-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems für einen aufgeladenen Verbrennungsmotor.
-
Stand der Technik
-
Um die Effizienz und Leistung eines Verbrennungsmotors bei vorgegebenem Bauvolumen zu erhöhen, wird der Ladedruck der dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft mit einem Verdichter erhöht. Hierfür kommen insbesondere Turbolader zum Einsatz, die durch den vom Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstrom angetrieben werden.
-
Der von einem Abgasturbolader gelieferte Ladedruck reagiert vergleichsweise träge auf Lastwechsel (sogenanntes „Turboloch“). Weiterhin sind moderne Motoren mit einer Abgasrückführleitung ausgestattet, die der komprimierten Luft Abgas unter Hochdruck beimischen, um den Sauerstoffgehalt der Luft zu senken und die Bildung von Stickoxiden (NOx) im Verbrennungsmotor zu reduzieren. Um die geforderte Stoffmenge (Füllung) des Abgases zusätzlich in die Zylinder des Verbrennungsmotors einbringen zu können, wird ein noch höherer Ladedruck benötigt.
-
Um sowohl das „Turboloch“ auszugleichen als auch den Ladedruck noch weiter zu steigern, ist es bekannt, den Abgasturbolader mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter zu ergänzen. Entsprechende Systeme sind beispielsweise aus der
DE 103 02 453 A1 , aus der
EP 1 440 231 B1 , aus der
EP 1 549 855 B1 und aus der
WO 2005/026 512 A1 bekannt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems für einen Verbrennungsmotor entwickelt. Dieses Luftsystem weist einen elektrisch angetriebenen Verdichter sowie eine durch mindestens ein Rückführventil absperrbare Rückführleitung auf. Die Rückführleitung ist zwecks Rückführung eines Abgasstroms von der Abgasseite des Verbrennungsmotors in den von dem Verdichter komprimierten Luftstrom geführt. Der Verdichter ist bezüglich seines Typs nicht eingeschränkt. Es sind sowohl Strömungsmaschinen als auch Verdrängermaschinen, etwa Spiral- oder Scrollverdichter, verwendbar.
-
Erfindungsgemäß wird der komprimierte Luftstrom durch Öffnen oder Geöffnethalten des Rückführventils zumindest teilweise unter Umgehung des Verbrennungsmotors auf die Abgasseite des Verbrennungsmotors geführt.
-
Es wurde erkannt, dass die Rückführleitung und das Rückführventil, die nach dem bisherigen Stand der Technik lediglich zur Verbesserung der Umwelteigenschaften des Verbrennungsmotors in der Richtung von der Abgasseite zum komprimierten Luftstrom genutzt wurde, sich auch in der entgegengesetzten Richtung nutzen lässt. Dadurch kann überraschenderweise der Betrieb des Verdichters optimiert werden. Weiterhin kann der Verbrennungsmotor schneller und komfortabler gestartet werden, und er kann schneller seine volle Leistung abrufen.
-
Die wichtigsten Kenngrößen für den Betrieb eines Verdichters sind der geförderte Massenstrom dm/dt und das Verhältnis des Drucks stromabwärts des Verdichters zum Druck stromaufwärts des Verdichters (Druckverhältnis Π). Die Nutzung der Rückführleitung in der entgegengesetzten Richtung ermöglicht es, unabhängig vom aktuellen Luftbedarf des Verbrennungsmotors das Druckverhältnis Π abzusenken und zugleich den geförderten Massenstrom dm/dt zu erhöhen: Der Druck hinter dem Verdichter wird entspannt, und zugleich wird der ausgangsseitig des Verdichters zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt erhöht.
-
Beide Maßnahmen wirken vorteilhaft dem sogenannten Verdichterpumpen, also einem Strömungsabriss im Verdichter, entgegen. Dieser instabile Betriebszustand, der zur Zerstörung des Verdichters führen kann, tritt bei einem im Verhältnis zum Druckverhältnis Π zu geringen Massenstrom dm/dt auf. Die neue Nutzung der Rückführleitung nimmt auf beide Größen gleichzeitig Einfluss. Somit kann die Ansteuerung des Rückführventils in der Rückführleitung dem Einsetzen des unerwünschten Pumpens besonders effektiv entgegenwirken. Das Rückführventil kann also als Pumpverhütungsventil für den Verdichter betrieben werden und hierbei ein bestehendes Pumpverhütungsventil ergänzen oder auch an dessen Stelle treten.
