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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine, mit einem Abgasturbolader, der druckseitig durch eine Frischluftleitung mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, mit einem flüssigen Brennstoff für die Brennkraftmaschine bereitstellenden Tank, und mit einer Tankentlüftung, die einen mit dem Tank verbundenen Aktivkohlefilter aufweist, wobei der Aktivkohlefilter einen Frischlufteinlass und einen Gasauslass aufweist, wobei der Gasauslass durch eine Gasleitung mit einem Saugrohr des Abgasturboladers verbunden ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Antriebssystems.
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Stand der Technik
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Antriebssysteme und Verfahren dieser sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Leistungssteigerung ist es bekannt, eine Brennkraftmaschine einem Abgasturbolader zuzuordnen, der durch den Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben wird und Frischluft verdichtet und den Brennkammern der Brennkraftmaschine zuführt. Dazu weist der Abgasturbolader einen vom Abgasstrom angetriebene Turbine sowie einen von der Turbine angetriebenen Verdichter auf. In den Brennkammern wird die verdichtete Frischluft zusammen mit dem in die Brennkammern zugeführten Brennstoff verbrannt. Der Brennstoff wird durch einen Tank bereitgestellt, der zur Tankentlüftung mit einem Aktivkohlefilter verbunden ist. Der Aktivkohlefilter nimmt gasförmige Bestandteile des Kraftstoffs auf und speichert diese. Zur Regeneration des Aktivkohlefilters ist dieser durch einen Gasauslass mit einem Saugrohr des Abgasturboladers verbunden, sodass der ausgegaste Brennstoff/Kraftstoff durch das Saugrohr und den Abgasturbolader zu der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Dabei ist es bekannt, die Kraftstoffmenge, die der Brennkraftmaschine durch die Tankentlüftung zugeführt wird, bei der Zumessung von flüssigem Brennstoff mittels der den Brennkammern zugeordneten Einspritzventilen wieder abzuziehen.
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Bei herkömmlichen Antriebssystemen, die ohne Abgasturbolader arbeiten, muss zur Regeneration des Aktivkohlefilters eine ausreichend lange Phase mit Saugrohrunterdruck vorhanden sein, wobei diese Phase regelmäßig auftreten muss. Bei Antriebssystemen mit Abgasturboladern kann ein Saugrohrunterdruck jedoch nicht immer gewährleistet werden, weswegen solche Systeme in der Regel eine zweite Einleitstelle der Gasleitung in das Antriebssystem aufweist. Damit eine merkliche Regenerierung erfolgt, muss sich das Antriebssystem jedoch im aufgeladenen Zustand befinden, der Abgasturbolader also Frischluft verdichten und einen Überdruck erzeugen. Aufgrund der derzeitigen Entwicklung wird es jedoch zunehmend schwierig, den Aktivkohlefilter ausreichend zu regenerieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Regeneration des Aktivkohlefilters jederzeit durchführbar ist. Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Tankentlüftung ein elektromotorischer Verdichter vorhanden und druckseitig durch eine Zusatzleitung mit der Tankentlüftung verbunden ist, und dass der Abgasturbolader druckseitig durch eine in der Frischluftleitung angeordneten und betätigbaren Drosselklappe mit der Brennkraftmaschine derart verbunden ist, dass ein durch den elektromotorischen Verdichter zur Tankentlüftung erhöhter Gasmassenstrom durch die Betätigung der Drosselklappe kompensiert wird. Durch das Vorsehen eines elektromotorischen Verdichters wird erreicht, dass jederzeit ein erhöhter Gasstrom erzielbar ist, der zudem für die Tankentlüftung beziehungsweise die Regeneration des Aktivkohlefilters notwendigen Überdruck oder Unterdruck im Antriebssystem führt, unabhängig von einer Drehmomentanforderung an die Brennkraftmaschine. Dadurch ist jederzeit eine Regeneration des Aktivkohlefilters gewährleistet. Um zu vermeiden, dass durch den zur Tankentlüftung erhöhten Gasstrom die Luftfüllung in den Brennkammern der Brennkraftmaschine von einer Soll-Luftfüllung abweicht, wird der erhöhte Gasmassenstrom durch die betätigbare Drosselklappe kompensiert. So wird die Drosselklappe beispielsweise betätigt, um den Durchströmungsquerschnitt der Frischluftleitung zu verengen, wenn eine Tankentlüftung beziehungsweise eine Regeneration des Aktivkohlefilters durch einen erhöhten Gasmassenstrom erfolgt. Dadurch wird der Betrieb der Brennkraftmaschine nicht beeinträchtigt und dennoch ist eine Regeneration des Aktivkohlefilters möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Abgasturbolader eine Turbine und einen Verdichter auf, wie zuvor bereits erwähnt und dem Verdichter ist ein Elektromotor zugeordnet, um den elektromotorischen Verdichter zu bilden. Damit ist der elektromotorische Verdichter in den Abgasturbolader integriert. Dadurch wird eine besonders kompakte Ausführungsform des Antriebssystems geboten. Insbesondere ist hierzu auf einer ein Verdichterrad des Verdichters und ein Turbinenrad der Turbine tragenden Welle des Abgasturboladers der Rotor eines Elektromotors drehfest angeordnet, wodurch eine besonders bauraumsparende Integration gewährleistet ist. Alternativ ist der Elektromotor neben dem Abgasturbolader angeordnet und durch ein geeignetes Getriebe, beispielsweise einen Riementrieb oder dergleichen, mit der Welle des Abgasturboladers gekoppelt, um den Verdichter des Abgasturboladers bei Bedarf elektromotorisch anzutreiben.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist das Antriebssystem zusätzlich zu dem Abgasturbolader, der den Verdichter und die Turbine aufweist, den elektromotorischen Verdichter auf. Damit ist der elektromotorische Verdichter zusätzlich zu dem Abgasturbolader vorhanden und das Antriebssystem umfasst insgesamt zwei Verdichter, von denen zumindest der separate Verdichter elektromotorisch antreibbar ist. Dadurch ist losgelöst vom Abgasturbolader ein erhöhter Gasvolumenstrom oder Gasmassenstrom durch Ansteuern des elektromotorischen Verdichters jederzeit bereitstellbar, um die Regeneration des Aktivkohlefilters durchzuführen.
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Bevorzugt ist der elektromotorische Verdichter druckseitig auch mit der Gasleitung verbunden. Dadurch wird erreicht, dass zwischen erhöhten, durch die Gasleitung geführten Massenstrom ein erhöhter Unterdruck auf den Aktivkohlefilter wirkt, wodurch die Regeneration verbessert wird.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zusatzleitung in eine Venturi-Düse als Treibleitung mündet, wobei die Venturi-Düse ausgangsseitig mit dem Saugrohr und die Gasleitung mit einem Sauganschluss der Venturi-Düse verbunden ist. Die Venturi-Düse wird also von dem vom elektromotorischen Verdichter zugeführten Gasmassenstrom angetrieben, der durch die Venturi-Düse axial strömt. Insbesondere radial ist der Sauganschluss ausgebildet, durch welchen die Gasleitung in die Venturi-Düse ebenfalls mündet. Aufgrund des durch die Venturi-Düse erhöhten Unterdrucks im Bereich der Gasleitungsmündung entsteht ein besonders hoher Unterdruck, der auf den Aktivkohlefilter wirkt und dadurch die Regeneration vorantreibt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zusatzleitung stromabwärts einer druckseitigen Zusammenführung von Abgasturbolader und zusätzlichem elektromotorischen Verdichter zu der Venturi-Düse führt. Damit werden s die Gasmassenströme vom Abgasturbolader und vom Verdichter zusammengeführt und der dadurch resultierende Gesamtdruck der Venturi-Düse durch die Zusatzleitung, die von der Frischluftleitung entsprechend stromabwärts der Zusammenführung von der Druckseite des Abgasturboladers und des zusätzlichen elektromotorischen Verdichters, abzweigt, zugeführt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Gasauslass des Aktivkohlefilters zusätzlich stromabwärts der Drosselklappe mit der Frischluftleitung verbunden ist. Dadurch wird eine weitere Möglichkeit zur Regeneration des Aktivkohlefilters geboten, die zeitgleich oder alternativ zu der zuvor beschriebenen Einleitstelle des ausgegasten Kraftstoffs in das Antriebssystem nutzbar ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass dem zusätzlichen elektromotorischen Verdichter und/oder dem Abgasturbolader jeweils ein Rückschlagventil nachgeschaltet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass sich die Strömungsrichtung des jeweiligen Gasstroms nicht umkehren kann und ein sicherer Betrieb des Antriebssystems gewährleistet ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der zusätzliche elektromotorische Verdichter druckseitig durch eine Zusatzleitung, die insbesondere als Spülleitung dient, mit dem Frischlufteinlass des Aktivkohlefilters verbunden ist. Dadurch wird der vom elektromotorischen Verdichter bereitgestellte Gasmassenstrom dem Frischlufteinlass des Aktivkohlefilters zugeführt, wodurch der Aktivkohlefilter aktiv durch den Gasstrom durchgespült und Kraftstoff aus dem Aktivkohlefilter herausgetrieben und durch die Gasleitung dem Antriebssystem zugeführt wird. Durch dieses aktive Durchspülen des Aktivkohlefilters wird die Regenerationszeit reduziert.
