters bzw. der elektromotorischen Unterstützung der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung erlaubt allgemein eine leistungsorientierte Auslegung der Aufladung, die ganz oder teilweise von der bereitstehenden Menge an Abgasenthalpie entkoppelt sein kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind das Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem Verbrennungsmotor mit einem zumindest teilweise elektrisch betreibbaren Verdichter gemäß Anspruch 1 sowie die entsprechende Vorrichtung und das Antriebssystem 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 eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung und mit einem Elektroantrieb zum zumindest teilweisen Bereitstellen einer elektromotorisch bewirkten Aufladung durch einen Verdichter vorgesehen, wobei eine Verdichtungsleistung abhängig von einer vorgegebenen Abgasrückführungsrate bzw. ein vorgegebener Abgasrückführungsmassenstrom mithilfe einer Ansteuerung des Elektroantriebs bereitgestellt wird, um die vorgegebene Abgasrückführungsrate einzustellen.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, einen Elektroantrieb, der für die elektromotorische Unterstützung einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung oder zum Antrieb eines rein elektromotorisch betreibbaren Verdichters vorgesehen ist, zur Einstellung bzw. Regelung eines Saugrohrdrucks zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass ein Druckgefälle zwischen dem Luftzuführungssystem und dem Abgassystem eingestellt werden kann, durch das eine entsprechende gewünschte Abgasrückführungsrate einstellbar ist bzw. einfacher eingestellt werden kann.
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Um in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung eine Abgasrückführungsrate einzustellen, wird zwischen dem Abgassystem und einem Saugrohrabschnitt des Luftzuführungssystems ein Druckgefälle erzeugt, das sich aufgrund der aus der Verbrennung im Verbrennungsmotor resultierenden Differenzen zwischen dem Saugrohrdruck und dem Abgasgegendruck ergibt. Zur Einstellung der Abgasrückführungsrate, d.h. der Menge an rückgeführtem Verbrennungsabgas, wird üblicherweise eine Drosselklappe stromaufwärts des Saugrohrabschnitts vorgesehen, die soweit geschlossen wird, um die Menge an zugeführter Frischluft zu begrenzen und das gewünschte Druckgefälle für die Abgasrückführung einzustellen. Durch den Ansaugeffekt des Verbrennungsmotors werden dadurch Verbrennungsabgas über den Abgasrückführungspfad angesaugt, die sich mit der zugeführten Frischluft anteilig vermischen.
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Durch das Bereitstellen der Möglichkeit einer elektromotorisch bewirkten Aufladung besteht eine weitere Möglichkeit, durch variables Verdichten von Frischluft den Saugrohrdruck unabhängig von dem Vorhandensein einer Drosselklappe einzustellen. Dies ermöglicht es, gegebenenfalls auf das Vorsehen einer Drosselklappe im Zuführungssystem zu verzichten. Insbesondere kann die Verdichtungsleistung reduziert werden, um den Saugrohrdruck zu reduzieren. Bei einer elektrisch unterstützten abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung kann dies auch durch aktives Reduzieren der Drehzahl bzw. Abbremsen der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung erreicht werden.
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Weiterhin kann der Elektroantrieb generatorisch betrieben werden, um durch den Entzug von Strömungsenergie aus dem Frischluftmassenstrom (durch Umwandlung in elektrische Energie) diesem einen erhöhten Strömungswiderstand bereitzustellen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Elektroantrieb motorisch oder generatorisch betrieben wird, um einen Saugrohrdruck bereitzustellen, so dass die vorgegebene Abgasrückführungsrate bzw. der vorgegebene Abgasrückführungsmassenstrom eingestellt wird.
