DE102019003120A1 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem elektrisch betriebenen Abgasturbolader (5) und einer Abgasrückführung. Erfindungsgemäß wird zur Senkung einer Stickoxidemission der Verbrennungskraftmaschine (2) eine Abgasrückführungsrate erhöht. Gleichzeitig wird ein Ladedruck (pe) durch Ansteuerung des elektrisch betriebenen Abgasturboladers (5) erhöht oder bei einer Öffnung einer variablen Turbinengeometrie des Abgasturboladers (5) zumindest konstant gehalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind allgemein Fahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen zum Antrieb der Fahrzeuge bekannt. Um einen Schadstoffausstoß und eine Energieeffizienz zu verbessern, ist eine so genannte Abgasrückführung bekannt, bei welcher Verbrennungsabgase in einen Ansaugbereich der Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt werden. Um eine Stickoxidemission der Verbrennungskraftmaschine zu senken, wird im Allgemeinen eine höhere Abgasrückführungsrate, kurz AGR-Rate, eingestellt. Mit steigender AGR-Rate steigen jedoch auch ein Kraftstoffverbrauch und daraus folgend Emissionen von Kohlenstoffdioxid sowie von Ruß, da durch eine Zunahme der AGR-Rate das Verbrennungsluftverhältnis „Lambda“ sinkt. Um der Verbrennungskraftmaschine mehr Luft zuzuführen und somit die Emission von Ruß zu beschränken, wird ein Ladedruck eines Abgasturboladers erhöht. Dies erfolgt im Allgemeinen anhand einer Verstellung einer so genannten variablen Turbinengeometrie des Abgasturboladers, wodurch jedoch ein Druck vor der Turbine steigt. Hierdurch wird ein Ladungswechsel verschlechtert, was sich wiederum negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.
  • Es ist das Ziel, bei wachsender oder zumindest gleichbleibender Leistung der Verbrennungskraftmaschine deren Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen zu senken. Hierzu ist bekannt, einen Hubraum und eine Zylinderanzahl der Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitiger Steigerung eines Aufladegrades mittels des Abgasturboladers zu senken. Hierbei existiert insbesondere in einem Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine eine große gegenläufige Abhängigkeit, auch als Trade-Off bezeichnet, zwischen den Stickoxidemissionen, Rußemissionen und dem Kraftstoffverbrauch.
  • Prinzipiell basiert der Trade-Off auf einem von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Gemisch aus Luft und einem von der Abgasrückführung zur Verfügung gestellten Gas. Mit zunehmender AGR-Rate (Inertgasrate) sinkt ein Luft-KraftstoffVerhältnis (= Lambda) in Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine. Dies führt zu einer Verbrennung bei niedrigeren Temperaturen, da eine Brennraum- oder Zylinderfüllung weniger reaktives Gas, d. h. weniger Sauerstoff, enthält. Im Gegenzug führt dies jedoch zu einer erhöhten Rußemission, wie sie für eine Verbrennung mit wenig Sauerstoff und damit einhergehend geringen Umsatzgeschwindigkeiten typisch ist. Durch die niedrigere Verbrennungstemperatur entstehen allerdings auch weniger Stickoxide, da die Bildung dieser insbesondere bei hohen Verbrennungstemperaturen und Sauerstoffüberschuss stattfindet. Da das Einbringen des Gases aus der Abgasrückführung in die Brennräume Energie kostet und somit ein Gesamtwirkungsgrad sinkt, steigt ein spezifischer Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine.
  • Aus der EP 2 634 402 A1 ist ein Turboladersystem für eine Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs mit einer Abgasrückführung, einem Abgasturbolader und einem elektrischen Zusatzverdichter bekannt. Die Abgasrückführung, Abgasturbolader und der Zusatzverdichter werden dabei derart betrieben, dass eine Stickoxidemission möglichst vermieden wird.
