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Die Erfindung betrifft eine Abgasführung mit einer Abgasturbine für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, einen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer solchen Abgasführung sowie ein Verfahren zum Abführen von Abgas von einem Verbrennungsmotor.
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Die Erfindung wird nachfolgend im Kontext von Turbolader-Antriebskonzepten für Kraftfahrzeuge beschrieben, wenngleich sie auch mit einer angeordneten Abgasturbine ausführbar ist, die in der Abgasführung angeordnet ist, aber nicht Bestandteil eines Turboladers ist. Die Anwendbarkeit der Erfindung ist an sich unabhängig vom Typ des verwendeten Verbrennungsmotors, die Beschreibung erfolgt allerdings anhand von Ottomotoren.
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Die Turboaufladung der Ladeluft für das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird, ist allgemein bekannt und flächendeckend eingesetzt. Bei klassischen Turboladern wird die kinetische Energie aus den Abgasen des Verbrennungsmotors dazu verwendet, die Abgasturbine des Turboladers anzutreiben. Mit der angetriebenen Abgasturbine ist auf Seiten der Ladeluftführung ein Kompressor drehfest verbunden, der die Ladeluft unter einen Staudruck setzt, welcher wegen der größeren absoluten Sauerstoffmenge des unter Druck gesetzten Luft-Kraftstoff-Gemisches im Verbrennungsmotor eine höhere Motorleistung ermöglicht.
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Bekannt sind auch elektrisch aktuierte Turbolader, bei welchen der Ladeluft-Kompressor nicht nur mittels der Abgasturbine, sondern zusätzlich mit dem überlagerten Drehmoment einer an der Turboladerwelle angeordneten elektrischen Maschine angetrieben wird. Damit kann ein höherer Aufladedruck und auf diesem Wege wiederum eine erhöhte Leistung des Verbrennungsmotors im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors - beispielsweise beim Kick-Down für Überholmanöver - erreicht werden.
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Es ist zudem bekannt, elektrisch aktuierte Turbolader zur Rekuperation von Energie aus dem Abgas in der Abgasführung zu verwenden, indem die elektrische Maschine nicht im Motorbetrieb, sondern im Rekuperationsbetrieb (als Generator) geschalten wird. Eine derartige Schaltung bietet sich ebenfalls beim dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors an, beispielsweise bei einer plötzlichen Rücknahme der Gaspedal-Stellung.
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Turbo-aufgeladene Motoren wie die oben beschriebenen neigen aber dazu, bei hohem anliegenden Aufladedruck, insbesondere (aber nicht ausschließlich) in Kombination mit einer hohen Drehzahl des Verbrennungsmotors, ihre Abgase mit einer sehr hohen Temperatur in die Abgasführung abzugeben.
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Dies kann beispielsweise ein Problem für die Integrität oder Haltbarkeit der Abgasturbine bedeuten -je nach verwendetem Turbinenwerkstoff ab Abgastemperaturen von 900 °C bis 1050 °C. Verstellbare Abgasturbinen bereiten häufig schon bei niedrigeren Temperaturen Probleme. Zudem gibt es auch für die immer aufwändigere Abgasnachbereitung, beispielsweise mit 3-Wege-Kat und gegebenenfalls NOx-Kat, Temperaturgrenzwerte, deren Überschreitung unmittelbar oder zumindest dauerhaft die Katalysatoren schädigt.
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Gängigerweise wird diesem Problem durch eine Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in höheren Ladedruck- und/oder Drehzahlbereichen des Motorkennfeldes begegnet, sprich durch eine Zugabe von mehr Kraftstoff in das Luft-Kraftstoff-Gemisch, als für eine stöchiometrisch vollständige Umsetzung des Gemischs bei der Verbrennung erforderlich wäre. Dadurch können die Temperaturen der Abgase in der Abgasführung deutlich gesenkt werden, weil wegen des fehlenden Sauerstoffs bei Lambdawerten von kleiner als eins die Verbrennung kühler abläuft und zudem in der Abgasnachbehandlung Sauerstoff für die wärmeproduzierende exotherme Reaktion fehlt.
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Aufgrund der zu erwartenden Entwicklung gesetzlicher und normativer Regelungen ist allerdings davon auszugehen, dass die Anfettung als Temperatursenker für die Abgase in Zukunft immer mehr eingeschränkt wird oder gegebenenfalls vielleicht ganz wegfällt.
