DE102019102748A1

DE102019102748A1 - Verfahren und systeme für einen elektrischen turbolader

Info

Publication number: DE102019102748A1
Application number: DE102019102748.9A
Authority: DE
Inventors: Xiaogang Zhang; Chee Haw Chan; Lynn Aimee Chesney; Patrick Matthews
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2019-08-08
Also published as: US10544728B2; CN110131051A; US20190242296A1

Abstract

Diese Offenbarung stellt Verfahren und Systeme für einen elektrischen Turbolader bereit. Es werden Verfahren und Systeme für einen elektrischen Turbolader bereitgestellt. In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Drehen einer Turbine des elektrischen Turboladers in eine Umkehrrichtung, wobei die Turbine über eine Welle mechanisch an einen Verdichter gekoppelt ist. Die Drehung der Turbine kann auf Grundlage eines Kaltstart und/oder Motorbetriebsbedingungen außerhalb des Kaltstarts eingestellt werden.

Description

GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen das Verwenden eines elektrischen Turboladers, um Drücke eines Ansaug- und Abgaskanals einzustellen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Reduzierung von Auspuffemissionen kann ein gemeinsames Ziel unter Herstellern in der Automobilindustrie sein. Da die Standards für Auspuffemissionen immer weiter zunehmen, können Technologien kontinuierlich verbessert werden, um die Standards zu erfüllen. Auspuffemissionen auf Grundlage aktueller Standards können gesenkt werden müssen, um zukünftige Vorschriften zu erfüllen. Frühere Ansätze zum Reduzieren von Kaltstartemissionen beinhalten das Entwickeln von Katalysatoren, die sich schnell aufheizen und bei niedrigeren Temperaturen anspringen, und das Optimieren von Motorkaltstartbedingungen, um so schnell wie möglich Wärme an den Katalysator zu liefern. Jedoch ist selbst mit einem schnellen Katalysatoranspringen eine Zeitdauer während eines Kaltstarts vorhanden, in der der Katalysator nicht warm genug ist, um Emissionsarten umzuwandeln.
Einige Ansätze nutzen elektrische Heizvorrichtungen, um den Katalysator direkt zu heizen. Jedoch können diese Ansätze zusätzliche Energiespeichervorrichtungen erfordern, die in ein Fahrzeug integriert angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ erfordern derartige Systeme zusätzliche elektrische Verbindungen zwischen der elektrischen Heizvorrichtung und der Energiespeichervorrichtung, welche aufgrund des komplexen Aufbaus des Motors schwer zu verlegen sein können. Die elektrische Heizvorrichtung und ihre Verdrahtung können aufgrund des Umfelds mit hohen Temperaturen, um das sie angeordnet ist, zu Zersetzung neigen.
Bei anderen Ansätzen kann ein Gegendruckventil in den Abgaskanal eingeführt werden. Das Gegendruckventil kann den Gegendruck während des Kaltstarts erhöhen. US-Patentschrift Nr. 9.624.855 von Leone et al. lehrt beispielsweise ein Gegendruckventil, das stromabwärts von einem Katalysator angeordnet ist. Das Ventil kann während eines Kaltstarts angeschaltet werden, um den Abgasgegendruck zu erhöhen, was es dem Katalysator ermöglichen kann, eine Anspringtemperatur zu erreichen, bevor Emissionen in eine Atmosphäre freigesetzt werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch mögliche Probleme bei derartigen Systemen erkannt. Als ein Beispiel erhöht das Ventil Konfektionierungsbeschränkungen und kann aufgrund des kompakten Aufbaus moderner Motorsysteme schwer zu installieren sein. Darüber hinaus kann das Ventil keine andere Funktion bereitstellen, außer den Abgasgegendruck zu erhöhen. Schließlich kann das Rückschlagventil auch seine eigene Verdrahtung und eigene Verbindungen zu einer Steuerung und Energiespeichersystemen des Fahrzeugs erfordern.
KURZDARSTELLUNG
In einem Beispiel können die vorstehend beschriebenen Probleme durch ein Verfahren angegangen werden, das das Bestimmen eines Motorkaltstarts und das Drehen einer Turbine eines elektrischen Turboladers in eine Umkehrrichtung umfasst, um den Abgasgegendruck zu erhöhen, wobei die Turbine über eine Welle mechanisch an einen Verdichter gekoppelt ist. Auf diese Weise werden die Turbine und der Verdichter derart in Umkehrrichtungen gedreht, dass ein Abgasgegendruck zunimmt und ein Ansaugkrümmerunterdruck zunimmt.
Als ein Beispiel kann das Erhöhen des Ansaugkrümmerunterdrucks es ermöglichen, dass ein Unterdruck von einer oder mehreren Vakuumverbrauchsvorrichtungen zunimmt. Durch synergistisches Nutzen der umgekehrten Drehung der Turbine, um auch den Verdichter in die umgekehrte Richtung zu drehen, kann ein Unterdruck aufgefüllt werden, während der Katalysator über den erhöhten Abgasgegendruck aufgewärmt wird. Zusätzlich können die Turbine und der Verdichter genutzt werden, um Ansaugdrücke während Motorbetriebsbedingungen außerhalb eines Kaltstarts einzustellen. Falls beispielsweise ein Krümmerabsolutdruck (manifold absolute pressure - MAP) auf einen MAP zunimmt, der höher als eine Obergrenze eines gewünschten Bereichs ist, kann anschließend die Turbine, und folglich der Verdichter, in eine umgekehrte Richtung gedreht werden, um den MAP zu senken. Dies kann den Abgasgegendruck erhöhen, jedoch kann eine Drehzahl der Turbine derart eingestellt werden, dass der Abgasgegendruck während Motorbetriebsbedingungen außerhalb des Kaltstarts derart toleriert werden, dass die Verbrennungsstabilität nicht negativ betroffen ist.
Es versteht sich, dass die vorstehende Kurzdarstellung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben sind. Sie ist nicht dazu gedacht, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu nennen, dessen Umfang einzig durch die Patentansprüche im Anschluss an die detaillierte Beschreibung definiert ist. Darüber hinaus ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die vorstehend oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung angeführte Nachteile beseitigen.
Figurenliste

1 zeigt einen Motor eines Hybridfahrzeugs.
2A und 2B zeigen jeweilige Vorwärtsdrehungs- und Umkehrdrehungsvorgänge eines elektrischen Turboladers.
3 zeigt ein Verfahren zum Betreiben des elektrischen Turboladers.
4 zeigt ein Diagramm, das eine grafische Darstellung des Verfahrens aus 3 veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren für einen elektrischen Turbolader. Der elektrische Turbolader kann in einem Hybridfahrzeug beinhaltet sein, das einen Motor, wie etwa das Hybridfahrzeug aus 1, umfasst.