  • Weiterhin ist aus der DE 32 18 156 A1 eine Abgasrückführung bei einer mit einem Abgasturbolader versehenen Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs bekannt. Die Abgasrückführung umfasst eine Abgasrückführleitung, welche eine Abgasleitung vor einer Turbine des Abgasturboladers mit einer Ladeluftleitung nach einem Verdichter des Abgasturboladers verbindet und in welcher ein von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und des Fahrzeugs gesteuertes Abgasrückführventil angeordnet ist. Ferner sind Steuermittel vorgesehen, mit denen ein Druck in der Abgasleitung vor der Turbine gegenüber einem Druck in der Ladeluftleitung nach dem Verdichter erhöht oder mit denen der Druck in der Ladeluftleitung nach dem Verdichter gegenüber dem Druck in der Abgasleitung vor der Turbine abgesenkt wird. Stromab des Verdichters ist ein mechanisch angetriebener Lader angeordnet, welcher über einen Stellwandler mit einstellbarem Drehzahlschlupf stufenlos mit der Brennkraftmaschine gekoppelt ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführung anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • In einem Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem elektrisch betriebenen Abgasturbolader und einer Abgasrückführung wird erfindungsgemäß zur Senkung einer Stickoxidemission der Verbrennungskraftmaschine eine Abgasrückführungsrate erhöht und gleichzeitig ein Ladedruck durch Ansteuerung des elektrisch betriebenen Abgasturboladers erhöht oder bei einer Öffnung einer variablen Turbinengeometrie des Abgasturboladers zumindest konstant gehalten.
  • Mittels des Verfahrens ist es möglich, unter Einsatz des elektrisch betriebenen Abgasturboladers insbesondere im Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine deren Stickoxidemissionen und Rußemissionen bei zumindest gleichbeliebendem Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine zu verringern. Anhand einer mittels des Verfahrens durchgeführten Betriebsstrategie, wird ein Trade-Off zwischen Stickoxidemissionen, Rußemissionen und dem Kraftstoffverbrauch zumindest in großen Teilen aufgelöst und das Betriebsverhalten der Verbrennungskraftmaschine kann signifikant verbessert werden.
  • Hierbei wird mittels des Verfahrens bei einer gewünschten Senkung der Stickoxidemissionen die Abgasrückführungsrate erhöht. Gleichzeitig wird mittels des elektrisch betriebenen Abgasturboladers der Ladedruck erhöht oder bei Öffnung der variablen Turbinengeometrie zumindest ein Einbruch des Ladedrucks vermieden, so dass sich die Rußemissionen nicht zu erhöhen. Aufgrund der Verwendung des elektrisch betriebenen Abgasturboladers zur Ladedruckerhöhung ist keine Verstellung einer variablen Turbinengeometrie eines Abgasturboladers erforderlich und ein erzwungener Aufstau von Abgas vor einer Turbine des Abgasturboladers ist nicht erforderlich. Bei geöffneter variabler Turbinengeometrie des Abgasturboladers ergibt sich ein verbesserter Ladungswechsel und somit ein verbesserter Kraftstoffverbrauch. Somit wird ein Ladungswechsel nicht negativ beeinflusst, wodurch ein spezifischer Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine zumindest konstant bleibt.
  • In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Energie zum Antrieb des elektrisch betriebenen Abgasturboladers unmittelbar aus einer Drehbewegung einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine erzeugt. Somit wird die Verbrennungskraftmaschine direkt an der Kurbelwelle, beispielsweise über ein Hybridgetriebe, belastet, wodurch eine Auflastung der Verbrennungskraftmaschine resultiert, so dass sich ein Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine in einem motorischen Kraftstoffverbrauchskennfeld hin zu besseren spezifischen Verbräuchen verschiebt. Somit kann zusätzlich zur Reduzierung der Stickoxidemissionen und Rußemissionen auch der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine verringert werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 schematisch ein Blockschaltbild einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs und
    • 2 schematisch ein Kraftstoffverbrauchskennfeld einer Verbrennungskraftmaschine der Antriebseinheit gemäß 1.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist ein Blockschaltbild eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Antriebseinheit 1 eines Fahrzeugs dargestellt. 2 zeigt ein Kraftstoffverbrauchskennfeld KF einer Verbrennungskraftmaschine 2 der Antriebseinheit 1 gemäß 1.