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Zum technischen Umfeld sei auf die
DE 101 34 300 A1 verwiesen, die ein Verfahren zur Steuerung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem Kompressionszündungsmotor mit einem mit einer Stromquelle verbundenen kraftverstärkten Turbolader zeigt. Der Turbolader hat einen Verdichter, der mit einem Ansaugkrümmer verbunden ist, und eine Turbine, die mit einem Auspuffkrümmer verbunden ist. Bei dem Verfahren erfolgt eine Bestimmung eines Abgastemperaturwerts und eines Ladewerts der Stromquelle, sowie ein Verbinden der Stromquelle mit dem kraftverstärkten Turbolader abhängig von dem Ladewert, um den Abgastemperaturwert einem gewünschten Abgastemperaturwert anzunähern.
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Zudem sei auf die
DE 103 49 164 A1 verwiesen, die eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Turbolader zeigt. In dem Turbolader ist ein Generator an der Turbine vorgesehen, aufweisend eine Abgasreinigungsvorrichtung, die stromabwärts des Turboladers im Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, sowie eine Einrichtung zur Bestimmung des elektrischen Leistungserzeugungsbetrags des Generators basierend auf der Temperatur der Abgasreinigungsvorrichtung.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Abgasführung bereitzustellen, die insbesondere eine Einhaltung von Temperaturgrenzwerten in der Abgasführung und gegebenenfalls der Abgasnachbehandlung fördert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasführung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Abführen von Abgasen von einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 8. Anspruch 7 ist auf einen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer solchen Abgasführung gerichtet. Bevorzugte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Abgasführung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Abgasführung weist auf: a) einen, insbesondere mit den Abgasauslässen des Verbrennungsmotors verbundenen, Abgaskrümmer ,b) eine im Abgasstrom nach dem Abgaskrümmer angeordnete Abgasturbine, die vorzugsweise Bestandteil eines Turboladers des Verbrennungsmotors ist, mit einer elektrischen Maschine zum Anpassen eines Betriebsmodus der Abgasturbine, wobei vorzugsweise der Rotor der elektrischen Maschine an einer Drehwelle der Abgasturbine angeordnet ist sowie mit der Drehwelle drehfest verbindbar und/oder verbunden ist, c) eine im Abgasstrom nach der Abgasturbine angeordnete Nachbehandlungszuführung, die insbesondere mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung verbindbar und/oder verbunden ist, und d) ein Steuermittel, welches dazu eingerichtet ist, einen Betriebsmodus der elektrischen Maschine - insbesondere einen Motorbetrieb oder einen Generatorbetrieb und/oder die Leistung des Motor-/Generatorbetriebs - in Abhängigkeit von einer Betriebssituation des Verbrennungsmotors anzusteuern.
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Zudem weist die Abgasführung e) ein Temperaturerfassungsmittel auf, welches dazu eingerichtet ist, eine, insbesondere aktuelle, Abgastemperatur an wenigstens einer vorbestimmten Stelle in der Abgasführung zu erfassen, wobei das Steuermittel dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der erfassten Ausprägung der Abgastemperatur den Betriebsmodus der elektrischen Maschine anzupassen, insbesondere umzuschalten. Der Begriff ,Erfassen‘ ist vorliegend so breit zu verstehen, dass darunter neben sensorischer Erfassung auch das Auslesen eines, insbesondere Verbrennungsmotorkennfeld-bezogenen, Temperaturmodells fällt. Ein Betriebsmodus kann beispielsweise ein Motorbetrieb, ein Generatorbetrieb oder ein Neutralbetrieb der elektrischen Maschine - und damit auch der Abgasturbine - sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antrieb für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend einen Verbrennungsmotor und eine Abgasführung gemäß einer Ausführung der Erfindung. Dabei ist das Steuermittel eingerichtet, A) in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Abgasturbine einen Lambdawert des im Verbrennungsmotor eingespritzten Luft-Kraftstoff-Gemisches anzupassen, insbesondere zu erhöhen, vorzugsweise ausgehend von einem fetten Gemisch hin zu einer stöchiometrischen Verbrennung, und/oder B) einen Zündzeitpunkt des Gemisches früher anzusteuern, also insbesondere im Verhältnis zur Zylinderstellung zeitlich nach vorne zu verlegen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Abführen von Abgas von einem Verbrennungsmotor bereitgestellt, aufweisend die Schritte: i) Erfassen einer Abgastemperatur an einer vorbestimmten Stelle in der Abgasführung, und, ii) Anpassen, insbesondere Umschalten, des Betriebsmodus der Abgasturbine in Abhängigkeit von der erfassten Ausprägung der Abgastemperatur.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Ausführung dieses Verfahrens in einem Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors angewendet werden, zusätzlich aufweisend die Schritte: iii) Erhöhen eines Lambdawerts des im Verbrennungsmotor eingespritzten Luft-Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Abgasturbine, und/oder iv) frühere Ansteuerung eines Zündzeitpunkts des Gemisches, insbesondere ein zeitliches nach-vorne-Verlegen des Zündzeitpunkts im Verhältnis zur Zylinderstellung.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass an mehreren Stellen in der Abgasführung von Turbo-aufgeladenen Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen die Abgastemperatur ein limitierter Faktor im Betrieb des Antriebs ist. Die gegenwärtige Möglichkeit einer Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemischs droht zukünftig insbesondere aufgrund zu erwartender gesetzlicher Regelungen zumindest für gewisse Betriebsteile des Verbrennungsmotors wegzufallen. Eine Anforderung an Alternativen zur Beeinflussung der Abgas-Temperaturen in der Abgasführung ist die Einflussmöglichkeit auf die Abgas-Prozessführung.