-
Dies gilt bereits in der einfachsten Ausführungsform, in der das Rückführventil nur zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand umschaltbar ist. In vielen Luftsystemen ist das Rückführventil zwecks Minimierung der NOx-Emissionen aber bereits auf Zwischenwerte zwischen vollständigem Schließen und vollständigem Öffnen einstellbar. Insoweit umfasst der Begriff des Öffnens des Rückführventils ausdrücklich nicht nur den Übergang vom vollständig geschlossenen zu einem geöffneten Zustand, sondern auch eine weitere Vergrößerung des Öffnungsquerschnitts ausgehend von einem bereits teilgeöffneten Zustand. Der Begriff des Geöffnethaltens beinhaltet dementsprechend auch die Beibehaltung eines teilgeöffneten Zustandes.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Rückführventil in einer Stillstandsphase des Verbrennungsmotors geöffnet oder geöffnet gehalten. Es wurde erkannt, dass der Verdichter zum einen in einer solchen Stillstandsphase besonders anfällig für den Übergang zum Pumpen ist, da kein relevanter Massenstrom dm/dt durch den Verbrennungsmotor hindurchtritt und sich zugleich vor ihm schnell ein Druck aufbauen kann. Zum anderen lässt sich überraschend vorteilhaft auch die Drehzahl des Verdichters vom Betriebzustand des Verbrennungsmotors entkoppeln.
-
So kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in der Stillstandsphase des Verbrennungsmotors zusätzlich der Verdichter in Betrieb gesetzt oder in Betrieb gehalten werden. Dadurch kann beispielsweise ein zu erwartender Motorstart oder auch ein zu erwartender Bedarf nach einer höheren Leistung antizipiert werden.
-
Beispielsweise kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bei einem Stopp des Verbrennungsmotors auf Anforderung einer Start-Stopp-Automatik der Verdichter in Betrieb gehalten werden, während das Rückführventil geöffnet oder geöffnet gehalten wird. Auf diese Weise wird zum einen der Wiederstart des Verbrennungsmotors beschleunigt, da der Verdichter seine Drehzahl beibehalten kann und zur erneuten Aufladung des Verbrennungsmotors lediglich das Rückführventil ganz oder teilweise zu schließen ist. Zum anderen werden sowohl die mechanische Belastung als auch die Belastung des Bordnetzes, die für ein erneutes schnelles Hochfahren des Verdichters erforderlich wären, eingespart. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit einer Start-Stopp-Automatik wichtig, da bei diesem Betrieb die Fahrzeugbatterie sehr häufig Höchstleistung für den Betrieb des Anlassers aufbringen muss.
-
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in Vorbereitung auf einen Start des Verbrennungsmotors der Verdichter bei geöffnetem Rückführventil in Betrieb gesetzt. Auf diese Weise kann der Verdichter schnellstmöglich auf seine Soll-Drehzahl und auf seinen Soll-Massenstrom dm/dt gebracht werden, ohne gegen einen zu großen Gegendruck fördern zu müssen. Somit entfernt sich ausgehend vom Stillstand des Verdichters sein Arbeitspunkt sofort von der Pumpgrenze. Wenn die Soll-Drehzahl des Verdichters erreicht ist, kann durch teilweises oder vollständiges Schließen des Rückführventils schnell das gewünschte Druckverhältnis für die Aufladung aufgebaut werden. Dabei bleibt zum einen ein maximaler Abstand zur Pumpgrenze gewahrt. Zum anderen wird der Motorstart beschleunigt.