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Bevorzugt ist in der Spülleitung ein betätigbares Ventil angeordnet, um den Spülvorgang bei Bedarf durchzuführen.
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Bevorzugt ist die Spülleitung stromaufwärts des Ventils und stromabwärts des zusätzlichen elektromotorischen Verdichters mit der Frischluftleitung insbesondere durch ein Rückschlagventil verbindbar. Dadurch wird erreicht, dass der elektromotorische Verdichter sowohl zum Spülen des Aktivkohlefilters durch die Spülleitung als auch zum Erzeugen erhöhter Luftfüllungen der Brennkraftmaschine nutzbar ist. Je nach Betätigung oder dem Zustand des Ventils wird der Gasmassenstrom zum Spülen des Aktivkohlefilters oder zum Aufladen der Brennkraftmaschine genutzt.
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Bevorzugt mündet dabei die Gasleitung, die von dem Aktivkohlefilter zu der Saugleitung führt, direkt in die Saugleitung. In diesem Fall wird also auf eine Venturi-Düse verzichtet, weil die Spülleistung aufgrund des aktiven Durchspülens des Aktivkohlefilters bereits ausreicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 zeichnet sich dadurch aus, dass die Drosselklappe in Abhängigkeit von der Ansteuerung des elektromotorischen Verdichters derart eingestellt beziehungsweise betätigt wird, dass ein durch den elektromotorischen Verdichter zur Tankentlüftung erhöhter Gasmassenstrom kompensiert wird und die Luftfüllungen der Brennkraftmaschine, bei unveränderter Anforderung eines Antriebsdrehmoments, unverändert bleibt. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Antriebssystems,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Antriebssystems, und
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des Antriebssystems, jeweils in einer vereinfachten Darstellung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiels eines vorteilhaften Antriebssystems 1 für ein hier nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug.
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Das Antriebssystem 1 weist eine Brennkraftmaschine 2 auf, die vorliegend als Hubkolbenmotor ausgebildet ist und mechanisch mit Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs koppelbar ist. Der Brennkraftmaschine 2 ist ein Abgasturbolader 3 zugeordnet. Der Abgasturbolader weist eine Turbine 4 und einen Verdichter 5 auf, wobei die Turbine 4 im Abgasstrang der Brennkraftmaschine 2 liegt und der Verdichter 5 in einem Frischluftstrang. Insbesondere weist die Turbine 4 ein Turbinenrad und der Verdichter 5 ein Verdichterrad auf, die auf einer gemeinsamen Welle im Gehäuse des Abgasturboladers 3 drehfest angeordnet sind, sodass das vom Abgas angetriebene Turbinenrad das Verdichterrad antreibt.
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Der Verdichter 5 ist einlassseitig mit einem Saugrohr 6 verbunden, durch welche Umgebungsluft, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Luftfilters 7 angesaugt werden kann, wie durch einen Pfeil in 1 angedeutet. Druckseitig ist der Verdichter 5 mit einer Frischluftleitung 8 verbunden, die zu den Brennkammern der Brennkraftmaschine 2 führt. In der Frischluftleitung 8 ist zwischen dem Verdichter 5 und der Brennkraftmaschine 2 außerdem eine betätigbare Drosselklappe 9 geschaltet, mittels welcher der Durchströmungsquerschnitt der Frischluftleitung 8 einstellbar ist. Die Brennkraftmaschine 2 wird durch ein Gasgemisch aus Frischluft und flüssigem Kraftstoff betrieben. Der Kraftstoff wird dabei in einem Tank 10 aufbewahrt und bereitgestellt.