In einigen Beispielen umfasst der elektrische Turbolader eine elektrisch angetriebene Turbine, die mechanisch an einen Verdichter gekoppelt ist. Die Turbine und der Verdichter sind in 2A als sich in eine Vorwärtsrichtung drehend gezeigt. Wenn die Turbine und der Verdichter in eine Vorwärtsrichtung gedreht werden, kann Ladeluft zu dem Motor strömen. Somit kann der Abgasgegendruck nicht zunehmen und es kann kein Ansaugkrümmerunterdruck hergestellt werden. Wenn die Turbine und der Verdichter jedoch in eine Umkehrrichtung entgegen der Vorwärtsrichtung gedreht werden, kann der Abgasgegendruck zunehmen und es kann ein Ansaugkrümmerunterdruck erzeugt werden, wie in 2B gezeigt. Somit kann Ladeluft nicht zu dem Motor strömen, wenn die Turbine und der Verdichter in die Umkehrrichtung gedreht werden. Die Turbine und der Verdichter können während eines Kaltstarts und anderer Motorzustände in die Umkehrrichtung gedreht werden, wie in dem Verfahren aus 3 gezeigt. 4 veranschaulicht eine grafische Darstellung des Verfahrens 300, das das Einstellen einer Drehzahl der Turbine beinhaltet, um den Ansaugkrümmerdruck und/oder den Abgasgegendruck einzustellen.
1, 2A und 2B zeigen beispielhafte Konfigurationen mit einer relativen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Wenn derartige Elemente so gezeigt sind, dass sie einander direkt berühren oder direkt miteinander gekoppelt sind, können diese mindestens in einem Beispiel entsprechend als sich direkt berührend oder direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die aneinander anliegend oder zueinander benachbart gezeigt sind, mindestens in einem Beispiel entsprechend aneinander anliegend oder zueinander benachbart sein. Als ein Beispiel können Komponenten, die sich Flächen miteinander teilen, als in Flächenteilungskontakt stehend bezeichnet werden. Als ein weiteres Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt positioniert sind, wobei sich nur ein Abstand dazwischen befindet und keine anderen Komponenten, in mindestens einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch ein weiteres Beispiel können Elemente, die über-/untereinander, an gegenüberliegenden Seiten voneinander oder links/rechts voneinander gezeigt sind, bezogen aufeinander als solche bezeichnet werden. Ferner kann, wie in den Figuren gezeigt, in mindestens einem Beispiel ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements als eine „Oberseite“ der Komponente bezeichnet werden und kann ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements als eine „Unterseite“ der Komponente bezeichnet werden. Im vorliegenden Zusammenhang können sich Oberseite/Unterseite, obere(r/s)/untere(r/s), über/unter auf eine vertikale Achse der Figuren beziehen und dazu verwendet werden, die Positionen von Elementen der Figuren in Bezug aufeinander zu beschreiben. Demnach sind Elemente, die über anderen Elementen gezeigt sind, in einem Beispiel vertikal über den anderen Elementen positioniert. Als noch ein weiteres Beispiel können Formen der Elemente, die in den Figuren dargestellt sind, als diese Formen aufweisend bezeichnet werden (wie z. B. als rund, gerade, eben, gekrümmt, abgerundet, abgeschrägt, abgewinkelt oder dergleichen). Ferner können Elemente, die so gezeigt sind, dass sie einander schneiden, in mindestens einem Beispiel als sich schneidende Elemente oder einander schneidend bezeichnet werden. Noch ferner kann ein Element, das innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements gezeigt ist, in einem Beispiel als solches bezeichnet werden. Es versteht sich, dass eine oder mehrere Komponenten, die als „im Wesentlichen ähnlich und/oder identisch“ bezeichnet werden, sich je nach Herstellungstoleranzen (z. B. mit 1-5 % Abweichung) voneinander unterscheiden.
1 stellt ein Beispiel für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine 10 dar, die durch das Motorsystem 7 eines Fahrzeugs 5 beinhaltet ist. Der Motor 10 kann mindestens teilweise durch ein Steuersystem, das die Steuerung 12 beinhaltet, und durch Eingaben von einem Fahrzeugführer 130 über eine Eingabevorrichtung 132 gesteuert werden. In diesem Beispiel beinhaltet die Eingabevorrichtung 132 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Der Zylinder 14 (der hier auch als Brennkammer bezeichnet werden kann) des Motors 10 kann die Brennkammerwände 136 beinhalten, in denen der Kolben 138 positioniert ist. Der Kolben 138 kann an eine Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, sodass eine Wechselbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle übertragen wird. Die Kurbelwelle 140 kann über ein Getriebesystem an mindestens ein Antriebsrad des Personenkraftwagens gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlasser (nicht gezeigt) über ein Schwungrad mit der Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, um einen Startbetrieb des Motors 10 zu ermöglichen.
Der Zylinder 14 kann über eine Reihe von Ansaugluftkanälen 142, 144 und 146 Ansaugluft aufnehmen. Der Ansaugluftkanal 146 kann zusätzlich zu dem Zylinder 14 mit anderen Zylindern des Motors 10 in Verbindung stehen. 1 zeigt den Motor 10, der mit einem Turbolader 175, einschließend einen Verdichter 174, der zwischen den Ansaugkanälen 142 und 144 angeordnet ist, und einer Abgasturbine 176 konfiguriert ist, die entlang des Abgaskanals 148 angeordnet ist. Der Verdichter 174 kann mindestens teilweise von der Abgasturbine 176 über eine Welle 180 angetrieben werden. Eine Drossel 162, die eine Drosselklappe 164 beinhaltet, kann entlang eines Ansaugkanals des Motors bereitgestellt sein, um die Strömungsrate und/oder den Druck der Ansaugluft zu variieren, die den Motorzylindern bereitgestellt wird. Die Drossel 162 kann beispielsweise stromabwärts von dem Verdichter 174 positioniert sein, wie in 1 gezeigt, oder sie kann alternativ stromaufwärts von dem Verdichter 174 bereitgestellt sein.
Der Abgaskanal 148 kann zusätzlich zu dem Zylinder 14 Abgase aus anderen Zylindern des Motors 10 aufnehmen. Der Abgassensor 128 ist so gezeigt, dass er stromaufwärts von der Emissionssteuervorrichtung 178 an den Abgaskanal 148 gekoppelt ist. Der Sensor 128 kann aus verschiedenen geeigneten Sensoren zum Bereitstellen einer Angabe eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases ausgewählt sein, wie beispielsweise einer linearen Lambdasonde oder UEGO-Sonde (Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor; Breitband- oder Weitbereichlambdasonde), einer binären Lambdasonde oder EGO-Sonde (wie dargestellt), einer HEGO-Sonde (beheizten EGO-Sonde), einem NOx-, HC- oder CO-Sensor. Bei der Emissionssteuervorrichtung 178 kann es sich um einen Dreiwegekatalysator (Three Way Catalyst - TWC), eine NOx-Falle, verschiedene andere Emissionssteuervorrichtungen oder Kombinationen daraus handeln.