  • Die Antriebseinheit 1 umfasst die Verbrennungskraftmaschine 2, an deren nicht näher dargestellter Kurbelwelle direkt ein Hybridmodul 3 gekoppelt ist. Weiterhin umfasst die Antriebseinheit 1 einen Ladeluftkühler 4, einen elektrisch betreibbaren Abgasturbolader 5, einen Energiespeicher 7 und eine Steuereinheit 6, welche mittels Kabelverbindungen 10, 11 mit dem Energiespeicher 7 und dem Hybridmodul 3 gekoppelt ist. Der Energiespeicher 7 ist über eine Kabelverbindung 13 mit dem Hybridmodul 3 gekoppelt.
  • Der Abgasturbolader 5 umfasst eine mit einem in einer Abgasleitung 8 geführten Abgasstrom fluidisch gekoppelte Turbine 5.1 und einen Verdichter 5.2, welcher zur Verdichtung von Luft in Strömungsrichtung der Luft vor dem Ladeluftkühler 4 strömungstechnisch mit einer Ansaugleitung 9 gekoppelt ist. Dabei wird eine mittels der Turbine 5.1 aus dem Abgasstrom gewonnene Energie auf den Verdichter 5.2 übertragen. Zusätzlich umfasst der Abgasturbolader 5 einen elektrischen Antrieb 5.3, welcher den Verdichter 5.2 beispielsweise bei geringem Abgasstrom allein antreibt oder den Verdichter 5.2 zusätzlich zur Turbine 5.1 antreibt. Zur Steuerung des elektrischen Antriebs 5.3 ist dieser über eine weitere Kabelverbindung 12 mit der Steuereinheit 6 gekoppelt.
  • Weiterhin umfasst die Antriebseinheit 1 eine nicht näher dargestellte Abgasrückführung, welche Verbrennungsabgase in einen Ansaugbereich der Verbrennungskraftmaschine 2 zurückführt.
  • Um insbesondere in einem Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine 2 einen Trade-Off zwischen Stickoxidemissionen, Rußemissionen und einem Kraftstoffverbrauch V der Verbrennungskraftmaschine 2 zu minimieren sowie Stickoxidemissionen, Rußemissionen und den Kraftstoffverbrauch V zu senken, ist vorgesehen, das zur Senkung von Stickoxidemissionen eine Abgasrückführungsrate erhöht wird. Gleichzeitig wird ein Ladedruck pe durch Ansteuerung des elektrisch betriebenen Abgasturboladers 5 erhöht, wobei die Ladedruckerhöhung allein durch Ansteuerung des elektrischen Antriebs 5.3 erfolgt. Somit ist keine Verstellung einer variablen Turbinengeometrie des Abgasturboladers 5 erforderlich und ein erzwungener Aufstau von Abgas vor der Turbine 5.1 ist nicht erforderlich. Das heißt, in dieser Konstellation kann die variable Turbinengeometrie des Abgasturboladers 5 prinzipiell komplett geöffnet werden. Hieraus ergibt sich per se ein verbesserter Ladungswechsel und somit ein verbesserter Kraftstoffverbrauch. Daraus folgend wird ein Ladungswechsel nicht negativ beeinflusst.
  • Dabei wird eine Energie zum Antrieb des elektrischen Antriebs 5.3 unmittelbar aus einer Drehbewegung der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 2 erzeugt. Hierzu ist das Hybridmodul 3 vorgesehen, welches zumindest eine mit der Kurbelwelle gekoppelte elektrische Maschine, welche als Elektromotor und/oder als elektrischer Generator betreibbar ist, umfasst. Diese elektrische Maschine ist über die Kabelverbindung 11 direkt oder über die Kabelverbindung 13 über den Energiespeicher 7 mit dem elektrischen Antrieb 5.3 des Abgasturboladers 5 elektrisch gekoppelt.
  • Wird nun der elektrische Abgasturbolader 5 angesteuert, um den Ladedruck pe zu erhöhen, wird mittels des Hybridmoduls 3 an der Kurbelwelle in einem Generatorbetrieb elektrische Energie erzeugt und dem elektrischen Antrieb 5.3 des Abgasturboladers 5 zur Verfügung stellt. Da die Verbrennungskraftmaschine 2 nun sowohl die zum Betrieb an dem jeweiligen Betriebspunkt notwendige, als auch die zusätzliche Last zum Speisen des Hybridmoduls 3 aufbringen muss, verschiebt sich sein Betriebspunkt BP1 zu einem Betriebspunkt BP2, wie 2 schematisch zeigt. Darüber hinaus können insbesondere bei zweistufigen Aufladesystemen, welche über Verstellorgane, beispielsweise eine variable Turbinengeometrie verfügen, diese Verstellorgane weiter geöffnet werden, was einen Ladungswechsel und damit einhergehend den Wirkungsgrad und den Kraftstoffverbrauch V verbessert.