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Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Erkenntnis, dass bei Fahrzeugen mit elektrisch aktuiertem Turbolader (nachfolgend auch als eATL bezeichnet) dieser in den meisten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors lediglich in einem neutralen Betriebsmodus verwendet wird, seine mögliche Zusatzfunktion durch die elektrische Maschine also gar nicht genutzt wird. Bei gegenwärtigen Fahrzeugen mit eATL wird dieser lediglich zur Leistungssteigerung/Dynamiksteigerung im Volllast-Bereich und/oder als Rekuperations-Bauteil für elektrische Energie beim plötzlichen Wegnehmen des Vortriebs-Wunsches verwendet. In anderen Betriebszuständen - und damit während des größten Teils des Fahrzeugbetriebs - wird der eATL schlicht wie ein herkömmlicher Turbolader verwendet.
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Die Erfinder haben nun herausgefunden, dass durch einen geeigneten Einsatz eines elektrisch aktuierten Turboladers, und insbesondere von dessen Abgasturbine, die Abgas-Prozessführung beeinflusst werden kann - und damit auch die Abgastemperatur. Diese Einflussmöglichkeit besteht auch im Teillastbetrieb und im statischen Betrieb des Verbrennungsmotors.
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Beispielsweise ermöglicht ein Betrieb der Abgasturbine des eATL im Motorbetrieb - also zur Beschleunigung des Abgas-Abtransports - eine Absenkung des Abgasgegendrucks vor der Turbine. Durch diese Absenkung sinkt die interne Motorlast, weshalb die Gemisch-Zündung ohne ein vergrößertes Klopf-Risiko früher stattfinden kann und somit die Abgastemperatur an der Abgasturbine selbst gesenkt werden kann. Wird dieser Mechanismus immer dann eingesetzt, wenn eine schädigend hohe Abgastemperatur für die Abgasturbine zu befürchten ist, so kann in der Konsequenz ein weniger hitzeresistenter Werkstoff für die Abgasturbine verwendet werden und/oder in mehr/allen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors auf die Anfettung des Gemisches verzichtet werden, oder diese zumindest verringert werden.
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Ein weiteres Beispiel: ein Betrieb der Abgasturbine des eATL im Generatorbetrieb - also dem Abgas-Abtransport ein Drehmoment entgegensetzend - ermöglicht eine Erhöhung der Leistung der Abgasturbine. Dazu wird vorzugsweise der Massenstrom über das Wastegate verringert. Dadurch und durch die Führung des Abgases über den längeren Weg durch die Turbine kommt das Abgas mit einer durchschnittlich niedrigeren Temperatur an der Abgasnachbehandlungsvorrichtung an. Da auch für die verschiedenen Katalysatoren einer typischen Abgasnachbehandlungsvorrichtung Temperaturgrenzwerte gelten, ermöglicht dieser Generatorbetrieb des eATL für weitere Betriebsfälle einen teilweisen oder umfassenden Verzicht auf die Gemisch-Anfettung. Zusätzlich oder alternativ wäre auch die Verwendung von Katalysatoren mit niedrigeren Temperaturgrenzwerten denkbar.
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Eine weitere Erkenntnis ist die Möglichkeit, im Sinne der Erfindung über ein vorhandenes Abgastemperaturmodell und/oder vorhandene Abgastemperatursensoren einen Regler bereitzustellen, der den Betrieb der die Maschine der Abgasturbine in Analogie zu den in den letzten Absätzen dargestellten Anwendungsbeispielen derart einstellt, dass an den verschiedenen temperaturkritischen Stellen in der Abgasführung jeweils ein kombiniertes Optimum unterhalb der unterschiedlich festgelegten Temperaturgrenzwerte an vorbestimmten Stellen in der Abgasführung erreicht wird, beispielsweise an einer Stelle vor der Abgasturbine und an einer Stelle am Ende der Abgasführung/vor einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
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Gemäß einer Ausführung ist das Steuermittel dazu eingerichtet, die elektrische Maschine und damit auch die Abgasturbine zwischen Motorbetrieb, Rekuperationsbetrieb (=Generatorbetrieb) und ggf. Neutralbetrieb umzuschalten, um die Abgastemperatur gezielt und insbesondere auch an unterschiedlichen Stellen in der Abgasführung zu beeinflussen, insbesondere zu senken.
