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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, den 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 Elektromotor 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 einem Elektroantrieb zum zumindest teilweisen Bereitstellen einer elektromotorisch bewirkten Aufladung durch einen Verdichter vorgesehen, wobei der Elektroantrieb durch Nutzung einer Druckdifferenz über dem Verdichter generatorisch betrieben wird, wenn eine vorbestimmte Betriebsart des Motorsystems festgestellt wird, um elektrische Energie zu rekuperieren.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, einen Elektromotor, der für die elektromotorische Unterstützung einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung oder in einem rein elektromotorisch betreibbaren Verdichter vorgesehen ist, im Rekuperationsbetrieb zu betreiben. Auf diese Weise kann ein Teil der Energie, die dem Gasmassenstrom ansonsten durch Drosseln (z.B. mithilfe einer Drosselklappe) entzogen wird, über einen Umkehrbetrieb des Verdichters zurückgewonnen werden und dadurch der Wirkungsgrad des gesamten Motorsystems gesteigert werden. Insbesondere kann der Elektromotor im Rekuperationsbetrieb betrieben werden, wenn das Motorsystem in einer bestimmten Betriebsart betrieben wird.
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Weiterhin kann der generatorische Betrieb des Elektroantriebs eine Umsetzung eines aufgrund der negativen Druckdifferenz zwischen einer Ausgangsseite und einer Eingangsseite des Verdichters angesaugten Luftmassenstroms in eine rekuperierbare mechanische Energie durch den Verdichter entsprechend einem Rekuperationsbetrieb umfassen.
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Insbesondere kann als der Verdichter ein Laderverdichter in einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung verwendet werden, wobei der Elektroantrieb einen mit einer mechanischen Kopplung zwischen einer Turbine der Aufladeeinrichtung und dem Laderverdichter verbundenen Unterstützungsantrieb umfasst.
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Alternativ kann als der Verdichter ein rein elektrisch betreibbarer Verdichter alternativ oder zusätzlich zu dem Laderverdichter der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung verwendet werden, wobei der rein elektrisch betreibbare Verdichter einen Elektroantrieb umfasst.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine vorbestimmte Betriebsart die Betriebsart umfasst, bei der während eines Regenerationsbetriebs eines Dieselpartikelfilters im Abgassystem die Zylinderfüllung reduziert wird, wobei der Rekuperationsbetrieb des Verdichters zur Drosselung des angesaugten Luftmassenstroms verwendet wird. Bei dem Regenerationsbetrieb des Dieselpartikelfilters wird die Zylinderfüllung reduziert und damit die Auslasstemperatur von Verbrennungsabgasen erhöht, so dass der Regenerationsprozess des Dieselpartikelfilters in Gang gesetzt werden kann. Anstelle der Drosselung durch die Drosselklappe kann eine Drosselung durch einen Rekuperationsbetrieb (Expansionsbetrieb) des Verdichters eingestellt werden, so dass ein Teil der ansonsten durch die Drosselung verloren gehenden Energie zurückgewonnen werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die mindestens eine vorbestimmte Betriebsart die Betriebsart eines niederlastigen befeuerten Betriebs des Verbrennungsmotors umfassen, wobei der Luftmassenstrom in den Verbrennungsmotor gedrosselt wird, indem der Verdichter im Rekuperationsbetrieb betrieben wird. Bei der Betriebsart eines niederlastigen befeuerten Betriebs des Dieselmotors findet eine Verbrennung in den Zylindern mit einem hohen Sauerstoffüberschuss statt, beispielsweise bei λ > 3. In einer solchen Betriebsart kann die Luftfüllung des Verbrennungsmotors und damit der Sauerstoffüberschuss reduziert werden. Die dazu benötigte Androsselung des Luftmassenstroms kann durch den Rekuperationsbetrieb des Elektromotors bewirkt werden, so dass elektrische Energie zurückgewonnen werden kann. Zusätzlich kann dank eines erhöhten Wirkungsgrades von Abgasnachbehandlungskomponenten bei einem daraus resultierenden erhöhten Temperaturniveau eine Beibehaltung oder sogar Reduzierung des Stickoxidniveaus bzw. des Niveaus des Ausstoßes von Partikelemissionen erreicht werden.