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Weiterhin kann als der Verdichter ein rein elektrisch betreibbarer Verdichter alternativ oder zusätzlich zu einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung verwendet werden, wobei der rein elektrisch betreibbare Verdichter durch den Elektroantrieb antreibbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Abgasrückführung durch eine Abgasrückführungsleitung mit einem darin angeordneten Abgasrückführungsventil vorgesehen sein, wobei der Elektroantrieb generatorisch betrieben wird, nur wenn die vorgegebene Abgasrückführungsrate bzw. der vorgegebene Abgasrückführungsmassenstrom nicht durch einen bestehenden Druckunterschied zwischen einem Abgassystem und einem Luftzuführungssystem des Verbrennungsmotors und das Abgasrückführungsventil einstellbar ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Abgasrückführung bei einer variablen Ventilverstellung der Einlass- und Auslassventile durch Vorsehen von Zeiten, während ein Einlassventil und ein Auslassventil an einem Zylinder gleichzeitig geöffnet sind, realisierbar sein, wobei der Elektroantrieb generatorisch betrieben wird, nur wenn die vorgegebene Abgasrückführungsrate bzw. der vorgegebene Abgasrückführungsmassenstrom nicht durch einen bestehenden Druckunterschied zwischen einem Abgassystem und einem Luftzuführungssystem des Verbrennungsmotors und das Abgasrückführungsventil einstellbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung und mit einem Elektroantrieb zum zumindest teilweisen Bereitstellen einer elektromotorisch bewirkten Aufladung durch einen Verdichter vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um eine Verdichtungsleistung abhängig von einer vorgegebenen Abgasrückführungsrate bzw. ein vorgegebener Abgasrückführungsmassenstrom mithilfe einer Ansteuerung des Elektroantriebs bereitzustellen, so dass eine Abgasrückführungsrate eingestellt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, das einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung, einen rein elektrisch betreibbaren Verdichter mit einem Elektroantrieb oder einen Laderverdichter einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung, der mit einem Unterstützungsantrieb gekoppelt ist; und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
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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 einer elektromotorisch betreibbaren Unterstützung des Verdichters; und
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3 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der eine Anzahl von (im vorliegenden Beispiel vier) Zylindern 3 aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beispielhaft 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. Verbrennungsabgas wird 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 Laderverdichter 62 im Luftzuführungssystem 4 aufweist. Die Turbine 61 ist mit dem Laderverdichter 62 mechanisch, z.B. über eine Welle 64 gekoppelt, so dass Abgasenthalpie, die in der Turbine 61 in mechanische Energie umgesetzt wird, zur Verdichtung von aus der Umgebung entnommener Umgebungsluft in dem Laderverdichter 62 verwendet wird. Die Menge bzw. der Anteil an in mechanische Energie umgesetzter Abgasenthalpie kann durch einen an oder in der Turbine 61 angeordneten Ladersteller 63 variabel eingestellt werden.
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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 in der gezeigten Ausführungsform aus den Verdichtungsleistungen des Laderverdichters 62 und des zusätzlichen rein elektrisch betreibbaren Verdichters 8. Der elektrisch betreibbare Verdichter 8 weist dazu einen Elektroantrieb 81 auf, der mit einer entsprechenden Verdichtungseinheit 82, z.B. einem Verdichterrad, gekoppelt ist.
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Der Ladeluftabschnitt 41 kann durch eine Drosselklappe 9 stromabwärts begrenzt werden. Zwischen der Drosselklappe 9 und Einlassventilen (nicht gezeigt) der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 befindet sich ein Saugrohrabschnitt 42 des Luftzuführungssystems 4. In einer alternativen Ausführungsform kann der Ladeluftkühler 7 auch stromabwärts der Drosselklappe 9 angeordnet sein.
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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, kann eine Abgasrückführungsleitung 10 in den Saugrohrabschnitt 42 führen. In der Abgasrückführungsleitung 10 kann ein Abgasrückführungsventil 11 angeordnet sein, um die Höhe des rückgeführten Abgasmassenstroms einstellen zu können. In der Abgasrückführungsleitung 10 kann weiterhin ein (nicht gezeigter) Abgaskühler angeordnet sein, um die Temperatur des rückgeführten Abgases zu reduzieren. Anstelle der durch die Abgasrückführungsleitung 10 realisierten Abgasrückführung kann auch durch einen variablen Ventiltrieb für die Einlass- und Auslassventile realisiert werden. Eine Abgasrückführung ergibt sich durch Öffnen des Einlassventils bei noch geöffnetem Auslassventil, so dass durch den Unterdruck im Saugrohrabschnitt 42 Verbrennungsabgas aus dem Abgassystem in die betreffenden Zylinder eingesaugt werden, um dort die gewünschte Menge an Verbrennungsabgas vorzusehen.
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Grundsätzlich ist im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 2 der Abgasdruck im Abgassystem 5 größer als der Saugrohrdruck im Saugrohrabschnitt 42 des Luftzuführungssystems 4. Dieses Druckgefälle wird normalerweise für die kontrollierte Abgasrückführung von der Auslassseite des Verbrennungsmotors 2 zu dessen Einlassseite genutzt.