Jeder Zylinder des Motors 10 kann ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile beinhalten. Beispielsweise ist der Zylinder 14 so gezeigt, dass er mindestens ein Einlasstellerventil 150 und mindestens ein Auslasstellerventil 156 beinhaltet, die in einem oberen Bereich des Zylinders 14 gelegen sind. In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Motors 10, einschließlich des Zylinders 14, mindestens zwei Einlasstellerventile und mindestens zwei Auslasstellerventile beinhalten, die in einer oberen Region des Zylinders gelegen sind.
Das Einlassventil 150 kann über einen Aktor 152 durch die Steuerung 12 gesteuert werden. Gleichermaßen kann das Auslassventil 156 über den Aktor 154 durch die Steuerung 12 gesteuert werden. Unter einigen Bedingungen kann die Steuerung 12 die den Aktoren 152 und 154 bereitgestellten Signale variieren, um das Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlass- und Auslassventile zu steuern. Die Position des Einlassventils 150 und Auslassventils 156 kann durch entsprechende Ventilpositionssensoren (nicht gezeigt) bestimmt werden. Die Ventilaktoren können dem Typ mit elektrischer Ventilbetätigung oder dem Typ mit Nockenbetätigung oder einer Kombination davon entsprechen. Die Einlass- und Auslassventilsteuerung können gleichzeitig gesteuert werden oder es kann eine beliebige von einer Möglichkeit zur variablen Einlassnockenansteuerung, zur variablen Auslassnockenansteuerung, zur dualen unabhängigen variablen Nockenansteuerung oder zur festgelegten Nockenansteuerung verwendet werden. Jedes Nockenbetätigungssystem kann einen oder mehrere Nocken beinhalten und eines oder mehrere aus Systemen zur Nockenprofilverstellung (Cam Profile Switching - CPS), variablen Nockenansteuerung (Variable Cam Timing - VCT), variablen Ventilsteuerung (Variable Valve Timing - VVT) und/oder zum variablen Ventilhub (Variable Valve Lift - VVL), die durch die Steuerung 12 betrieben werden können, zum Variieren des Ventilbetriebs nutzen. Beispielsweise kann der Zylinder 14 alternativ ein über elektrische Ventilbetätigung gesteuertes Einlassventil und ein über Nockenbetätigung einschließlich CPS und/oder VCT gesteuertes Auslassventil beinhalten. In anderen Beispielen können das Einlass- und das Auslassventil durch einen gemeinsamen Ventilaktor oder ein gemeinsames Betätigungssystem oder einen Aktor oder ein Betätigungssystem zur variablen Ventilsteuerung gesteuert werden.
Der Zylinder 14 kann ein Verdichtungsverhältnis aufweisen, bei dem es sich um das Volumenverhältnis zwischen dem Kolben 138 am unteren Totpunkt und am oberen Totpunkt handelt. In einem Beispiel liegt das Verdichtungsverhältnis in dem Bereich von 9:1 bis 10:1. In einigen Beispielen, in denen andere Kraftstoffe verwendet werden, kann das Verdichtungsverhältnis jedoch erhöht sein. Hierzu kann es beispielsweise kommen, wenn Kraftstoffe mit einer höheren Oktanzahl oder Kraftstoffe mit einer höheren latenten Verdampfungsenthalpie verwendet werden. Wenn eine Direkteinspritzung verwendet wird, kann das Verdichtungsverhältnis aufgrund von deren Auswirkung auf das Motorklopfen ebenfalls erhöht sein.
In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Verbrennungsmotors 10 eine Zündkerze 192 zum Auslösen der Verbrennung beinhalten. Das Zündsystem 190 kann bei ausgewählten Betriebsmodi als Reaktion auf das Vorzündungssignal SA von der Steuerung 12 dem Zylinder 14 über die Zündkerze 192 einen Zündfunken bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann die Zündkerze 192 jedoch weggelassen werden, wie etwa, wenn der Motor 10 die Verbrennung durch eine Selbstzündung oder durch Kraftstoffeinspritzung einleiten kann, was bei einigen Dieselmotoren der Fall sein kann.
In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Motors 10 mit einer oder mehreren Kraftstoffeinspritzvorrichtungen konfiguriert sein, um diesem Kraftstoff bereitzustellen. Als nicht einschränkendes Beispiel ist der Zylinder 14 derart gezeigt, dass er zwei Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 166 und 170 beinhaltet. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 166 und 170 können ausgelegt sein, aus dem Kraftstoffsystem 8 aufgenommenen Kraftstoff abzugeben. Das Kraftstoffsystem 8 kann eine/n oder mehrere Kraftstofftanks, Kraftstoffpumpen und Kraftstoffleitungen beinhalten. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 ist so gezeigt, dass sie direkt an den Zylinder 14 gekoppelt ist, um Kraftstoff proportional zur Pulsweite des Signals FPW-1, das von der Steuerung 12 über einen elektronischen Treiber 168 aufgenommen wird, direkt in diesen einzuspritzen. Auf diese Weise stellt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 eine sogenannte Direkteinspritzung (Direct Injection; hier nachfolgend als „DI“ bezeichnet) von Kraftstoff in den Verbrennungszylinder 14 bereit. Während die Einspritzvorrichtung 166 in 1 auf einer Seite des Zylinders 14 positioniert gezeigt ist, kann sie alternativ dazu oberhalb des Kolbens angeordnet sein, wie etwa in der Nähe der Position der Zündkerze 192. Eine derartige Position kann das Mischen und Verbrennen verbessern, wenn der Motor mit einem Kraftstoff auf Alkoholbasis betrieben wird, da einige Kraftstoffe auf Alkoholbasis eine geringere Flüchtigkeit aufweisen. Alternativ kann die Einspritzvorrichtung oberhalb und in der Nähe des Einlassventils angeordnet sein, um das Mischen zu verbessern. Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 aus einem Kraftstofftank des Kraftstoffsystems 8 über eine Hochdruckkraftstoffpumpe und einen Kraftstoffverteiler zugeführt werden. Ferner kann der Kraftstofftank einen Druckwandler aufweisen, welcher der Steuerung 12 ein Signal bereitstellt.
Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 170 ist so gezeigt, dass sie im Ansaugkanal 146 und nicht im Zylinder 14 angeordnet ist, in einer Konfiguration, die eine sogenannte Saugrohrkraftstoffeinspritzung (Port Fuel Injection; im Folgenden als PFI bezeichnet) in das Ansaugrohr stromaufwärts von dem Zylinders 14 bereitstellt. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 170 kann aus dem Kraftstoffsystem 8 aufgenommenen Kraftstoff proportional zur Impulsbreite eines Signals FPW-2, das von der Steuerung 12 über einen elektronischen Treiber 171 empfangen wird, einspritzen. Es ist zu beachten, dass ein einzelner Treiber 168 oder 171 für beide Kraftstoffeinspritzsysteme verwendet werden kann oder, wie abgebildet, mehrere Treiber, beispielsweise der Treiber 168 für die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 und der Treiber 171 für die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 170, verwendet werden können.