-
Beispielsweise kann schon beim Einschalten des geschalteten Plus („Zündung“, Klemme 15) des Fahrzeugbordnetzes, das die Bestromung aller Verbraucher freigibt, der Verdichter in Betrieb gesetzt werden. Es kann dann weiterhin ein Timer vorgesehen sein, der überwacht, ob anschließend innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne tatsächlich ein Motorstart erfolgt. Erfolgt kein Motorstart, so kann der Verdichter wieder abgeschaltet werden. Auf diese Weise wird vermieden, dass der Verdichter unnötig Energie aus der Batterie entnimmt, wenn das geschaltete Plus nicht zum Losfahren eingeschaltet wurde, sondern beispielsweise nur zum Betrieb eines kleinen Verbrauchers über eine Bordnetzsteckdose. Werden beim Einschalten des geschalteten Plus zu viele für den Benutzer nicht unmittelbar wahrnehmbare elektrische Verbraucher aktiviert, wird deren Energiebedarf schnell unterschätzt, und ein späterer Motorstart scheitert möglicherweise an einer erschöpften Batterie.
-
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Ladedruck, und/oder der Gasmassenstrom, für den Verbrennungsmotor durch eine kombinierte Ansteuerung der Drehzahl des Verdichters und der Führung des komprimierten Luftstroms durch die Rückführleitung eingestellt. Insbesondere können Änderungen der Drehzahl des Verdichters, die im Vergleich zur Ansteuerung des Rückführventils deutlich mehr Zeit und auch deutlich mehr elektrische Energie benötigen, ganz oder teilweise durch eine Ansteuerung des Rückführventils ersetzt werden.
-
Ist der Verdichter ein Zusatzverdichter, der einem Abgasturbolader nachgeschaltet ist, so kann durch ein frühzeitiges Inbetriebsetzen des Verdichters in Vorbereitung auf einen Motorstart und den hierdurch bewirkten Massenstrom dm/dt auch der vorgeschaltete Abgasturbolader in Drehung versetzt werden. Nach dem Motorstart erreicht der Abgasturbolader dann schneller seine Soll-Drehzahl. Ebenso kann bei einem durch die Start-Stopp-Automatik angeforderten Stopp des Verbrennungsmotors durch einen Weiterbetrieb des Zusatzverdichters vermieden werden, dass sich die Drehzahl des Abgasturboladers vollständig abbaut. Indem somit der Abgasturbolader frühzeitig einen hohen Massenstrom dm/dt erhält, kann ihm, auch frühzeitig ein höherer Enthalpiestrom zur Verfügung gestellt werden, wodurch sein Ansprechverhalten verbessert wird und das „Turboloch“ verkleinert werden kann.
-
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann vorteilhaft in ein bestehendes Luftsystem für einen Verbrennungsmotor integriert werden, ohne dass hierfür Änderungen an der Hardware zwingend erforderlich wären. Das Verfahren lässt sich insbesondere teilweise oder sogar vollständig in der Software eines oder mehrerer Steuergeräte implementieren. Somit ist ein Add-On, das die Software um diese Funktionalität bereichert, ein eigenständig vermarktbares Produkt, das beispielsweise als Download angeboten und durch eine Werkstatt oder sogar vom Fahrzeugnutzer selbst über einen OBD-Stecker, USB-Stick, einen anderen Datenträger oder über eine Funkschnittstelle, wie etwa Bluetooth, eingespielt werden kann.
-
Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einem Steuergerät, ausgeführt werden, den Computer, und/oder das Steuergerät, dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
-
Figurenliste
-
Es zeigt:
- 1 Luftsystem 1 für einen Verbrennungsmotor 2 mit dem Eingriffpunkt für das Verfahren 100 gemäß der Erfindung;
- 2 Kennfeld eines Verdichters 3 mit Wirkung des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung.