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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, des Laderstellers 63, des Abgasrückführungsventils 11, von Kraftstoffeinspritzventilen zur Vorgabe der Menge an eingespritztem Kraftstoff (nicht gezeigt) und dergleichen entsprechend eines momentanen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2 und entsprechend einer Vorgabe, beispielsweise einem Fahrerwunschmoment, betreibt.
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In einer alternativen Ausführungsform weist das Motorsystem 1 keine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung 6 auf, sondern nur den elektrisch betreibbaren Verdichter 8.
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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 rein elektrisch betreibbarer Verdichter 8 vorgesehen. Stattdessen ist eine Unterstützung der Verdichtung durch den Laderverdichter 62 mithilfe eines Unterstützungsantriebs 65 (als Elektroantrieb) in der Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen. Der Unterstützungsantrieb 65 kann zusätzliche mechanische Energie über die mechanische Kopplung zwischen der Turbine 61 und dem Laderverdichter 62 einbringen, so dass der Laderverdichter 62 auch unabhängig von von der Turbine 61 bereitgestellter mechanischer Energie betrieben werden kann. In der Ausführungsform der 2 ist der elektrisch betreibbare Verdichter aus dem Unterstützungsantrieb 65 und dem Laderverdichter 62 gebildet.
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Durch die Kopplung des elektrisch betreibbaren Verdichters 8 oder des Laderverdichters 62 mit einem Elektroantrieb kann in dem Verdichter gewonnene mechanische Energie generatorisch in elektrische Energie umgewandelt werden. Der elektrisch betreibbare Verdichter 8 oder der Laderverdichter 62 der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung 6 mit dem gekoppelten Unterstützungsantrieb 65 kann abhängig von einem Betriebszustand des Motorsystems 1 in einem Rekuperationsbetrieb betrieben werden. Ein Rekuperationsbetrieb kann für verschiedene Betriebszustände erreicht werden.
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Durch den Rekuperationsbetrieb ist es möglich, einen durch die negative Druckdifferenz zwischen einer Ausgangsseite und einer Eingangsseite des elektrisch betreibbaren Verdichters 8 oder des Laderverdichters 62 angesaugten Luftmassenstrom zum Antrieb des elektrisch betreibbaren Verdichters 8 zu nutzen und die entstehende mechanische Energie in elektrische Energie umzusetzen.
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Betriebszustände des Motorsystems 1, bei denen der Rekuperationsbetrieb eingenommen werden kann, umfassen allgemein solche Betriebszustände, bei denen der Ladedruck relativ schnell abgebaut werden soll bzw. bei denen normalerweise eine deutliche Drosselung durch ein Schließen der Drosselklappe 9 erfolgt.
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Um in der Ausführungsform der 1 den Rekuperationsbetrieb einzustellen, sollte der Laderverdichter 62 im Wesentlichen antriebslos sein, was beispielsweise erreicht werden kann, indem der Ladersteller 63 so eingestellt wird, dass keine Abgasenthalpie im Laderverdichter 62 in mechanische Energie umgesetzt wird. In diesem Fall ist es möglich, den elektrisch betreibbaren Verdichter 8 so zu betreiben, dass dieser durch einen Frischluftmassenstrom aufgrund einer positiven Druckdifferenz zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite des elektrisch betreibbaren Verdichters 8 angetrieben wird.
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Der elektrisch betreibbare Verdichter 8 kann insbesondere als ein Verdichter ausgebildet sein, der nach dem Verdrängerprinzip arbeitet. Verdrängerverdichter können als sogenannte Spiral- oder Scrollverdichter ausgeführt sein, da diese einen besonders hohen Wirkungsgrad im Rekuperationsbetrieb aufweisen. Alternativ kann der elektrisch betreibbare Verdichter 8 auch ein Verdichter nach dem Strömungsprinzip sein, der jedoch einen geringeren Wirkungsgrad im Rekuperationsbetrieb aufweist.
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Die Ausführungsform der 2 sieht vor, den Unterstützungsantrieb 65 an der mechanischen Kopplung, d.h. z.B. an der Welle 64 zwischen der Turbine 61 und dem Laderverdichter 62 vorzusehen, um aus elektrischer Energie gewonnene zusätzliche mechanische Energie zur Verdichtung der Ladeluft bereitzustellen.
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Durch Ausbilden des Laderverdichters 62 vorzugsweise als ein Verdichter, der nach einem Verdrängerprinzip arbeitet, kann in gleicher Weise wie oben für den elektrisch betreibbaren Verdichter 8 beschrieben der Laderverdichter 62 im Rekuperationsbetrieb betrieben werden. Insbesondere kann zusätzlich der Ladersteller 63 gestellt werden, so dass keine Abgasenthalpie in mechanische Energie in der Turbine 61 umgesetzt wird.