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Weil mit der Zeit der flüssige Kraftstoff ausgast ist es notwendig, den Tank regelmäßig zu entlüften. Dazu ist eine Tankentlüftung 11 vorgesehen, die im Folgenden näher erläutert werden soll.
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Die Tankentlüftung 11 weist als ein wesentliches Merkmal einen Aktivkohlefilter 12 auf. Dieser ist durch eine Leitung 13 mit dem Tank 10 verbunden. Dabei mündet die Leitung 13 in den Tank 10 oberhalb eines erwartbaren Flüssigkeitsspiegels, vorteilhafterweise durch die Decke des Tanks 10 in den Innenraum des Tanks 10. Der ausgegaste Kraftstoff gelangt somit durch die Leitung 13 in den Aktivkohlefilter 12. Der Aktivkohlefilter 12 weist weiterhin einen Frischlufteinlass 14 und einen Gasauslass auf. Durch den Gasauslass kann in dem Aktivkohlefilter 12 gespeicherter Kraftstoff ausströmen und der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Dazu ist der Gasauslass 15 durch eine Leitung 16 mit der Frischluftleitung 8 stromabwärts der Drosselklappe 9 verbunden. Dem Gasauslass 15 ist dabei ein betätigbares Ventil 17 nachgeschaltet, um das Ausströmen des Gases aus dem Aktivkohlefilter 12 zu steuern.
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Befindet sich das Antriebssystem 1 in einem aufgeladenen Zustand, in welchem der Verdichter 5 komprimierte Frischluft in die Brennkammern der Brennkraftmaschine 2 treibt, entsteht an der Mündungsstelle der Leitung 16 in die Frischluftleitung 8 ein Sog, der sich auf den Aktivkohlefilter 12 auswirkt. Wird in diesem Moment das Ventil 17 betätigt, um den Aktivkohlefilter 12 mit der Frischluftleitung 8 zu verbinden, so wird durch den Frischlufteinlass 14 Frischluft in den Aktivkohlefilter 12 eingesaugt, der dort gespeicherte Kraftstoff gelöst und mit der Frischluft in die Brennkraftmaschine 2 transportiert. Somit erfolgt eine Regeneration des Aktivkohlefilters. In einem anderen Betriebszustand, in welchem der Unterdruck in der Leitung 16 nicht erzeugbar ist, ist eine Regeneration des Aktivkohlefilters 12 nicht möglich.
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Die Tankentlüftung 11 weist daher eine weitere Gasleitung 18 auf, die stromabwärts des Ventils 17 von der Gasleitung 16 abzweigt und unter Zwischenschaltung einer Venturi-Düse 19 zu dem Saugrohr 6 der Antriebseinrichtung führt. Die Venturi-Düse weist einen Sauganschluss 20 auf, an welchem die Gasleitung 18 angeschlossen ist, sowie einen Einlass 21 und einen Auslass 22, wobei der Auslass 22 mit dem Saugrohr 6 verbunden ist. Von dem Verdichter 5 des Abgasturboladers 3 führt eine Zusatzleitung 23, die von der Frischluftleitung 8 abzweigt, zu dem Einlass 21 der Venturi-Düse 19. Durch das von der Venturi-Düse 19 im Betrieb erzeugte Druckgefälle entsteht ein Sog an dem Saugeinlass 20, wodurch ein Sog auf den Aktivkohlefilter 12 bei geöffnetem Ventil 17 ausgeübt wird. Dadurch wird der Aktivkohlefilter 12 regeneriert, indem ein entsprechend hoher Frischluftstrom durch die Venturi-Düse 19 geführt wird.
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Dem Abgasturbolader 3 ist dabei außerdem ein Elektromotor 24 zugeordnet. Vorliegend ist ein Rotor des Elektromotors 24 dabei direkt auf der Welle, die die Turbine 4 mit dem Verdichter 5 verbindet, drehfest angeordnet und insoweit in den Abgasturbolader 3 integriert. Alternativ könnte der Elektromotor jedoch auch außerhalb des Abgasturboladers 3 angeordnet und mechanisch mit diesem verbunden/gekoppelt sein.