-
Nach 1 wird Verbrennungsluft 11 für den Verbrennungsmotor 2 durch einen Luftfilter 51 in das Luftsystem 1 eingesaugt. Über den Blow-By-Anschluss 52 wird weiterhin diejenige Luft eingespeist, die im Verbrennungsmotor 2 aus dem Arbeitsräumen der Zylinder 21-24 entwichen ist und in der Rückleitung 26 gesammelt wurde. Die Luft 11 wird durch den Abgasturbolader 6 verdichtet, über einen Zwischenkühler 53 zum elektrisch angetriebenen Verdichter 3 geleitet und dort nachverdichtet. Der Arbeitspunkt des Abgasturboladers ist über einen VTG-Steller 6a, der die Geometrie der Turbine ändert, einstellbar („variable Turbinen-Geometrie“ = VTG). Durch das Öffnen eines Bypassventils 54 können der Zwischenkühler 53 und der Verdichter 3 im Bedarfsfall überbrückt werden.
-
Der vom Verdichter 3 komprimierte Luftstrom 3a wird über ein Drosselventil 55 und einen Ladeluftkühler 56 dem Saugrohr 20, und damit schließlich den Zylindern 21-24 des Verbrennungsmotors 2, zugeführt und dort verwendet, um den aus einem Kraftstoffrail 25 zugeführten Kraftstoff zu verbrennen. Das dabei entstehende Abgas 27 wird auf der Abgasseite 2a des Verbrennungsmotors 2 in einem Abgaskrümmer 57 gesammelt.
-
Die mit dem Rückführventil 5 steuerbare Rückführleitung 4 führt vom Abgaskrümmer 57 um den Verbrennungsmotor 2 herum zurück an einen Punkt zwischen dem Ladeluftkühler 56 und dem Verbrennungsmotor 2. In Schritt 110 des Verfahrens 100 wird Abgas 27 durch die Rückführleitung 4 geleitet und im Saugrohr 20 mit dem komprimierten Luftstrom 3a, der in den Verbrennungsmotor 2 geleitet wird, gemischt, um insgesamt das Sauerstoffangebot im Verbrennungsmotor 2 abzusenken.
-
Die Menge an in das Saugrohr 20 zurückgeführtem Abgas 27 wird primär über das Rückführventil 5 reguliert. Zusätzlich kann durch Anstellen der Drosselklappe 55 die Verbrennungsluft 11 angestaut und somit das Druckgefälle über die Rückführleitung 4 variiert werden, was wiederum die maximal mögliche Menge an rückgeführtem Abgas 27 erhöht.
-
Durch das Zusammenspiel des Rückführventils 5 mit der Drosselklappe 55 werden somit zur Laufzeit des Verbrennungsmotors 2 sowohl der Druck als auch die Zusammensetzung des dem Verbrennungsmotor 2 letztendlich über das Saugrohr 20 dargebotenen Gasgemisches eingestellt.
-
In Schritt 120 des Verfahrens 100 wird die Betriebsrichtung der Rückführleitung 4 umgekehrt, und der komprimierte Luftstrom 3a wird durch die Rückführleitung 4 in den Abgaskrümmer 57 geführt. Auf diese Weise wird der Luftstrom 3a zum einen entspannt, und zum anderen wird auch der Strömungswiderstand, den der Verbrennungsmotor 2 dem Luftstrom 3a entgegensetzt, überbrückt. In der Folge kann der Verdichter 3 eine hohe Drehzahl aufbauen bzw. halten, auch wenn der Verbrennungsmotor 2 nicht läuft. Somit muss beim Start des Verbrennungsmotors 2 nicht auf diesen Drehzahlaufbau gewartet werden. Der gewünschte Ladedruck steht schneller zur Verfügung. Der Start und das Anfahren werden beschleunigt und sind für den Fahrer komfortabler.
-
Der dem Verbrennungsmotor 2 insgesamt zugeführte Gasmassenstrom sowie der Ladedruck werden durch eine kombinierte Regelung des Rückführventils 5 und der Drehzahl des Verdichters 3 eingestellt. Beispielsweise kann bei gleichzeitig geschlossenem Bypassventil 54 der gewünschte Ladedruck eingestellt werden, während durch die Regelung des Rückführventils 5 der jeweils gewünschte Gasmassenstrom für den Verbrennungsmotor 2 eingeregelt werden kann.
-
Weiterhin wird das Rückführventil 5 auch als Pumpverhütungsventil für den Verdichter 3 verwendet.