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Unter einem ,Umschalten des Betriebsmodus ist vorliegend zunächst zu verstehen, dass in die eine oder in die andere Richtung zwischen einem Motorbetrieb und einem Rekuperationsbetrieb gewechselt wird, oder dass in die eine oder in die andere Richtung zwischen einem Neutralbetrieb einerseits und dem Motorbetrieb oder dem Rekuperationsbetrieb andererseits gewechselt wird. Vorliegend ist dieses ,Umschalten‘ insbesondere zu Unterscheiden von einem ,Anpassen‘, das auch eine Anpassung der geschalteten Leistung des Motorbetriebs oder des Rekuperationsbetriebs im Sinne einer Anpassung des bereits geschalteten Betriebsmodus beschreibt.
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Um die Abgasturbine selbst vor einer thermischen Überlastung zu schützen, ist gemäß einer Ausführung die Temperaturerfassung eingerichtet, die Abgastemperatur im Abgasstrom vor der Abgasturbine, insbesondere im Abgaskrümmer oder in einem Abgasführungsbauteil der Abgasturbine, zu erfassen.
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Um die Bestandteile einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung vor einer thermischen Überlastung zu schützen, ist gemäß einer Ausführung die Temperaturerfassung eingerichtet, die Abgastemperatur im Abgasstrom am stromabwärtigen Ende der Nachbehandlungszuführung und/oder in einer damit verbundenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu erfassen.
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Zur möglichst flexiblen Integration in das Kraftfahrzeug und/oder um eine für den Anwendungsfall geeignete Temperaturerfassung zu ermöglichen, weist gemäß einer Ausführung die Temperaturerfassung wenigstens einen, insbesondere zwei oder mehr Temperatursensoren zur Erfassung von Werten der Abgastemperatur an wenigstens einer, insbesondere zwei oder mehr, vorbestimmten Stellen auf, vorzugsweise einen im Bereich der Abgasturbine und einen am stromabwärtigen Ende der Abgasführung. In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführung weist die Temperaturerfassung ein, insbesondere mittels des Steuermittels auslesbares, hinterlegtes Temperaturmodell des Verbrennungsmotors und/oder der Abgasführung zur Erfassung von Werten der Abgastemperatur an wenigstens einer, insbesondere zwei oder mehr, vorbestimmten Stellen. Dabei kann für jede Stelle ein separates Temperaturmodell oder ein integriertes Temperaturmodell für mehrere Stellen Verwendung finden.
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Um einen Rekuperationsbetrieb der Abgasturbine besser steuern zu können, weist die Abgasturbine gemäß einer Ausführung eine Wastegate-Leitung mit einem Wastegate-Ventil auf, das eingerichtet ist, einen Massenstrom von an der Abgasturbine vorbei, insbesondere zur Abgasnachbehandlungseinrichtung hin, geleitetem Abgas anzupassen, insbesondere in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus der Abgasturbine.
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Damit die Erfindung bei typischen Turbo-aufgeladenen Verbrennungsmotoren anwendbar ist, ist gemäß einer Ausführung die Abgasturbine eine abgasseitige Komponente eines Turboladers des Verbrennungsmotors.
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Gemäß einer Ausführung ist zum Anpassen des Betriebsmodus ein Umschalten der Abgasturbine zwischen einem Motorbetrieb, einem Rekuperationsbetrieb und ggf. einem Neutralbetrieb vorgesehen.
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Um die Abgastemperatur in einem für die durchströmte Komponente unschädlichen Temperaturbereich zu halten, wird die erfasste Ausprägung der Abgastemperatur mit einem hinterlegten Grenzwert verglichen.
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Die Abgasturbine kann gegen thermische Überlastung geschützt werden. Dazu wird die Abgasturbine in den Motorbetrieb geschalten, wenn die erfasste Ausprägung der Abgastemperatur im Abgasstrom vor der Abgasturbine dem, insbesondere hierfür, hinterlegten Grenzwert nahekommt, diesen erreicht oder überschreitet.
