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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
DE 10 2004 028 713 A1 ist u.a. ein Leistungssteuerungssystem für ein Fahrzeug bekannt, welches einen Turbolader mit einer elektrischen Rotationsmaschine, eine erste Speicherenergiequelle für die elektrische Rotationsmaschine und eine zweite Speicherenergiequelle für weitere bordeigene elektrische Einrichtungen aufweist. Des Weiteren sind eine auf der Seite der bordeigenen elektrische Einrichtungen angeordnete Lichtmaschine, eine auf der Seite der elektrischen Rotationsmaschine angeordnete erste Netzleitung und eine mit den bordeigenen elektrischen Einrichtungen verbundene zweite Netzleitung sowie eine Energiesteuerungseinheit zur Steuerung der Energieübertragung zwischen der ersten und der zweiten Netzleitung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Bedingung vorgesehen.
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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 mit geringem konstruktivem Aufwand 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 12 gelöst.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems eines Fahrzeugs, wobei das Motorsystem einen Primärgenerator und einen Drosselklappenturbinengenerator aufweist, werden in einem ersten Betriebsmodus der Primärgenerator und der Drosselklappenturbinengenerator mit demselben Ladespannungs-Sollwert betrieben, wohingegen in einem zweiten Betriebsmodus der Primärgenerator mit einem im Vergleich zum Drosselklappenturbinengenerator geringeren Ladespannungs-Sollwert betrieben wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird durch Absenkung des Ladespannungs-Sollwertes des Primärgenerators der Drosselklappenturbinengenerators als im Vergleich zum Primärgenerator vorrangige Ladequelle gewählt.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, einen Drosselklappenturbinengenerator zur effektiven Nutzung von im gedrosselten Betrieb des Motorsystems auftretenden Energieverlusten in besonders einfacher Weise bzw. mit geringem Integrationsaufwand in die bestehende Bordelektronik eines Fahrzeugs zu integrieren. Hierbei wird zum einen ausgenutzt, dass eine Umschaltung auf den Drosselklappenturbinengenerator als im Vergleich zum Primärgenerator vorrangige Ladequelle durch gezielte Absenkung des Ladespannungs-Sollwertes des Primärgenerators realisiert wird. Zum anderen wird durch die im Weiteren detaillierter beschriebene Einbindung des Drosselklappenturbinengenerators in das Gesamtsystem das Erfordernis zusätzlicher Elektronikkomponenten und der damit einhergehende Kostenaufwand minimiert.
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Gemäß einer Ausführungsform weist ein erfindungsgemäßes Verfahren die Schritte auf:
- – Ermitteln einer vom Drosselklappenturbinengenerator bereitstellbaren elektrischen Energie als einen ersten Energiewert;
- – Ermitteln eines auf Seiten wenigstens eines elektrischen Verbrauchers im Fahrzeug vorhandenen Bedarfs an elektrischer Energie als einen zweiten Energiewert; und
- – Auswahl des ersten Betriebsmodus oder des zweiten Betriebsmodus auf Basis eines Vergleichs zwischen dem ersten Energiewert und dem zweiten Energiewert.
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Gemäß einer Ausführungsform wird als zweiter Energiewert der auf Seiten sämtlicher elektrischer Verbraucher im Fahrzeug vorhandene Bedarf an elektrischer Energie ermittelt.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Auswahl des ersten Betriebsmodus, wenn der erste Energiewert kleiner ist als der zweite Energiewert.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Auswahl des zweiten Betriebsmodus, wenn der erste Energiewert wenigstens so groß ist wie der zweite Energiewert.
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Gemäß einer Ausführungsform wird in dem zweiten Betriebsmodus der Ladespannungs-Sollwert des Primärgenerators im Vergleich zum Ladespannungs-Sollwert des Drosselklappenturbinengenerators um einen vorgegebenen Offset-Wert reduziert.
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Gemäß einer Ausführungsform werden der Ladespannungs-Sollwert des Drosselklappenturbinengenerators und der Ladespannungs-Sollwert des Primärgenerators durch eine gemeinsame Steuerung vorgegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform wird durch diese Steuerung ferner die Drosselklappenstellung einer Drosselklappe zur Variation der den Zylindern des Motors zugeführten Einlassluftmenge gesteuert.