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Dadurch ist es, wie zuvor zur Ausführungsform der 1 beschrieben, möglich, einen Teil des aufgrund des Ansaugverhaltens des Verbrennungsmotors 2 resultierenden Frischluftmassenstroms in mechanische Energie zur Rekuperation von elektrischer Energie umzuwandeln.
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Mithilfe der 3 wird ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor mit einer elektrisch unterstützten Aufladung, wie beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt sind, beschrieben.
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Anstelle der Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 10 kann auch eine innermotorische Abgasrückführung vorgesehen sein, die durch eine variable Ventilsteuerung durch Vorsehen von Phasen mit gleichzeitig geöffneten Einlass- und Auslassventilen realisiert werden. Auch hier wird die Abgasrückführungsrate, d.h. die Menge an rückgeführtem Verbrennungsabgas, durch die Druckdifferenz zwischen dem Abgasgegendruck und dem Saugrohrdruck festgelegt.
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Im Schritt S1 werden von einem Motorsteuergerät eine gewünschte Abgasrückführungsrate oder ein Abgasrückführungsmassenstrom oder entsprechende Angaben hierfür vorgegeben. Die Vorgabe der Abgasrückführungsrate oder des Abgasrückführungsmassenstroms kann in an sich bekannter Weise erfolgen, um einen Ausstoß von Stickoxid im Verbrennungsabgas zu reduzieren. Die Abgasrückführungsrate gibt die Menge an rückgeführtem Verbrennungsabgas z.B. als Abgasrückführungsmassenstrom im Verhältnis zu einem zugeführten Frischluftmassenstrom an.
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Im Schritt S2 wird überprüft, ob selbst bei vollständig geöffnetem Abgasrückführungsventil die Druckdifferenz zwischen dem Abgasgegendruck und dem Saugrohrdruck ausreicht, einen benötigten Abgasmassenstrom zum Erreichen der Abgasrückführungsrate einzustellen. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird in Schritt S3 die Abgasrückführungsrate im Wesentlichen durch das Abgasrückführungsventil eingestellt, wenn der sich aufgrund der Druckdifferenz einstellbare Abgasmassenstrom höher ist als der einzustellende Abgasmassenstrom.
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Ist die Druckdifferenz nicht ausreichend (Alternative: Nein), so muss der Frischluftmassenstrom, der über den Laderverdichter 62 bzw. den Verdichter 8 der Aufladeeinrichtung 6 bereitgestellt wird, reduziert werden, so dass aufgrund des Saugverhaltens des Verbrennungsmotors 2 der Saugrohrdruck absinkt, um so die Druckdifferenz durch ein Absenken des Saugrohrdrucks einzustellen.
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Der Frischluftmassenstrom kann verringert werden, indem die gesamte Verdichtungsleistung durch den Laderverdichter 62 oder die Verdichtungseinheit 82 des rein elektrisch betreibbaren Verdichters 8 reduziert wird. Insbesondere kann bei der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung 6 die Drehzahl des Laderverdichters 62 gedrosselt werden, indem die Welle 64 aktiv durch den Elektroantrieb 65 gebremst wird. Dies kann beispielsweise durch einen generatorischen Betrieb des Elektroantriebs erfolgen. Alternativ kann die Verdichtungsleistung des rein elektrisch betreibbaren Verdichters 8 reduziert werden oder dieser generatorisch (rekuperativ) betrieben werden, um einen zusätzlichen Widerstand für den Frischluftmassenstrom bereitzustellen.
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So kann der Rekuperationbetrieb (generatorischer Betrieb des Elektroantriebs) eingenommen werden, wenn der Betrag des Gradienten des Soll-Ladedrucks bzw. des Soll-Saugrohrdrucks, der sich aus der einzustellenden Abgasrückführungsrate ergibt und der einen entsprechenden Abfall des Soll-Ladedrucks bzw. Soll-Saugrohrdrucks kennzeichnet, einen vorgegeben Gradientenschwellenwert übersteigt.
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Auf diese Weise kann schnell die Verdichtungsleistung reduziert werden, um den Saugrohrdruck im Saugrohrabschnitt 42 entsprechend so zu senken, dass sich die gewünschte vorgegebene Abgasrückführungsrate einstellen lässt.
