DE102017110082B4

DE102017110082B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102017110082B4
Application number: DE102017110082.2A
Authority: DE
Inventors: Thorben Walder
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2037-05-11
Also published as: DE102017110082A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader (1), der eine Abgasturbine (2), einen damit verbundenen Verdichter (4) sowie eine elektrische Antriebseinrichtung (3) aufweist, wobei die elektrische Antriebseinrichtung (3) bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten der Brennkraftmaschine derart bestromt wird, dass unter Beibehaltung eines einlassseitigen Ladedrucks ein Bypass-Ventil (7) des Abgasturboladers (1) geöffnet wird oder Leitschaufeln der Abgasturbine (2) geöffnet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader, der eine Abgasturbine, einen damit verbundenen Verdichter sowie eine elektrische Antriebseinrichtung aufweist.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen spielt die Abgasturboaufladung eine sehr wichtige Rolle. Gründe hierfür sind insbesondere die gesteigerten Anforderungen im Hinblick auf eine Verbesserung der Effizienz, eine Verringerung von Emissionen und eine Erhöhung der Leistung. Um den Kraftstoffverbrauch und damit einhergehend die CO₂-Emissionen von Brennkraftmaschinen zu verringern, gehen die Entwicklungstendenzen immer mehr in Richtung einer Verkleinerung des Hubraums der Brennkraftmaschinen, welche häufig auch als „Downsizing“ bezeichnet wird. Daraus resultiert eine stärkere Verbreitung von Abgasturboladern, um entsprechend hohe spezifische Leistungen erreichen zu können. Um den Betrieb des Abgasturboladers zu unterstützen und ein - insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine zuschaltbares - zusätzliches Drehmoment zu erzeugen, das auf die Abgasturbine und den damit verbundenen Verdichter des Abgasturboladers wirkt, kann eine elektrische Antriebseinrichtung vorgesehen sein.
Für einen Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit vier oder acht Zylindern, und Abgasturboaufladung in einem unteren Drehzahlbereich und einer sehr hohen Last bis hin zu einer Volllast ist bei heutigen Abgasturboladerkonzepten ohne Flutentrennung, wie zum Beispiel bei Twin-Scroll-Abgasturboladern, stets eine Ventilhubschaltung erforderlich. Mit Hilfe dieser Ventilhubschaltung kann ein so genanntes „Übersprechen“ der Zylinder der Brennkraftmaschine untereinander verhindert werden. Unter „Übersprechen“ wird ein Phänomen verstanden, bei dem sich aufgrund einer engen Zündfolge kurz vor einem Schließen eines Auslassventils eines ersten Zylinders der Brennkraftmaschine ein Auslassventil eines zweiten, benachbarten Zylinders öffnet. Dabei wird ein Restgasanteil im ersten Zylinder durch eine Drucksteigerung, die aus dem Vorauslassstoß des zweiten Zylinders resultiert, erhöht. Aufgrund des erhöhten Restgasanteils erhöht sich die Klopfneigung der betroffenen Zylinder. Daher muss der Zündwinkel und damit auch die Verbrennungsschwerpunktlage in Richtung „spät“ verschoben werden. Dieses hat zur Folge, dass sich der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine signifikant erhöht und die Laufruhe der Brennkraftmaschine erheblich verschlechtert wird. Durch die Einstellung eines kleineren Ventilhubs und eine kürzere Eventlänge ist es möglich, das Übersprechen zweier benachbarter Zylinder zu vermeiden, da sich durch diese Maßnahmen Druckpulsationen innerhalb der Abgasanlage positiv beeinflussen lassen. Eine entsprechende Einrichtung, mittels derer eine Ventilhubverstellung ermöglicht werden kann, wirkt sich allerdings nachteilig auf die Gesamtmasse der Brennkraftmaschine sowie auf die Herstellungskosten aus.
Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem das Phänomen des Übersprechens zweier benachbarter Zylinder in einem unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine und einer gleichzeitig sehr hohen Last bis hin zu einer Volllast der Brennkraftmaschine auf einfache und kostengünstige Weise zumindest verringert beziehungsweise sogar ganz verhindert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Eine alternative Lösung liefert ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 2.
Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Antriebseinrichtung bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten der Brennkraftmaschine derart bestromt wird, dass unter Beibehaltung eines einlassseitigen Ladedrucks ein Bypass-Ventil des Abgasturboladers geöffnet wird oder Leitschaufeln der Abgasturbine geöffnet werden. Überraschend hat es sich gezeigt, dass durch diese Maßnahme der mittlere Abgasgegendruck bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten der Brennkraftmaschine - also im so genannten „Low-End-Torque-Bereich“, in dem bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein möglichst hohes Drehmoment erzeugt werden soll - verringert werden kann. Entsprechend nimmt dadurch auch der Restgasanteil in den betroffenen Zylindern ab. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Spülverhalten verbessert wird und der betreffende Zylinder mit einer früheren Verbrennungsschwerpunktlage, verbesserter Laufruhe und erheblich besseren Wirkungsgraden betrieben werden kann. Das oben erläuterte Phänomen des Übersprechens zweier benachbarter Zylinder kann mittels des hier vorgestellten Verfahrens auf einfache und kostengünstige Weise zumindest verringert oder sogar ganz verhindert werden. Von besonderem Vorteil ist in diesem Zusammenhang, dass auf eine auslassseitige Ventilhubschaltung verzichtet werden kann. Dadurch kann die Masse der Brennkraftmaschine verringert werden. Ferner ergeben sich hierdurch Kostenvorteile bei der Herstellung.
Eine alternative Lösung, die ebenfalls die vorstehend genannten Vorteile bietet, liefert ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader, bei dem die elektrische Antriebseinrichtung bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten der Brennkraftmaschine derart bestromt wird, dass unter Beibehaltung eines einlassseitigen Ladedrucks ein Bypass-Ventil des Abgasturboladers und Leitschaufeln der Abgasturbine geöffnet werden.
Die hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich insbesondere für Brennkraftmaschinen, die vier oder acht Zylinder aufweisen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende 1, die eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Abgasturboladers 1 einer Brennkraftmaschine zeigt. Die Brennkraftmaschine kann insbesondere vier oder acht Zylinder aufweisen.
Der Abgasturbolader 1 weist in an sich bekannter Weise eine Abgasturbine 2 auf, die in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Ferner umfasst der Abgasturbolader 1 einen Verdichter 4, der in einem Luftansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die Abgasturbine 2 und der Verdichter 4 sind über eine Welle 5 miteinander verbunden. An den Abgasturbolader 1 ist eine elektrische Antriebseinrichtung 3 angeschlossen, welche den Betrieb des Abgasturboladers 1 unterstützen kann, indem sie ein zuschaltbares, zusätzliches Drehmoment zum Antreiben der Abgasturbine 2 und des mit dieser über die Welle 5 verbundenen Verdichters 4 erzeugen kann. Die elektrische Antriebseinrichtung 3 wird insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine zugeschaltet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Antriebseinrichtung 3 zwischen der Abgasturbine 2 und dem Verdichter 4 angeordnet. Alternativ kann die elektrische Antriebseinrichtung 3 auch auf einer Zulaufseite des Verdichters 4 angeordnet sein.
Während des Betriebs der Brennkraftmaschine strömen heiße Abgase der Brennkraftmaschine in die Abgasturbine 2 des Abgasturboladers 1 ein. Die Strömungsrichtung der Abgase wurde in 1 durch Pfeile symbolisiert. Ein Teil der in den Abgasen enthaltenen thermischen Energie wird innerhalb der Abgasturbine 2 in mechanische Energie umgewandelt, indem die Abgasturbine 2 in Rotation versetzt wird. Da die Abgasturbine 2 über die Welle 5 mit dem Verdichter 4 verbunden ist, wird der Verdichter 4 ebenfalls in Rotation versetzt, so dass er dem Verbrennungsprozess, der innerhalb der Brennkraftmaschine stattfindet, verdichtete Luft zuführen kann. Die Strömungsrichtung der Luft wurde in 1 ebenfalls durch Pfeile symbolisiert. Um eine abgasseitige Leistungsregelung der Abgasturbine 2 zu ermöglichen, ist im Abgastrakt der Brennkraftmaschine eine Bypass-Leitung 6 mit einem Bypass-Ventil 7 vorgesehen.