  • Waren beispielsweise an dem Betriebspunkt BP1, der beispielsweise bei einer Drehzahl n von 2000 1/min liegt, 3 kW reine Antriebsleistung erforderlich und der elektrische Antrieb 5.3 des Abgasturboladers 5 benötigt nach Einschalten 1,5 kW Leistung zur Erhöhung eines Ladedrucks pe , so muss die Verbrennungskraftmaschine 2 dann bei 4,5 kW betrieben werden.
  • Wie aus dem Kraftstoffverbrauchskennfeld KF ersichtlich ist, wird durch das Auflasten der Verbrennungskraftmaschine 2 gemäß der obigen Beschreibung der Betriebspunkt BP1 „nach oben“ auf den Betriebspunkt BP2 verschoben. Dieser Betriebspunkt BP2 weist deutlich bessere, d. h. geringere spezifische Verbrauchswerte in [g/kWh] auf. Wie hierbei schematisch gezeigt, sind Gradienten des spezifischen Kraftstoffverbrauchs V insbesondere in unteren Kennfeldbereichen so groß, dass durch das Auflasten nicht nur ein spezifischer, sondern auch ein absoluter Verbrauchsvorteil generiert werden kann.
  • Das heißt, der elektrische Abgasturbolader 5 wird betrieben, um möglichst geringe Stickoxidemissionen bei gleichzeitig geringen Rußemissionen zu erzeugen. Falls vorhanden, können konventionelle Ladungsregelungsorgane, wie beispielsweise eine variable Turbinengeometrie, weiter geöffnet werden, was den Ladungswechsel verbessert und damit prinzipiell den Absolutverbrauch verbessert. Durch das Auflasten der Verbrennungskraftmaschine 2 zur Kompensation der zum Betrieb des elektrischen Antriebs 5.3 des Abgasturboladers 5 erforderlichen Energie verschiebt sich dessen Betriebspunkt BP1 hin zu günstigeren spezifischen Kraftstoffverbräuchen V.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebseinheit
    2
    Verbrennungskraftmaschine
    3
    Hybridmodul
    4
    Ladeluftkühler
    5
    Abgasturbolader
    5.1
    Turbine
    5.2
    Verdichter
    5.3
    Antrieb
    6
    Steuereinheit
    7
    Energiespeicher
    8
    Abgasleitung
    9
    Ansaugleitung
    10
    Kabelverbindung
    11
    Kabelverbindung
    12
    Kabelverbindung
    13
    Kabelverbindung
    BP1
    Betriebspunkt
    BP2
    Betriebspunkt
    KF
    Kraftstoffverbrauchskennfeld
    n
    Drehzahl
    pe
    Ladedruck
    V
    Kraftstoffverbrauch
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2634402 A1 [0005]
    • DE 3218156 A1 [0006]

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem elektrisch betriebenen Abgasturbolader (5) und einer Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, dass - zur Senkung einer Stickoxidemission der Verbrennungskraftmaschine (2) eine Abgasrückführungsrate erhöht wird und - gleichzeitig ein Ladedruck (pe) durch Ansteuerung des elektrisch betriebenen Abgasturboladers (5) erhöht wird oder bei einer Öffnung einer variablen Turbinengeometrie des Abgasturboladers (5) zumindest konstant gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energie zum Antrieb des elektrisch betriebenen Abgasturboladers (5) unmittelbar aus einer Drehbewegung einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine (2) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb des elektrisch betriebenen Abgasturboladers (5) eine mit der Kurbelwelle gekoppelte elektrische Maschine, welche als Elektromotor und/oder als elektrischer Generator betreibbar ist, mit einem elektrischen Antrieb (5.3) des Abgasturboladers (5) mechanisch und/oder elektrisch gekoppelt ist.
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