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Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann insbesondere gegen thermische Überlastung geschützt werden, indem gemäß einer Ausführung die Abgasturbine in den Rekuperationsbetrieb geschalten wird, wenn die erfasste Ausprägung der Abgastemperatur im Abgasstrom am stromabwärtigen Ende der Nachbehandlungszuführung und/oder in einer damit verbundenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dem, insbesondere hierfür, hinterlegten Grenzwert nahekommt, diesen erreicht oder überschreitet.
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Zur Bereitstellung eines ausreichenden Abgas-Massenstroms bzw. einer ausreichenden kinetischen Energie für den Rekuperationsbetrieb wird gemäß einer Ausführung ein Wastegate-Ventil eines Wastegates der Abgasführung teilweise oder vollständig geschlossen, wenn die Abgasturbine im Rekuperationsbetrieb betrieben wird.
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Um die Regelung der Abgastemperatur weiter zu verbessern, ist gemäß einer Ausführung die geschaltete Leistung, mit welcher die Abgasturbine im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb betrieben wird, umso größer, je höher die erfasste Abgastemperatur ist, insbesondere auch im Verhältnis zu einem zugehörigen Grenzwert für Abgastemperatur an der erfassten Stelle. Eine Schaltung einer größeren Leistung kann sowohl im Motorbetrieb als auch im Repukerationsbetrieb den zum jeweiligen Betriebsmodus beschriebenen Effekt der Temperatursenkung erhöhen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen, teilweise in stark schematisierter Darstellung,
- 1 einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor, einem elektrisch aktuierten Turbolader, einer Ladeluftzuführung, einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie einer Abgasführung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung einer abstrahierten Prinzipskizze, wobei der eATL in einem neutralen Betriebsmodus dargestellt ist;
- 2 den Fahrzeugantrieb aus 1, wobei die Abgastemperatur im Bereich der Abgasturbine nahe am Temperatur-Grenzwert für diese Stelle ausgeprägt ist; und
- 3 den Fahrzeugantrieb aus 1, wobei die Abgastemperatur im Bereich der Abgasnachbehandlungsvorrichtung nahe am Temperatur-Grenzwert für diese Stelle ausgeprägt ist.
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In 1 ist ein Fahrzeugantrieb 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, einem elektrisch aktuierten Turbolader (eATL) 4, einer Ladeluftzuführung 6, einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 und einer Abgasführung 10 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung dargestellt. Die Darstellung der verschiedenen Fluidführungen ist stark vereinfacht und soll nicht jegliche Details das Fahrzeugantriebs 1, sondern lediglich den Gedanken der Erfindung und bestimmter beispielhafter Ausführungen erläutern. So ist beispielsweise weder eine Abgasrückführung noch das Schubumluftventil dargestellt, obwohl diese Komponenten wie auch andere Komponenten bei vielen Turbomotoren verbaut sind.
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Der Verbrennungsmotor 2 weist im Ausführungsbeispiel vier Zylinder 12 auf (kann aber mehr oder weniger Zylinder aufweisen), die mittels der Ladeluftzuführung 6 und einer Einspritzeinheit 14 mit Luft-Kraftstoff-Gemisch versorgt werden. Ggf. vorhandene Zündkerzen sind nicht separat dargestellt.
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Der eATL 4 weist einen Kompressor 18 in der Ladeluftzuführung 6 und eine Turbine 20 auf, die mit dem Kompressor 18 drehfest mittels einer Welle 22 verbunden ist. An der Welle 22 ist drehfest verbindbar oder verbunden ein Rotor 24 einer elektrischen Maschine 26 angeordnet, die zudem einen Stator 28 aufweist, der an einem Karrosserieteil 30 drehfest gelagert ist. Mit der elektrischen Maschine 26 ist zur Übertragung elektrischer Energie sowie von Steuersignalen, Zustandssignalen, Sensorsignalen, etc. verbunden eine Betriebseinheit 32 mit einem elektrischen Energiespeicher und einer Kommunikationsschnittstelle zu einem Steuermittel angeordnet.
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Die Turbine 20 des eATL 4 ist aus einem Temperatur-Hochleistungswerkstoff gefertigt, welcher im Ausführungsbeispiel einer Abgastemperatur bis zu 950 °C widerstehen kann, sodass ein Temperaturgrenzwert in dieser Höhe für die Turbine 20 festgelegt ist. Andere Grenzwerte können selbstverständlich auch vorgesehen sein.