In einem alternativen Beispiel kann jede der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 166 und 170 als Direktkraftstoffeinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder 14 ausgelegt sein. In noch einem anderen Beispiel kann jede der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 166 und 170 als Saugrohrkraftstoffeinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff stromaufwärts von dem Einlassventils 150 ausgelegt sein. In noch anderen Beispielen kann der Zylinder 14 nur eine einzelne Kraftstoffeinspritzvorrichtung beinhalten, die dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Kraftstoffe in variierenden relativen Mengen als Kraftstoffgemisch aus den Kraftstoffsystemen aufzunehmen, und die ferner dazu konfiguriert ist, dieses Kraftstoffgemisch entweder als eine Direktkraftstoffeinspritzvorrichtung direkt in den Zylinder oder als eine Saugrohrkraftstoffeinspritzvorrichtung stromaufwärts von den Einlassventile einzuspritzen.
Kraftstoff kann dem Zylinder während eines einzelnen Zyklus des Zylinders durch beide Einspritzvorrichtungen zugeführt werden. Beispielsweise kann jede Einspritzvorrichtung einen Teil einer Kraftstoffgesamteinspritzung zuführen, die in dem Zylinder 14 verbrannt wird. Ferner können die Verteilung und/oder die relative Menge des Kraftstoffs, der von jeder Einspritzvorrichtung zugeführt wird, je nach Betriebsbedingungen, wie etwa Motorlast, Klopfen und Abgastemperatur, wie in der vorliegenden Schrift nachstehend beschrieben, variieren. Der in das Ansaugrohr eingespritzte Kraftstoff kann während eines Ereignisses mit offenem Einlassventil, eines Ereignisses mit geschlossenem Einlassventil (z. B. im Wesentlichen vor dem Ansaugtakt) sowie während eines Betriebs bei sowohl offenem als auch geschlossenem Einlassventil zugeführt werden. Gleichermaßen kann direkt eingespritzter Kraftstoff beispielsweise während eines Ansaugtakts sowie teilweise während eines vorhergehenden Ausstoßtakts, während des Ansaugtakts und teilweise während des Verdichtungstakts zugeführt werden. Demnach kann selbst bei einem einzelnen Verbrennungsereignis eingespritzter Kraftstoff zu unterschiedlichen Zeitpunkten aus der Saugrohr- und Direkteinspritzvorrichtung eingespritzt werden. Darüber hinaus können bei einem einzelnen Verbrennungsereignis mehrere Einspritzungen des zugeführten Kraftstoffs pro Takt durchgeführt werden. Die mehreren Einspritzungen können während des Verdichtungstakts, Ansaugtakts oder einer beliebigen geeigneten Kombination daraus durchgeführt werden.
Der Betrieb des Einlassventils 150 kann hier ausführlicher beschrieben werden. Das Einlassventil 150 kann beispielsweise von einer vollständig geöffneten Position in eine vollständig geschlossene Position oder eine beliebige Position dazwischen bewegt werden. Wenn alle Bedingungen gleich sind (z. B. Drosselposition, Fahrzeuggeschwindigkeit, Druck usw.), ermöglicht es die geöffnete Position, dass im Vergleich zu einer beliebigen anderen Position des Einlassventils 150 mehr Luft von dem Ansaugkanal 146 in den Zylinder 14 eintritt. Umgekehrt kann die vollständig geschlossene Position verhindern und/oder ermöglichen, dass im Vergleich zu einer beliebigen anderen Position des Einlassventils 150 die geringstmögliche Menge an Luft von dem Ansaugkanals 146 in den Zylinder eintritt 14. Somit können die Positionen zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Position ermöglichen, dass variierende Mengen an Luft zwischen dem Ansaugkanal 146 zu dem Zylinder 14 strömen. In einem Beispiel ermöglicht das Bewegen des Einlassventils 150 in eine weiter geöffnete Position, dass mehr Luft von dem Ansaugkanal 146 zu dem Zylinder 14 strömt als in der Ausgangsposition.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 166 und 170 können unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Diese beinhalten Unterschiede in Bezug auf die Größe; beispielsweise kann eine Einspritzvorrichtung eine größere Einspritzöffnung als die andere aufweisen. Andere Unterschiede beinhalten unter anderem unterschiedliche Spritzwinkel, unterschiedliche Betriebstemperaturen, unterschiedliche Zielausrichtungen, unterschiedliche Einspritzzeitpunkte, unterschiedliche Spritzeigenschaften, unterschiedliche Positionen usw. Darüber hinaus können in Abhängigkeit von dem Verteilungsverhältnis des eingespritzten Kraftstoffs zwischen den Einspritzvorrichtungen 170 und 166 unterschiedliche Wirkungen erzielt werden.
Kraftstofftanks in dem Kraftstoffsystem 8 können Kraftstoffe unterschiedlicher Kraftstoffarten enthalten, wie etwa Kraftstoffe mit unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten und unterschiedlichen Kraftstoffzusammensetzungen. Die Unterschiede können unterschiedliche Alkoholgehalte, unterschiedliche Wassergehalte, unterschiedliche Oktanzahlen, unterschiedliche Verdampfungswärmen, unterschiedliche Kraftstoffgemische und/oder Kombinationen davon usw. beinhalten. Ein Beispiel für Kraftstoffe mit unterschiedlichen Verdampfungswärmen könnte Benzin als erste Kraftstoffart mit einer niedrigeren Verdampfungswärme und Ethanol als zweite Kraftstoffart mit einer größeren Verdampfungswärme beinhalten. In einem anderen Beispiel kann der Motor Benzin als erste Kraftstoffart und ein alkoholhaltiges Kraftstoffgemisch, wie etwa E85 (das ungefähr zu 85 % aus Ethanol und zu 15 % aus Benzin besteht) oder M85 (das ungefähr zu 85 % aus Methanol und zu 15 % aus Benzin besteht), als zweite Kraftstoffart verwenden. Weitere mögliche Stoffe beinhalten Wasser, Methanol, ein Gemisch aus Alkohol und Wasser, ein Gemisch aus Wasser und Methanol, ein Gemisch aus Alkoholen usw.