-
Die Regelung ist in der Software eines Motorsteuergeräts implementiert, das in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet ist.
-
Aus dem Abgaskrümmer 57 wird das Abgas 27 durch den Abgasturbolader 6 geleitet und treibt diesen an. Anschließend wird das Abgas 27 in der Behandlungseinheit 58 nachbehandelt, so dass sein Schadstoffgehalt den geforderten Spezifikationen entspricht. Ein Teil des Abgases 27 wird durch einen Kühler 60 abgekühlt und gesteuert durch ein Ventil 61 auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers 6 der Verbrennungsluft 11 beigemischt, wobeio der Kühler 60 bei Bedarf durch Öffnen eines Bypass-Ventils 59 umgegangen werden kann. Das in 1 gezeigte Luftsystem enthält somit sowohl eine Hochdruck-Abgasrückführung, die unmittelbar auf der Abgasseite 2a des Verbrennungsmotors 2 angeordnet ist, als auch eine Niederdruck-Abgasrückführung, die stromabwärts der Abgasnachbehandlung 58 angeordnet ist.
-
Der überwiegende Teil des Abgases 27 wird, gesteuert durch eine Auspuffklappe 62, dem Schalldämpfer 63 des Auspuffs zugeleitet.
-
2 zeigt ein beispielhaftes Kennfeld für den Verdichter 3. Aufgetragen ist das Druckverhältnis Π über dem Massenstrom dm/dt. Das Kennfeld enthält geschlossene elliptische Isolinien, auf denen der Wirkungsgrad η des Verdichters 3 jeweils den gleichen Wert (η1, η2 bzw. η3) hat, wobei der Wirkungsgrad η des Verdichters 3 nach innen hin immer weiter zunimmt. Am besten ist der Wirkungsgrad η im mit Z bezeichneten Zielgebiet. Das Kennfeld enthält weiterhin Isolinien, auf denen die Drehzahl n des Verdichters 3 jeweils den gleichen Wert hat (n1, n2, n3 bzw. n4).
-
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens 100, deren Wirkung in 2 skizziert ist, wird in Schritt 115 in Vorbereitung auf den Start des Verbrennungsmotors 2 der Verdichter 3 in Betrieb gesetzt, während das Rückführventil 5 geöffnet ist. Auf diese Weise werden die Drehzahl n des Verdichters 3 und der durch den Verdichter 3 geförderte Massenstrom dm/dt ohne Gegendruck erhöht. Um den eigentlichen Verdichtungsbetrieb aufzunehmen mit einem Wirkungsgrad η im Zielgebiet Z, genügt es, in Schritt 125 das Rückführventil 5 zu schließen. Dies ist wesentlich schneller möglich als eine Änderung der Drehzahl n des Verdichters 3.
-
In dem mit P bezeichneten Gebiet gerät der Verdichter 3 ins Pumpen, d.h., der gefördete Massenstrom dm/dt ist dann zu klein im Verhältnis zum aktuellen Druckverhältnis Π. Die in 2 gezeigte Strategie zum Anfahren des Zielgebiets Z wahrt den maximal möglichen Abstand zu dem Gebiet P.
-
In 2 ist auch eine zweite vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens 100 angedeutet. Wird der Verbrennungsmotor 2 auf Anforderung einer Start-Stopp-Automatik gestoppt, so ist mit einem baldigen Wiederstart zu rechnen. Daher wird der Verdichter in Schritt 116 in Betrieb gehalten und lediglich das Rückführventil 5 geöffnet, um den Massenstrom dm/dt um den gerade nicht für Verbrennungsluft 11 durchlässigen Verbrennungsmotor 2 herumzuleiten. Den Verdichter 3 für die Wartezeit bis zum Wiederstart in Betrieb zu halten kostet weniger elektrische Energie als seine Drehzahl n zunächst komplett ab- und anschließend wieder aufzubauen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10302453 A1 [0004]
- EP 1440231 B1 [0004]
- EP 1549855 B1 [0004]
- WO 2005/026512 A1 [0004]