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Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 weist vorzugsweise einen Dreiwegekatalysator und gegebenenfalls einen NOx-Katalysator und/oder weitere Katalyseeinheiten auf. Der Dreiwegekatalysator ist so ausgebildet, dass er Abgase bis zu einer Temperatur von 900 °C umsetzen kann, ohne Schaden an den feinen Reaktionsoberflächen zu nehmen. Daher ist im Ausführungsbeispiel ein Temperaturgrenzwert in dieser Höhe für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 festgelegt (bei Weiterentwicklungen des Katalysators kann auch ein höherer oder niedrigerer Grenzwert eingestellt werden).
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Die Abgasführung 10 und ihre Komponenten sind nachfolgend entsprechend der Strömungsrichtung der Abgase sortiert beschrieben: Ein Abgaskrümmer 34 führt die heißen Abgase aus der Verbrennung in den Zylindern 12 ab und bündelt diese in einer Turbinenzuführung 36. Von der Turbinenzuführung 36 geht ein Wastegate 38 mit einem Wastegate-Ventil 40 ab. Die Turbinenzuführung 36 mündet selbst in eine nicht dargestellte Turbinenführung, in welcher die als Abgasturbine der Abgasführung 10 ausgebildete Turbine 20 des eATL 4 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 20 ist eine Nachbehandlungszuführung 42 angeordnet, in welche das Wastegate 38 mündet. Die Nachbehandlungszuführung 42 selbst mündet auf der stromabwärtigen Seite in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8.
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In der Darstellung der 1 ist ein erster Temperatursensor 44 im Abgasstrom unmittelbar vor der Turbine 20 und ein zweiter Temperatursensor 46 im Abgasstrom unmittelbar vor der Nachbehandlungsvorrichtung 8 dargestellt. Beide Temperatursensoren 44, 46 sind jeweils eingerichtet, an der vorbestimmten Stelle T3 bzw. T4, an welcher sie angeordnet sind, eine Ausprägung einer Abgastemperatur in Echtzeit zu erfassen.
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Für die dargestellte Ausführung der Erfindung ist es jedoch genauso gut möglich, dass die Erfassung der Temperatur nicht oder nicht ausschließlich mittels der Temperatursensoren 44 und 46 erfolgt, sondern ausschließlich mittels eines entsprechenden Temperaturmodells 48 für die jeweilige Stelle, oder zumindest mittels eines Abgleichs zwischen den durch die Sensoren 44 und 46 erfassten Ausprägungen und dem Temperaturmodell 48.
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Ein solches Temperaturmodell 48 hält mit einer ausreichenden Genauigkeit und Verlässlichkeit vorzugsweise in Abhängigkeit von Betriebskenndaten des Antriebs 1 für eine Vielzahl von Kombinationen der Betriebskenndaten jeweils eine zu erwartende Temperatur an der betrachteten Stelle der Abgasführung 10 bereit. Im Ausführungsbeispiel kann beispielsweise ein Temperaturmodell 48 Anwendung finden, in welchem zu erwartende Temperaturen an der Abgasturbine 20 bzw. an der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 für eine Vielzahl von Wertepaaren eines Abgasdrucks p im Zylinder 12 einerseits und einer Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 andererseits hinterlegt sind.
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Die Abgasführung weist zudem ein Steuermittel 50 auf, welches zur Übermittlung von Steuerbefehlen und/oder Zustandsdaten und/oder Sensordaten mit den Temperatursensoren 44 und 46, mit dem Ventil 40, mit der Betriebseinheit 32 der elektrischen Maschine 26, mit der Einspritzeinheit 14 sowie mit den Temperaturmodellen 48 verbunden ist. Das Steuermittel 50 kann auch integriert mit einem Steuermittel des Verbrennungsmotors 2, des Antriebs 1 oder des gesamten Kraftfahrzeugs ausgebildet sein.
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Die doppelt gestrichenen Pfeile an der stromaufwärtigen Seite der Ladeluftzuführung 6 und an der stromabwärtigen Seite symbolisieren einen Massenstrom an Ladeluft an einem Einlass oder einer Eingangssystemgrenze bzw. einem Massenstrom an nachbehandelten Abgasen an einer Auspuffeinrichtung oder einer Ausgangssystemgrenze.
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In der Darstellung der 1 arbeitet der eATL 4 im Neutralbetrieb. Das ist dargestellt durch den gebogenen Pfeil links des Kompressors 18, welcher eine Drehung der drehfest verbundenen Anordnung von Abgasturbine 20 und Kompressor 18 rein aus der kinetischen Energie des durch die Turbine 20 geleiteten Abgases verdeutlichen soll.