Die Steuerung 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 106, Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 108, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem konkreten Beispiel als nichtflüchtiger Festwertspeicherchip 110 zum Speichern ausführbarer Anweisungen gezeigt ist, Direktzugriffsspeicher 112, Keep-Alive-Speicher 114 und einen Datenbus beinhaltet. Die Steuerung 12 kann zusätzlich zu den zuvor erläuterten Signalen verschiedene Signale von an den Motor 10 gekoppelten Sensoren empfangen, einschließlich der Messung des eingeleiteten Luftmassenstroms (Mass Air Flow - MAF) von dem Luftmassenstromsensor 122; der Motorkühlmitteltemperatur (Engine Coolant Temperature - ECT) von dem Temperatursensor 116, der an die Kühlhülse 118 gekoppelt ist; eines Profilzündungsaufnahmesignals (Profile Ignition Pickup - PIP) von dem Hall-Effekt-Sensor 120 (oder einer anderen Art), der an die Kurbelwelle 140 gekoppelt ist; einer Drosselposition (Throttle Position - TP) von einem Drosselpositionssensor und eines Absolutkrümmerdrucksignals (Absolute Manifold Pressure- MAP) von dem Sensor 124. Das Motordrehzahlsignal, RPM, kann durch die Steuerung 12 aus dem PIP-Signal erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann dazu verwendet werden, eine Angabe von Unterdruck oder Druck in dem Ansaugkrümmer bereitzustellen. Die Steuerung 12 kann eine Motortemperatur auf Grundlage einer Motorkühlmitteltemperatur ableiten.
Wie vorstehend beschrieben, zeigt 1 lediglich einen Zylinder eines Mehrzylindermotors. Demnach kann jeder Zylinder gleichermaßen einen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, Kraftstoffeinspritzvorrichtung(en), Zündkerze usw. beinhalten. Es versteht sich, dass der Motor 10 eine beliebige geeignete Anzahl von Zylindern, einschließlich 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 oder mehr Zylindern, beinhalten kann. Ferner kann jeder dieser Zylinder einige oder alle der verschiedenen Komponenten beinhalten, die in 1 unter Bezugnahme auf den Zylinder 14 beschrieben und dargestellt sind.
In einigen Beispielen kann es sich bei dem Fahrzeug 5 um ein Hybridfahrzeug mit mehreren Drehmomentquellen handeln, die einem oder mehreren Fahrzeugrädern 55 zur Verfügung stehen. In anderen Beispielen handelt es sich beim Fahrzeug 5 um ein herkömmliches Fahrzeug nur mit einem Motor. In dem gezeigten Beispiel beinhaltet das Fahrzeug 5 den Motor 10 und eine elektrische Maschine 52. Bei der elektrischen Maschine 52 kann es sich um einen Elektromotor oder einen Motorgenerator handeln. Die Kurbelwelle 140 des Motors 10 und die elektrische Maschine 52 sind über ein Getriebe 54 mit den Fahrzeugrädern 55 verbunden, wenn eine oder mehrere Kupplungen 56 eingekuppelt sind. In dem dargestellten Beispiel ist eine erste Kupplung 56 zwischen der Kurbelwelle 140 und der elektrischen Maschine 52 bereitgestellt und ist eine zweite Kupplung 56 zwischen der elektrischen Maschine 52 und dem Getriebe 54 bereitgestellt. Die Steuerung 12 kann ein Signal an einen Aktor einer jeweiligen Kupplung 56 senden, um die Kupplung einzukuppeln oder auszukuppeln, um so die Kurbelwelle 140 mit der elektrischen Maschine 52 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden oder sie von diesen zu trennen und/oder um die elektrische Maschine 52 mit dem Getriebe 54 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden oder sie von diesen zu trennen. Bei dem Getriebe 54 kann es sich um ein Schaltgetriebe, ein Planetenradsystem oder eine andere Getriebeart handeln. Der Antriebsstrang kann verschiedenartig ausgelegt sein, darunter als Parallel-, Serien- oder Serien-Parallel-Hybridfahrzeug.
Die elektrische Maschine 52 nimmt elektrische Leistung von einer Energiespeichervorrichtung 58 (in dieser Schrift die Batterie 58) auf, um den Fahrzeugrädern 55 Drehmoment bereitzustellen. Die elektrische Maschine 52 kann auch als Generator betrieben werden, um beispielsweise während eines Bremsbetriebs elektrische Leistung zum Aufladen der Batterie 58 bereitzustellen. In einigen Beispielen kann die elektrisch Maschine 52 an die Turbine 176 gekoppelt sein, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Die Steuerung 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren aus 1 und setzt die verschiedenen Aktoren aus 1 ein, um den Motorbetrieb auf Grundlage der empfangenen Signalen und Anweisungen, die auf einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, einzustellen. Das Einstellen einer Drehzahl und -richtung der Turbine 176 kann beispielsweise ein Einstellen eines Signals beinhalten, das einem Aktor der Turbine 176 durch die Steuerung 12 bereitgestellt wird. In einigen Beispielen werden die Drehzahl und -richtung der Turbine 176 als Reaktion auf eines oder mehrere eines Kaltstarts und Drücken des Ansaug- und Abgaskanals eingestellt. Somit kann die Turbine 176, und folglich der Verdichter 174, in eine Vorwärts- und Umkehrrichtung rotiert werden, wobei die Vorwärtsrichtung dazu führt, dass eine Aufladung zu dem Motor 10 strömt, und wobei die Umkehrrichtung dazu führt, dass der Abgasgegendruck zunimmt und der Ansaugkrümmerdruck sinkt.
Nun wird auf 2A und 2B Bezug genommen, die die jeweiligen Ausführungsformen 200 und 250 des Turboladers 175 aus 1 zeigen. Demnach können die vorstehend vorgestellten Komponenten in den nachfolgenden Figuren gleichermaßen nummeriert sein. Der Turbolader 175 ist als ein elektrischer Turbolader veranschaulicht, wobei die Turbine 176 direkt an einen Elektromotor 212 gekoppelt ist, der dazu konfiguriert ist, die Turbine 176 anzutreiben, wenn diese Leistung von der Batterie 58 empfängt. Es versteht sich, dass der Elektromotor 212 gleichermaßen wie der Elektromotor 52 aus 1 verwendet werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Eine Leistungsversorgung von der Batterie 58 zu dem Elektromotor 212 kann über einen Leistungsaktor 214 eingestellt werden. Die Steuerung 12 kann dem Leistungsaktor anzeigen, wann und wie viel Leistung von der Batterie 58 zu dem Elektromotor 212 geleitet werden soll. Indem Leistung an den Elektromotor 212 geschickt wird, kann sich die Turbine 176 in eine bestimmte Richtung drehen und/oder in dieser rotieren.