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Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau (sowie die im Weiteren detaillierter erläuterte Umschaltung der Betriebsmodi bzw. Auswahl der Ladequelle(n)) wird eine Integration des Drosselklappenturbinengenerators in die bestehende Bordelektronik bzw. Anbindung an das Bordnetz mit besonders geringem Integrationsaufwand und somit unter weitgehender Vermeidung zusätzlicher elektronischer Komponenten und damit einhergehender Kosten erzielt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Drosselklappenturbinengenerator über einen Gleichrichter unmittelbar an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen. Gemäß einer Ausführungsform limitiert dieser Gleichrichter die Ausgangsspannung des Drosselklappenturbinengenerators auf einen vorgegebenen Sollwert.
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Somit wird durch den Gleichrichter zum einen eine Einkopplung zu starker Wechselspannungs-/Rauschanteile in das Bordnetz vermieden und zugleich gewährleistet, dass die Spannung des direkt auf das Bordnetz aufgeschalteten Drosselklappenturbinengenerators nicht zu einer Überspannung im Bordnetz führt.
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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 in einem ersten Betriebsmodus dem TLR-System bzw. dem Drosselklappenturbinengenerator im Betrieb derselbe Spannungssollwert vorgegeben wie dem Primärgenerator (d. h. der Lichtmaschine), wobei dieser Spannungssollwert z. B. basierend auf der Batterietemperatur, dem Batterieladezustand oder gegebenenfalls auch auf Basis einer intelligenten Laderegelung, bei der der Generatorspannungssollwert berechnet und geregelt wird, eingestellt wird. Hierbei kann die Ladespannung des Generators im Falle einer Fahrzeugverzögerung angehoben und im Falle einer Fahrzeugbeschleunigung abgesenkt werden. Der vorstehend beschriebene, typische bzw. normale Spannungssollwert wird dabei jederzeit an das TLR-System übertragen.
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Erfindungsgemäß wird nun in einem zweiten Betriebsmodus, wann immer das TLR-System zur Bereitstellung der gesamten elektrischen Last in der Lage ist, dem Primärgenerator bzw. der Lichtmaschine der o.g. Spannungssollwert abzüglich eines vorgegebenen Offset-Wertes übermittelt. Folglich erhält das TLR-System gegenüber dem Primärgenerator einen Vorrang bzw. eine höhere Priorität, da der Primärgenerator bzw. die Lichtmaschine bei geringerer Spannung betrieben wird und somit lediglich eine Auffangquelle darstellt.
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In Betriebsphasen, in denen das TLR-System nicht zur Bereitstellung der gesamten elektrischen Last bzw. zur Versorgung sämtlicher elektrischer Verbraucher in der Lage ist, entfällt die vorstehend beschriebene Subtraktion Abzug eines Offset-Wertes auf Seiten des Primärgenerators bzw. der Lichtmaschine. In solchen Betriebsphasen wird somit an den Primärgenerator und an das TLR-System jeweils derselbe Spannungssollwert übermittelt, so dass lediglich eine Unterstützung des Primärgenerators durch das TLR-System erfolgt.
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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 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. Des Weiteren kann das (mit "60" bezeichnete) Bordnetz sowohl von dem Zusatzgenerator 23 als auch von dem Primärgenerator 40 versorgt werden.
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Gemäß 1 weist der Drosselklappenturbinengenerator 20 einen Gleichrichter 25 auf, welcher direkt an das Bordnetz 60 des Fahrzeugs angeschlossen ist und die Ausgangsspannung des Zusatzgenerators 23 zum einen gleichrichtet und zum anderen auch auf einen vorgegebenen Sollwert limitiert. Diese Spannungsbegrenzung ist vorzugsweise über die Motorsteuerung ansteuer- und einstellbar und gewährleistet, dass die Bordnetzspannung einen gegebenen Maximalwert (von z.B. 14.5V bei einem 12-Volt-Bordnetz) nicht überschreitet, die Spannung des direkt auf das Bordnetz 60 aufgeschalteten Drosselklappenturbinengenerators 20 (bzw. des Zusatzgenerators 23) somit nicht zu einer Überspannung im Bordnetz 60 führt.