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Ein solcher Neutralbetrieb kommt beispielsweise infrage, wenn sich aus der erfassten Werten der Temperatursensoren 44 und 46 und/oder aus den Werten, welche das Steuermittel 50 aus den Temperaturmodellen 48 ausliest, für keine der überwachten Stellen eine Abgastemperatur nahe dem jeweiligen Grenzwert ergibt.
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Die Funktionsweise der Erfindung und insbesondere die Schritte eines Verfahrens nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung sind nachfolgend anhand der 2 und 3 beschrieben.
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2 zeigt einen Betriebsfall, bei welchem das Steuermittel 50 auf Basis der erfassten Ausprägung der Abgastemperatur (mittels des Temperatursensors 44 oder mittels des Temperaturmodells 48) eine zu hohe Abgastemperatur im Bereich der Abgasturbine 20 erkennt. Ein solcher Fall kann beispielsweise eintreten, wenn der erfasste Temperaturwert sich nahe dem Grenzwert befindet, diesem entspricht oder diesen übersteigt und/oder wenn ein Temperaturgradient erwarten lässt, dass ohne Gegenmaßnahmen der Grenzwert überschritten werden wird. Der hohe erfasste Wert ist in 2 dadurch dargestellt, dass der Temperatursensor 44 geschwärzt dargestellt ist.
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Das Steuermittel 50 hat nun also ermittelt, dass das Abgas zu heiß für die Abgasturbine 20 ist. Um dem entgegenzuwirken, schaltet es den Betriebsmodus der elektrischen Maschine 26 des eATL 4 um und passt ihn ggf. in Abhängigkeit davon, wie stark die Überschreitung ist, an, und zwar ausgehend vom Neutralbetrieb hin zu einem Motorbetrieb mit einer beispielsweise in einem Betriebsmodell in dem Steuermittel 50 hinterlegten Leistung, die von der Höhe der Temperatur abhängen kann.
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Damit wirkt nun die elektrische Maschine 26 mit ihrem Drehmoment in diejenige Richtung, in welche auch das abzuführende Abgas an der Abgasturbine 20 diese dreht. Dies ist in 2 durch den zwischen der Turbine 20 und dem Rotor 24 eingezeichneten, gekrümmten Pfeil dargestellt.
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Die Drehung der Abgasturbine 20 beschleunigt sich, was eine Absenkung des Abgasgegendrucks vor der Turbine bewirkt. Durch diese Absenkung sinkt die interne Motorlast, weshalb die Gemisch-Zündung, beispielsweise mittels Zündkerzen an der Einspritzeinheit 14, früher stattfinden kann und somit die Abgastemperatur T3 an der Abgasturbine 20 selbst gesenkt werden kann. Ist auf diese Weise die Abgastemperatur an der Turbine 20 weit genug abgesenkt worden, kann beispielsweise mittels der Steuermittel 50 über die Einspritzeinheit 14 eine Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemisches verringert oder eingestellt werden.
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Eine derartige Verwendung des Motorbetriebs der Abgasturbine 20 kommt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Betracht ab Drehzahlen des Verbrennungsmotors von ca. 1700/min, wenn dabei der Abgasdruck nahe einem Maximum von ca. 2900 kPA liegt. Im Bereich maximaler Drehzahlen von ca. 6500/min kann der Motorbetrieb der Abgasturbine 20 auch bereits ab einem Abgasdruck von ca. 1600 kPa unterstützend wirken. Simulationen ergaben eine Temperaturabsenkung in der Größenordnung von bis zu 20°C.
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3 zeigt einen Betriebsfall, bei welchem das Steuermittel 50 auf Basis der erfassten Ausprägung der Abgastemperatur (mittels des Temperatursensors 46 oder mittels des Temperaturmodells 48) eine zu hohe Abgastemperatur im Bereich der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 erkennt. Ein solcher Fall kann beispielsweise eintreten, wenn der erfasste Temperaturwert sich nahe dem Grenzwert befindet, diesem entspricht oder diesen übersteigt und/oder wenn ein Temperaturgradient erwarten lässt, dass ohne Gegenmaßnahmen der Grenzwert überschritten werden wird. Der hohe erfasste Wert ist in 3 dadurch dargestellt, dass der Temperatursensor 46 geschwärzt dargestellt ist.
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Das Steuermittel 50 hat nun also ermittelt, dass das Abgas zu heiß für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 ist. Um dem entgegenzuwirken, schaltet es den Betriebsmodus der elektrischen Maschine 26 des eATL 4 um und passt ihn ggf. in Abhängigkeit davon, wie stark die Überschreitung ist, an, und zwar ausgehend vom Neutralbetrieb hin zu einem Rekuperationsbetrieb mit einer beispielsweise in einem Betriebsmodell in dem Steuermittel 50 hinterlegten Leistung, die von der Höhe der Temperatur abhängen kann.