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Während schneller negativer Lastgradienten kann durch den Abbau eines erhöhten Ladedrucks in zur Ansaugrichtung des Verbrennungsmotors entgegengesetzter Richtung durch den Verdichter schneller ein niedrigerer Ladedruck eingestellt werden und dabei gleichzeitig elektrische Energie rekuperiert werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine Drosselung des Luftmassenstroms in dem Verbrennungsmotor für alle Betriebsarten durch Einnahme des Rekuperationsbetriebs durchgeführt wird. Dadurch besteht die Möglichkeit, eine elektromotorische Unterstützung einer Aufladeeinrichtung im Umkehrbetrieb zur Rekuperation von elektrischer Energie zu betreiben. Es kann also auf das Vorsehen einer Drosselklappe zum Drosseln eines Frischluftmassenstroms in dem Verbrennungsmotor verzichtet werden und durch einen einfachen On-Off-Steller ersetzt werden, wodurch die Kosten des Gesamtsystems reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um einen Elektroantrieb zum zumindest teilweisen Bereitstellen einer elektromotorisch bewirkten Aufladung durch einen Verdichter durch Nutzung einer Druckdifferenz über dem Verdichter generatorisch zu betreiben, wenn eine vorbestimmte Betriebsart des Motorsystems festgestellt wird, um elektrische Energie zu rekuperieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
- – einen Verbrennungsmotor;
- – einen rein elektrisch betreibbaren Verdichter mit einem Elektroantrieb oder einen Laderverdichter einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung, der mit einem Unterstützungsantrieb gekoppelt ist
- – die obige Vorrichtung.
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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 gekoppelt ist.
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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. 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.
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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 die 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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Im Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob eine Betriebsart des Motorsystems 1, 1‘ vorliegt, bei dem ein elektrisch betreibbarer Verdichter 8 bzw. der Laderverdichter 62 mit elektromotorischer Unterstützung im Rekuperationsbetrieb betrieben werden kann.
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Wird eine solche Betriebsart festgestellt (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt. Anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S2 wird eine elektrische Ansteuerung zum motorischen Betrieb des Elektroantriebs 81 des elektrisch betreibbaren Verdichters 8 bzw. des Unterstützungsantriebs 65 beendet und eine Druckdifferenz über den elektrisch betreibbaren Verdichter 8 bzw. über den Laderverdichter 62 zum externen Antreiben des Unterstützungsantriebs 65 genutzt. Gleichzeitig wird der elektrisch betreibbare Verdichter 8 bzw. der Unterstützungsantrieb 65 generatorisch betrieben, um so elektrische Energie zurückzugewinnen.
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Das Verfahren wird zyklisch ausgeführt, um bei einem Wechsel der Betriebsart den generatorischen Betrieb ggfs. umgehend wieder zu beenden.
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Mögliche Betriebsarten, die einen Rekuperationsbetrieb des elektrisch betreibbaren Verdichters 8 bzw. des Laderverdichters 62 mit dem elektrischen Unterstützungsantrieb 65 ermöglichen, können sein:
- – Während des Regenerationsbetriebs des Dieselpartikelfilters wird üblicherweise der Frischluftmassenstrom durch Schließen der Drosselklappe 9 gedrosselt, um die Zylinderfüllung zu reduzieren. Damit wird die Auslasstemperatur von Verbrennungsabgasen des Verbrennungsmotors erhöht, wodurch ein Regenerationsprozess im Dieselpartikelfilter ermöglicht wird. Die Drosselung kann anstelle mit Hilfe der Drosselklappe 9 auch ganz oder teilweise mit Hilfe des elektrisch betreibbaren Verdichters 8 bzw. des Laderverdichters 62 mit dem elektrischen Unterstützungsantrieb 65 vorgenommen werden, indem dieser im Rekuperationsbetrieb betrieben wird. Dadurch kann ein Teil der ansonsten durch die Drosselung der Drosselklappe 9 verloren gehenden Energie zurückgewonnen werden.
- – Eine weitere der Betriebsarten sieht eine Betriebsart vor, bei der ein hoher Sauerstoffüberschuss in den Zylindern vorherrscht, wie es z.B. bei Betriebspunkten mit niedriger Last der Fall ist. In einer solchen Betriebsart kann der Sauerstoffüberschuss reduziert werden, indem der elektrisch betreibbare Verdichter 8 bzw. der Laderverdichter 62 im Rekuperationsbetrieb betrieben wird, so dass der Frischluftmassenstrom gedrosselt wird. Dadurch kann einerseits elektrische Energie gewonnen werden und andererseits dank eines erhöhten Wirkungsgrads von Abgasnachbehandlungskomponenten aufgrund des nun erhöhten Temperaturniveaus eine Beibehaltung oder sogar Reduzierung des Stickoxids bzw. Partikelemissionen erreicht werden.
- – Weiterhin kann ein Ladedruck bei einem schnellen negativen Lastgradienten schneller abgebaut werden, indem der elektrisch betreibbare Verdichter 8 bzw. der Laderverdichter 62 mit dem elektrischen Unterstützungsantrieb 65 im Rekuperationsbetrieb betrieben wird, um so einen Druckunterschied durch einen erhöhten Ladedruck in Richtung des dazu niedrigeren Umgebungsdrucks abzubauen.
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Insbesondere kann das Motorsystem 1, 1‘ ohne eine Drosselklappe vorgesehen sein. Stattdessen kann eine Drosselung des Frischluftmassenstroms vollständig mit Hilfe des elektrisch betreibbaren Verdichters 8 bzw. des Laderverdichters 62 mit dem elektrischen Unterstützungsantrieb 65 vorgesehen sein.