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Der Drosselklappenturbinengenerator 20 rotiert je nach Einstellung des Drosselklappenbypass 15 i.W. ungeregelt und abhängig von der Luftströmung bzw. der abgeforderten elektrischen Last, wobei wie im Weiteren detaillierter beschrieben das Niveau bezüglich der elektrischen Spannung des Primärgenerators 40 und damit die Auswahl der Ladequelle(n) durch Änderung bzw. gezielte Absenkung der Primärgeneratorspannung erfolgt. Die Umschaltung der Betriebsmodi erfolgt hierbei durch Signale, welche bereits im Bordnetz 60 verfügbar sind bzw. welche durch den Drosselklappenturbinengenerator 20 bereitgestellt werden.
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Im Ergebnis wird durch den vorstehend beschriebenen Aufbau sowie die im Weiteren detaillierter erläuterte Umschaltung der Betriebsmodi bzw. Auswahl der Ladequelle(n) eine Integration des Drosselklappenturbinengenerators 20 in die bestehende Bordelektronik bzw. Anbindung an das Bordnetz 60 mit besonders geringem Integrationsaufwand und somit unter weitgehender Vermeidung zusätzlicher elektronischer Komponenten und damit einhergehender Kosten erzielt.
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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 gestrichelt gezeichnet und mit "A" bezeichnet, wohingegen die Kurve für die Spannung des TLR-Systems bzw. des Drosselklappenturbinengenerators 20 mit "B" bezeichnet ist. Die Kurve für die Bordnetzspannung ist "C" bezeichnet und stimmt gemäß 2 mit Kurve "B" überein.
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Grundsätzlich erfolgt im Betrieb des Motorsystems 1 gemäß 2 die Berechnung und Regelung des Spannungssollwertes für den Primärgenerator 40 in den mit "I" bezeichneten Betriebsphasen auf Basis des Batterieladezustandes (SOC) der Batterie 50, der Batterietemperatur sowie dem jeweils aktuellen Wirkungsgrad des Motors 10. In diesen Betriebsphasen ist die von dem TLR-System bzw. dem Drosselklappenturbinengenerator 20 bereitgestellte elektrische Energie vergleichsweise gering und reicht nicht zur Versorgung sämtlicher elektrischer Verbraucher aus. Das TLR-System bzw. der Drosselklappenturbinengenerator 20 unterstützt in diesen Betriebsphasen "I" lediglich den Primärgenerator 40.
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Mit "II" sind in 2 Betriebsphasen bezeichnet, innerhalb derer die vom TLR-System bzw. dem Drosselklappenturbinengenerator 20 bereitgestellte elektrische Energie zur Versorgung sämtlicher elektrischer Verbraucher ausreicht. In diesen Phasen "II" wird zu dem jeweiligen Sollwert für die Generatorspannung des Primärgenerators 40 ein vorgegebener negativer Offset-Wert addiert mit der Folge, dass das TLR-System bzw. der Drosselklappenturbinengenerator 20 effektiv Vorrang gegenüber dem Primärgenerator 40 erhält. In diesen Betriebsphasen "II" dient der Primärgenerator 40 somit lediglich als Auffangquelle, indem er bei niedrigerer Generatorladespannung betrieben wird als der Drosselklappenturbinengenerator 20.
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Der Sollwert für die Generatorspannung des Drosselklappenturbinengenerators 20 wird gemäß 1 durch die Steuerung 30, welche auch die Generatorspannung des Primärgenerator 40 sowie die Drosselklappenstellung der Drosselklappe 11 ansteuert, über eine Kommunikationsleitung (PWM/LIN oder dergleichen) vorgegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218259 A1 [0004]
- DE 102004028713 A1 [0005]
- US 5544484 [0006]
- WO 2013/163128 A1 [0006]
- WO 2011/156056 A2 [0006]