Eine Drehung der Turbine 176 kann zu einer ähnlichen Drehung des Verdichters 174 aufgrund der Welle 180 führen, die mechanisch dazwischen gekoppelt ist. Somit kann sich der Verdichter 174, wenn die Turbine 176 in eine erste Richtung rotiert, bei einer ähnlichen Geschwindigkeit in die erste Richtung drehen. Zusätzlich kann sich der Verdichter 174, falls sich die Turbine 176 in eine zweite Richtung dreht, in die zweite Richtung drehen. Die erste Richtung kann in dieser Schrift eine Vorwärtsrichtung bezeichnen und die zweite Richtung kann eine Umkehrrichtung bezeichnen. Die erste Richtung kann beinhalten, dass Aufladeluft von dem Verdichter 174 zu dem Motor 10 strömt, wodurch ein Krümmerabsolutdruck (manifold absolute pressure - MAP) zunimmt. Die zweite Richtung, entgegen der ersten Richtung, kann beinhalten, dass sich der Verdichter 174 und die Turbine 176 derart drehen, dass die Drücke des Ansaugluftkanals 146 und der Ladedruckkammer 144 sinken (z. B. sinkt der MAP) und der Abgasgegendruck in dem Abgaskanal 148 zunimmt. Somit kann die erste Richtung beinhalten, dass sich der Verdichter 174 und die Turbine 176 im Uhrzeigersinn um ihre Drehachsen drehen, während die zweite Richtung beinhalten kann, dass sich der Verdichter 174 und die Turbine 176 gegen den Uhrzeigersinn um ihre Drehachsen drehen. Wie vorstehend veranschaulicht und beschrieben, kann eine Drehung des Verdichters 174 und der Turbine 176 initiiert werden, indem der Elektromotor 212 die Turbine 176 anweist, in welche Richtung sie rotieren soll und mit welcher Geschwindigkeit sie rotieren soll.
Nun wird auf 2A Bezug genommen, die die Ausführungsform 200 des elektrischen Turboladers 175 zeigt, der sich in die erste Richtung (z. B. eine Vorwärtsrichtung) dreht. Pfeile geben eine allgemeine Richtung der Gasströmung an. Die Turbine 176 kann ermöglichen, dass Abgas zu dem Katalysator 178 strömt, ohne aktiv zu versuchen, den Abgasgegendruck zu erhöhen. Eine Rotation der Turbine 176 kann an den Verdichter 174 übertragen werden, wobei ein Drehen des Verdichters 174 begünstigt, dass Ladeluft durch die Ansaugluftkanäle 142, 144 und 146 strömt. Ladeluft kann zu einem Ladeluftkühler (charge-air-cooler - CAC) 202 strömen, wobei der CAC 202 die Ladeluft kühlen kann und dadurch ihre Dichte erhöht. Dies kann eine Motorleistungsausgabe und den MAP erhöhen.
Ein Betrieb der Turbine 176 und des Verdichters 174 in der ersten Richtung kann zu keiner Vakuumauffüllung eines Vakuumbehälters 204 führen. Der Vakuumbehälter 204 ist so gezeigt, dass er fluidisch an die Ladedruckkammer 144 gekoppelt ist, jedoch kann der Vakuumbehälter 204 fluidisch an den Ansaugluftkanal 146 und/oder den Ansaugkrümmer 146 gekoppelt sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In einigen Beispielen kann der Unterdruckbehälter 204 ein Unterdruck speichern und den gespeicherten Unterdruck einem oder mehreren Vakuumverbrauchsvorrichtungen bereitstellen, einschließlich unter anderem einem Bremskraftverstärker oder einem unterdruckbetätigten Ventil. Somit kann der MAP zu hoch sein, um einem Unterdruckbehälter einen Unterdruck bereitzustellen, wenn der elektrische Turbolader 175 angewiesen wird, sich in die Vorwärtsrichtung zu drehen.
In einigen Beispielen kann der elektrische Turbolader angewiesen werden, sich als Reaktion auf eine oder mehrere von dem MAP, der niedriger als ein unterer MAP-Schwellenwert ist, einem Fahrerbedarf und Motorbetriebsbedingungen, die sich außerhalb eines Kaltstarts befinden, in die erste Richtung zu drehen. Wenn ein Fahrer beispielsweise eine Gasbetätigung ausführt, kann eine Aufladung erfordert sein und der elektrische Turbolader 175 kann angewiesen werden, sich in die erste Richtung zu drehen, um den Aufladungsbedarf zu erfüllen.
Nun wird auf 2B Bezug genommen, die die Ausführungsform 250 des elektrischen Turboladers 175 zeigt, der sich in die zweite Richtung (z. B. eine Umkehrrichtung) dreht. Pfeile mit schwarzer Spitze zeigen eine Richtung des Gasstroms an und Pfeile mit weißer Spitze zeigen eine Richtung eines Vakuumstroms an. Wie gezeigt, verläuft die Richtung des Gasstroms in der Ausführungsform aus 2B entgegen der Richtung des Gasstroms in der Ausführungsform aus 2A. Der Gasstrom in der Ausführungsform aus 2B soll einen Abgasgegendruck erhöhen und einen Ansaugdruck senken (z. B. den MAP senken). In einigen Beispielen kann das Drehen des elektrischen Turboladers in die zweite Richtung während mindestens eines Kaltstarts derart stattfinden, dass der Abgasgegendruck ein Aufwärmen des Katalysators 178 beschleunigen kann. Zusätzlich oder alternativ kann das Drehen des elektrischen Turboladers in die zweite Richtung stattfinden, wenn ein Krümmerluftdruck (manifold air pressure - MAP) auf einen Wert zunimmt, der höher als der obere Schwellenwert-MAP ist. In jedem Fall kann das Drehen des elektrische Turboladers 175 in die zweite Richtung dazu führen, dass komprimiertes Abgas von der Turbine 176 in Richtung des Motors 10 strömt und dass Ladeluft von dem Verdichter 174 zu einer Umgebungsluft strömt.
Ein Betrieb der Turbine 176 in der zweiten Richtung führt dazu, dass Abgase zurück in Richtung des Motors 10 strömen. Wie gezeigt, kann der Abgasgegendruck zwischen dem Motor 10 und der Turbine 176 zunehmen. Das Abgas zwischen dem Motor 10 und der Turbine 176 kann sich weiter erwärmen, während sich der Motor 10 erwärmt. Zusätzlich kann sich das Abgas ferner aufgrund exothermaler Oxidationen erwärmen, die zwischen unverbrannten HCs und CO stattfinden. In einigen Beispielen kann eine kleine Menge an Abgas den Katalysator 178 erreichen, während sich die Turbine 176 in die zweite Richtung dreht, wobei die kleine Menge an Abgas den Katalysator 178 in Richtung seiner Anspringtemperatur erwärmt.