Während des Betriebs der Brennkraftmaschine kann es bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine und einer hohen Last zu einem so genannten „Übersprechen“ benachbarter Zylinder kommen. Darunter wird ein Phänomen verstanden, bei dem sich aufgrund einer engen Zündfolge kurz vor einem Schließen eines Auslassventils eines ersten Zylinders der Brennkraftmaschine ein Auslassventil eines zweiten, benachbarten Zylinders öffnet. Dabei wird ein Restgasanteil im ersten Zylinder durch eine Drucksteigerung, die aus dem Vorauslassstoß des zweiten Zylinders resultiert, erhöht. Aufgrund des erhöhten Restgasanteils erhöht sich die Klopfneigung der betroffenen Zylinder. Daher muss der Zündwinkel und damit auch die Verbrennungsschwerpunktlage in Richtung „spät“ verschoben werden. Dieses hat zur Folge, dass sich der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine signifikant erhöht und die Laufruhe der Brennkraftmaschine erheblich verschlechtert wird. Durch die Einstellung eines kleineren Ventilhubs und eine kürzere Eventlänge ist es grundsätzlich möglich, dieses Übersprechen zweier benachbarter Zylinder zu vermeiden, da sich durch diese Maßnahmen Druckpulsationen innerhalb der Abgasanlage positiv beeinflussen lassen. Eine entsprechende Einrichtung, mittels derer eine Ventilhubverstellung ermöglicht werden kann, wirkt sich allerdings nachteilig auf die Gesamtmasse der Brennkraftmaschine sowie auf die Herstellungskosten aus.
Um die bislang zwingend erforderliche auslassseitige Ventilhubschaltung zu vermeiden, wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader 1 vorgeschlagen, welches sich dadurch auszeichnet, dass die elektrische Antriebseinrichtung 4 bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten der Brennkraftmaschine - also im so genannten „Low-End-Torque-Bereich“, in dem bei niedrigen Drehzahlen ein möglichst hohes Drehmoment der Brennkraftmaschine erzeugt werden soll - derart bestromt wird, dass unter Beibehaltung eines einlassseitigen Ladedrucks das Bypass-Ventil 7 des Abgasturboladers 1 geöffnet wird und/oder Leitschaufeln der Abgasturbine 2 geöffnet werden.
Dadurch wird erreicht, dass ein mittlerer Abgasgegendruck mit zunehmendem Anteil der elektrischen Leistung an der konstanten Abgasturboladerwellenleistung verringert werden kann. In entsprechender Weise nimmt dann auch der Restgasanteil in den betroffenen Zylindern ab. Dadurch wird erreicht, dass das Spülverhalten verbessert wird und der betreffende Zylinder mit einer früheren Verbrennungsschwerpunktlage, verbesserter Laufruhe und erheblich besseren Wirkungsgraden betrieben werden kann. Das oben erläuterte Phänomen des Übersprechens zweier benachbarter Zylinder bei niedrigen Drehzahlen und hoher Last der Brennkraftmaschine kann mittels des hier vorgestellten Verfahrens auf einfache und kostengünstige Weise verringert beziehungsweise sogar ganz verhindert werden, da anders als im Stand der Technik zu diesem Zweck keine auslassseitige Ventilhubschaltung benötigt wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader (1), der eine Abgasturbine (2), einen damit verbundenen Verdichter (4) sowie eine elektrische Antriebseinrichtung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinrichtung (3) bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten der Brennkraftmaschine derart bestromt wird, dass unter Beibehaltung eines einlassseitigen Ladedrucks ein Bypass-Ventil (7) des Abgasturboladers (1) geöffnet wird und/oder Leitschaufeln der Abgasturbine (2) geöffnet werden.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader (1), der eine Abgasturbine (2), einen damit verbundenen Verdichter (4) sowie eine elektrische Antriebseinrichtung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinrichtung (3) bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten der Brennkraftmaschine derart bestromt wird, dass unter Beibehaltung eines einlassseitigen Ladedrucks ein Bypass-Ventil (7) des Abgasturboladers (1) und Leitschaufeln der Abgasturbine (2) geöffnet werden.