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Um eine Regeneration des Aktivkohlefilters 12 durchzuführen wird nun der Elektromotor 24 angetrieben, um einen erhöhten Gasmassenstrom zu erzeugen, der insbesondere zumindest anteilig der Venturi-Düse 19 zugeführt wird. Damit gleichzeitig nicht die Luftfüllungen in den Brennkammern der Brennkraftmaschine 2 verändert werden beziehungsweise von dem abweichen, was durch das angeforderte Drehmoment an Luftfüllungen benötigt wird, wird die Drosselklappe 9 betätigt, um den erhöhten Gasmassenstrom zu kompensieren und die Luftfüllungen konstant zu halten.
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Somit erlaubt es das vorliegende System durch das Erhöhen des Gasmassenstroms mittels des elektromotorisch angetriebenen Verdichters 5 den Aktivkohlefilter 12 zu regenerieren, ohne dass dadurch der Betrieb der Brennkraftmaschine 2 beeinträchtigt wird.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des vorteilhaften Antriebsystems 1, wobei aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel bereits bekannte Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insoweit auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist nunmehr vorgesehen, dass der elektromotorische Verdichter nicht in den Abgasturbolader 3 integriert ist, sonders als zusätzlicher elektromotorischer Verdichter 25 zu dem Abgasturbolader 3 parallel geschaltet ist. Durch ein Rückschlagventil 26 ist der zusätzliche elektromotorische Verdichter 25 mit der Frischluftleitung 8 druckseitig verbunden. Auch dem Abgasturbolader 3 ist ein Rückschlagventil 27 nachgeschaltet, wobei die Gasströme des Abgasturboladers 3 und des Verdichters 25 stromabwärts der Rückschlagventile 26 und 27 zusammengeführt werden. Die Zusatzleitung 23 zweigt stromabwärts der Zusammenführung der Gasströme von der Frischluftleitung 8 ab.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Erhöhen des Gasmassenstroms durch den elektromotorischen Verdichter 25 keine Auswirkung auf den Abgasstrang der Brennkraftmaschine 2 hat, weil der Verdichter 25 nicht mit dem Abgasturbolader 3 gekoppelt ist. Darüber hinaus wird der Gesamtgasstrom, der der Venturi-Düse zuführbar ist, insgesamt erhöht, sodass eine verbesserte Spülung/Regeneration des Aktivkohlefilters 12 zur Verfügung gestellt wird.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Antriebssystems 1, wobei bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die obenstehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel von 2 ist nunmehr vorgesehen, dass der zusätzliche elektromotorische Verdichter 25 druckseitig durch eine als Spülleitung dienende Zusatzleitung 28 mit dem oder einem weiteren Frischlufteinlass 29 des Aktivkohlefilters 12 verbunden. Stromabwärts des Verdichters 25 ist ein betätigbares Ventil 30 in der Spülleitung angeordnet, um deren Durchströmungsquerschnitt zu beeinflussen. Stromaufwärts des Ventils 30 ist die Spülleitung durch das Rückschlagventil 26, wie zuvor beschrieben, mit der Frischluftleitung 8 verbunden beziehungsweise bei ausreichend hohem Druck verbindbar.
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Wird nunmehr der Verdichter 25 angetrieben, wird ein Gasstrom erzeugt, der bei geöffnetem Ventil 30, das insbesondere als stromlos geschlossenes Ventil ausgebildet ist, durch die Spülleitung in den Aktivkohlefilter 12 gefördert wird, sodass dieser durchspült beziehungsweise ausgespült und der dort gespeicherte Kraftstoff durch die Gasleitung 18 direkt in das Saugrohr 6 gefördert wird, wobei in diesem Fall bevorzugt auf die Venturi-Düse verzichtet wird. In diesem Fall ist das Erzeugen eines Unterdrucks nicht notwendig, vielmehr wird durch den erzeugten der Spülleitung Überdruck der Aktivkohlefilter 12 bei Bedarf regeneriert. Der dadurch entstehende, zusätzlich in die Frischluftleitung 8 gelangende Gasmassenstrom wird erneut durch Betätigen der Drosselklappe 9 kompensiert, sodass die Brennkraftmaschine 2 im Betrieb nicht beeinträchtigt wird.