Darüber hinaus führt das Drehen der Turbine 176 in die zweite Richtung zu einer Translationsbewegung des Verdichters 174 in die zweite Richtung über die Welle 180. Indem der Verdichter in die zweite Richtung gedreht wird, kann ein Luftstrom durch die Ansaugluftkanäle 142, 144 und 146 umgekehrt werden. Wie gezeigt, kann Ladeluft durch den Ansauglufteinlass 142 und zu einer Umgebungsluft strömen. Darüber hinaus kann ein Druck der Ansaugluftkanäle 144 und 146 derart sinken (z. B. sinkt der MAP), dass ein Unterdruck erzeugt wird. Der Unterdruckbehälter 204 kann der Ladedruckkammer 144 (durch einen Pfeil mit schwarzer Sitze gezeigt) einen Saugstrom bereitstellen, während dieser einen Unterdruck von der Ladedruckkammer 144 (durch einen Pfeil mit weißer Spitze gezeigt) aufnimmt. Somit kann eine Vakuumauffüllung des Vakuumbehälters 204 stattfinden. Es versteht sich, dass ein Rückschlagventil in dem Kanal angeordnet sein kann, der den Vakuumbehälter 204 mit der Ladedruckkammer 144 verbindet. Das Rückschlagventil kann derart konfiguriert sein, dass Luft nur von dem Vakuumbehälter zu der Ladedruckkammer strömen kann. Somit kann das Rückschlagventil nur als Reaktion auf einen Unterdruck in der Ladedruckkammer 144 oder darauf, dass ein anderer Abschnitt der Ansaugseite stärker als ein in dem Unterdruckbehälter 204 gespeicherter Unterdruck ist, geöffnet werden. Der Unterdruck auf der Ansaugseite kann stärker sein als der Unterdruck in dem Unterdruckbehälter, wenn dessen Druck niedriger ist. Auf diese Weise kann ein Saugstrom von dem Vakuumbehälter 204 durch den Verdichter 174 komprimiert und zu einer Umgebungsluft geleitet werden, wenn sich dieser in die zweite Richtung dreht.
Drehzahlen der Turbine 176 und des Verdichters 174 können als Reaktion auf eines von dem MAP, dem Abgasgegendruck, der Verbrennungsstabilität, der Motortemperatur und dergleichen eingestellt werden. Diese Einstellungen werden in dem Verfahren aus 3 nachstehend beschrieben.
Nun wird auf 3 Bezug genommen, die ein Verfahren 300 zum Betreiben eines elektrischen Turboladers (z.B. der elektrische Turbolader 175 aus 2A und 2B) auf Grundlage des MAP und/oder von Katalysator- oder Motortemperaturen zeigt. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 300 können durch eine Steuerung auf Grundlage von Anweisungen, die in einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, und in Verbindung mit Signalen ausgeführt werden, die von Sensoren des Motorsystems, wie etwa den vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Sensoren, empfangen werden. Die Steuerung kann Motoraktoren des Motorsystems einsetzen, um den Motorbetrieb gemäß den nachstehend beschriebenen Verfahren einzustellen.
Das Verfahren 300 beginnt bei 302, wobei das Verfahren 300 Bestimmen, Schätzen und/oder Messen der aktuellen Motorbetriebsparameter beinhalten kann. Aktuelle Motorbetriebsparameter können unter anderem eines oder mehrere von Drosselposition, Motortemperatur, Motordrehzahl, Ansaugkrümmerdruck, Fahrzeuggeschwindigkeit, Abgasrückführungsflussrate und Luft-Kraftstoff-Verhältnis beinhalten.
Das Verfahren 300 kann zu 304 übergehen, was das Bestimmen beinhaltet, ob ein Kaltstart stattfindet. Ein Kaltstart kann stattfinden, wenn eine Motortemperatur geringer als eine Umgebungstemperatur ist, wenn die Motortemperatur geringer als eine gewünschte Betriebstemperatur ist und/oder wenn ein Katalysator (z. B. der Katalysator 178 aus 1, 2A und 2B) nicht gezündet wird. Eine Anspringtemperatur eines Katalysators kann auf einer Temperatur des Katalysators beruhen, bei der dieser katalytisch angeschaltet wird.
Wenn eine oder mehrere der Motortemperatur geringer als die Umgebungstemperatur ist, die Motortemperatur geringer als die gewünschte Motortemperatur ist und der Katalysator nicht gezündet wird, kann anschließend der Kaltstart stattfinden und das Verfahren 300 kann zu 306 übergehen, was das Drehen der Turbine und des Verdichters in die zweite Richtung beinhalten kann. Wie vorstehend beschrieben, handelt es sich bei der zweiten Richtung um eine Umkehrrichtung, in der der Abgasgegendruck zunehmen kann und der MAP sinken kann. Die Turbine und der Verdichter kann sich bei ähnlichen Geschwindigkeiten in die zweite Richtung drehen. Es versteht sich, dass die Drehzahlen jeweils auf Grundlage einer Menge an Leistung eingestellt werden, die durch die Batterie dem Elektromotor zugeführt wird, der an die Turbine gekoppelt ist.
In einem Beispiel stellt das Verfahren die Menge an Leistung, die dem Elektromotor zugeführt wird, als Reaktion auf eines oder mehrere des Abgasgegendrucks, der Verbrennungsstabilität, des MAP und der Vakuumherstellung ein. Beispielsweise kann die Steuerung ein Steuersignal zum Senden an den Leistungsaktor (z. B. den Leistungsaktor 214 aus 2A und 2B) bestimmen, wie etwa ein elektrisches Signal, das auf Grundlage der Verbrennungsstabilität bestimmt wird. Die Verbrennungsstabilität kann auf Grundlage einer Rückmeldung von Sensoren gemessen oder geschätzt werden, die in dem Ansaugkanal oder dem Abgaskanal angeordnet sind. Wenn beispielsweise eine Rückmeldung von einem Drucksensor, der zwischen dem Motor und der Turbine angeordnet ist, erfasst, dass der Abgasgegendruck einen Schwellendruck überschreitet, kann vorhergesagt werden, dass die Verbrennungsstabilität unter einen Schwellendruck sinken kann.
Als ein weiteres Beispiel kann die Steuerung eine logische Bestimmung auf Grundlage von Logikregeln treffen, bei denen es sich um eine Funktion der Verbrennungsstabilität handelt. Die Steuerung kann anschließend ein Steuerungssignal erzeugen, das an den Leistungsaktor gesendet wird, der eine Drehzahl der Turbine senken kann, was den Abgasgegendruck senken und die Verbrennungsstabilität erhöhen kann.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Drehzahl der Turbine, und dadurch des Verdichters, auf Grundlage eines Vakuumbedarfs des Vakuumbehälters (z. B. des Vakuumbehälters 204 aus 2A und 2B) eingestellt werden. Als ein Beispiel, wenn der Unterdruckbedarf relativ hoch ist und eine Menge an Unterdruck, die in dem Unterdruckbehälter gespeichert ist, niedriger als ein Schwellenwertspeicher ist (z. B. weniger als 10 %), können die Drehzahlen der Turbine und des Verdichters erhöht werden, um es dem Verdichter zu ermöglichen, eine Unterdruckerzeugung auf der Ansaugseite zu erhöhen. Dies kann dem Unterdruckbehälter einen tieferen, stärkeren Unterdruck bereitstellen.
In jedem Fall versteht sich, dass der elektrische Turbolader, der die Turbine und den Verdichter umfasst, bei Motorbetriebsparametern außerhalb des Motorkaltstarts in eine erste oder zweite Richtung gedreht werden kann. Derartige Motorbetriebsparameter können den MAP, Vakuumbedarf und Aufladungsbedarf beinhalten. Somit können die Turbine und der Verdichter opportunistisch in die erste oder zweite Richtung gedreht werden, um den vorstehenden Betriebsparametern zu entsprechen, während der Fahrerbedarf und die Verbrennungsstabilität in Betracht gezogen werden.