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Damit wirkt nun die elektrische Maschine 26 mit ihrem Drehmoment entgegen derjenigen Richtung, in welche das abzuführende Abgas an der Abgasturbine 20 diese dreht. Dies ist in 3 durch den zwischen der Turbine 20 und dem Rotor 24 eingezeichneten, gekrümmten Pfeil dargestellt, der im Vergleich zur Darstellung in 2 eine umgekehrte Drehrichtung aufweist.
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Zudem wird mittels der Steuereinheit 50 das Ventil 40 zumindest teilweise geschlossen, sodass aufgrund des erhöhten Abgas-Massenstroms eine Erhöhung der Leistung der Abgasturbine im Generatorbetrieb ermöglicht wird. Gleichzeitig wird der Massenstrom über das Wastegate 38 verringert. Dadurch und durch die Führung des Abgases über den längeren Weg durch die Turbine 20, kommt das Abgas mit einer durchschnittlich niedrigeren Temperatur an der Stelle T4 an, die der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 zur Temperaturerfassung zugeordnet ist. Im beschriebenen Betriebsfall ermöglicht also auch der Generator des eATL 4 einen teilweisen oder umfassenden Verzicht auf die Gemisch-Anfettung.
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Eine derartige Verwendung des Generatorbetriebs der Abgasturbine 20 kommt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Betracht ab Drehzahlen des Verbrennungsmotors von ca. 2000/min, wenn dabei der Abgasdruck nahe einem Maximum von ca. 2900 kPA liegt. Im Bereich maximaler Drehzahlen von ca. 6500/min kann der Generatorbetrieb der Abgasturbine 20 auch bereits ab einem Abgasdruck von ca. 1000 kPa unterstützend wirken.
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Die in den 2 und 3 dargestellten Betriebsfälle können im vorliegenden Ausführungsbeispiel miteinander kombiniert werden: über die vorhandenen Abgastemperaturmodelle 48 und/oder die vorhandenen Abgastemperatursensoren 44 und/oder 46 kann ein Regler bereitgestellt werden, der den Betrieb der elektrischen Maschine 26 und damit der Abgasturbine 20 derart einstellt, dass an den verschiedenen temperaturkritischen Stellen T3 und T4 in der Abgasführung 10 jeweils ein kombiniertes Optimum unterhalb der unterschiedlich festgelegten Temperaturgrenzwerte an vorbestimmten Stellen in der Abgasführung erreicht wird, beispielsweise an einer Stelle T3 an der Abgasturbine 20 und an einer Stelle T4 an der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8.
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Je nachdem, an welcher der beiden Stellen T3 und T4 bezüglich der Abgastemperatur oder der Abgastemperatur-Entwicklung ein ,kritischerer Fall‘ vorliegt, kann das Steuermittel 50 ermitteln, ob ein Motor-Betriebsmodus zur Senkung der Temperatur an der Stelle T3 oder ein Rekuperations-Betriebsmodus zur Senkung der Temperatur an der Stelle T4 angezeigt ist. Entsprechend der erfassten Ausprägungen kann dann die elektrische Maschine 26 in den Motorbetrieb oder in den Rekuperationsbetrieb umgeschalten werden. Vorzugsweise verbleibt die elektrische Maschine in einem Neutralbetriebzustand, falls nicht klar differenziert werden kann, ob eine Schaltung zur Senkung der Abgastemperatur an der einen Stelle einen unerwünschten negativen Effekt auf die Abgastemperatur an der anderen Stelle haben könnte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugantrieb
- 2
- Verbrennungsmotor
- 4
- elektrisch aktuierter Turbolader (eATL)
- 6
- Ladeluftzuführung
- 8
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 10
- Abgasführung
- 12
- Zylinder
- 14
- Einspritzeinheit
- 18
- Kompressor
- 20
- Abgasturbine
- 22
- Welle
- 24
- Rotor
- 26
- elektrische Maschine
- 28
- Stator
- 30
- Karrosserieteil
- 32
- Betriebseinheit
- 34
- Abgaskrümmer
- 36
- Turbinenzuführung
- 38
- Wastegate
- 40
- Wastegate-Ventil
- 42
- Nachbehandlungszuführung
- 44
- erster Temperatursensor
- 46
- zweiter Temperatursensor
- 48
- Temperaturmodelle
- 50
- Steuermittel
- T3
- Stelle in der Abgasführung vor der Abgasturbine
- T4
- Stelle in der Abgasführung vor der Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- p
- Abgasdruck
- n
- Drehzahl des Verbrennungsmotors