Das Verfahren 300 kann zu 308 übergehen, was das Bestimmen beinhalten kann, ob eine Anspringtemperatur des Katalysators erreicht ist. Ein Temperatursensor, der stromaufwärts oder stromabwärts von dem Katalysator angeordnet ist, kann eine Rückmeldung hinsichtlich einer aktuellen Temperatur des Katalysators bereitstellen. Zusätzlich oder alternativ kann der Temperatursensor in dem Katalysator angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Temperatur des Katalysators über Daten vorhergesagt werden, die in einer Lookup-Tabelle mit mehreren Eingaben gespeichert sind, wobei die Eingaben der verstrichenen Zeit, der Drehzahl der Turbine, dem Abgasgegendruck und der Umgebungstemperatur entsprechen. In einem derartigen Beispiel kann der Temperatursensor wegfallen.
Wenn die Katalysatortemperatur nicht bei oder über der Anspringtemperatur liegt, kann das Verfahren 300 zu 310 übergehen, um das Drehen der Turbine in die zweite Richtung fortzusetzen. Somit wird weiter ein Ansaugunterdruck hergestellt und der Abgasgegendruck nimmt weiter zu. Das Verfahren kann weiter Katalysatortemperaturen und andere Motorbetriebsparameter überwachen, während sich die Turbine und der Verdichter in die zweite Richtung drehen, wie in 2B dargestellt.
Wenn die Anspringtemperatur erreicht ist und/oder wenn der Kaltstart nicht wie vorstehend bei 304 beschrieben stattfindet, kann das Verfahren 300 zu 312 übergehen, was das Bestimmen beinhalten kann, ob der MAP geringer als ein Schwellenwert-MAP ist. Bei dem unteren MAP-Schwellenwert kann es sich um einen dynamischen Wert auf Grundlage eines gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses handeln. Als ein Beispiel kann der untere MAP-Schwellenwert proportional zunehmen, wenn sich das gewünschte Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht (z. B. erhöht sich der Luftbedarf). Zusätzlich oder alternativ kann der untere MAP-Schwellenwert auf einer Motorlast beruhen. Als ein Beispiel kann der Luftbedarf zunehmen und der untere MAP-Schwellenwert kann proportional zunehmen, wenn sich die Motorlast erhöht. Wenn der MAP niedriger als der untere MAP-Schwellenwert ist, kann der Motor eine gewünschte Menge an Ansaugluft nicht erhalten.
Wenn der MAP höher als oder gleich dem unteren MAP-Schwellenwert ist, geht das Verfahren 300 zu 314 über, was das Bestimmen beinhaltet, ob der MAP höher als ein oberer MAP-Schwellenwert ist. Ähnlich dem unteren MAP-Schwellenwert kann es sich bei dem oberen MAP-Schwellenwert um einen dynamischen Wert auf Grundlage eines oder mehrerer eines gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder einer Motorlast handeln. Wenn beispielsweise das gewünschte Luft-Kraftstoff-Verhältnis zunimmt, kann der obere MAP-Schwellenwert proportional zunehmen. Der obere MAP-Schwellenwert kann höher als der untere MAP-Schwellenwert sein, sodass es einen Bereich von möglichen MAP zwischen dem oberen und dem unteren MAP-Schwellenwert gibt. Auf diese Weise können der untere MAP-Schwellenwert und der obere MAP-Schwellenwert jeweils eine Ober- und Untergrenze eines gewünschten MAP-Bereichs definieren.
Wenn der MAP höher als der obere MAP-Schwellenwert ist, kann das Verfahren 300 zu 316 übergehen, was das Drehen der Turbine und des Verdichters in die zweite Richtung beinhaltet. Die Turbine und der Verdichter können sich weiter in die zweite Richtung drehen, bis der MAP auf einen MAP abnimmt, der niedriger als der obere MAP-Schwellenwert ist. Der MAP kann als Reaktion auf das Abnehmen einer Leerlaufmotordrehzahl höher als der obere MAP-Schwellenwert sein. Dies kann zu einer raschen Abnahme des Ansaugluftbedarfs führen, was zu einer Abnahme des oberen MAP-Schwellenwerts führen kann. Demnach können der Verdichter und die Turbine während eines Leerlaufmotorzustands oder einem ähnlichen Motorzustand angeschaltet sein, in dem der MAP höher als der obere MAP-Schwellenwert ist, um sich in die zweite Richtung (z. B. die Umkehrrichtung) zu drehen. In einigen Beispielen kann der Verdichter den MAP auf einen Druck senken, der niedrig genug ist, dass ein Unterdruck gebildet wird, wenn sich der Leerlaufmotorzustand oder ähnliche Motorzustand (z. B. niedrige Last) über eine ausreichende Dauer erstreckt. Das Unterdruck kann einem oder mehreren Unterdruckbehältern (z.B. dem Behälter 204 aus 2A und 2B) zugeführt werden.
Wenn der MAP bei 314 geringer als oder gleich dem oberen MAP-Schwellenwert ist oder der MAP bei 312 größer als oder gleich dem unteren MAP-Schwellenwert ist, kann das Verfahren 300 zu 318 übergehen, was das Drehen der Turbinen und des Verdichters in die erste Richtung beinhaltet. Bei der ersten Richtung handelt es ich um eine Vorwärtsrichtung entgegen der zweiten Richtung, wobei das Drehen der Turbine und des Verdichters in die Vorwärtsrichtung zu einer Reduzierung des Abgasgegendrucks, einer Reduzierung der Unterdruckerzeugung auf der Ansaugseite und einer Zunahme der Aufladung, die dem Motor bereitgestellt wird, führt.
Das Verfahren 300 kann zu 320 übergehen, was das weitere Überwachen des MAP beinhalten kann. Die Steuerung kann Betriebsparameter des elektrischen Turboladers auf Grundlage des MAP einstellen. Wenn der MAP beispielsweise anfängt, in Richtung des unteren MAP-Schwellenwerts zu sinken, kann die Steuerung eine Drehzahl der Turbine und des Verdichters erhöhen, um zu verhindern, dass der MAP unter den unteren MAP-Schwellenwert fällt.
Nun wird auf 4 Bezug genommen, die ein Diagramm 400 zeigt, das das ausgeführte Verfahren 300 aus 3 in Kombination mit dem Motor und dem elektrischen Turbolader aus 1, 2A und 2B zeigt. Das Anlassen wird durch den Verlauf 402 dargestellt, die Motordrehzahl wird durch den Verlauf 405 dargestellt, der Kaltstart wird über den Verlauf 410 dargestellt, der E-Turbo wird über den Verlauf 420 dargestellt, ein Modus des E-Turbo wird über den Verlauf 430 dargestellt, die Umdrehungen pro Minute werden über den Verlauf 440 dargestellt, wobei null Umdrehungen pro Minute durch die gestrichelte Linie 442 dargestellt wird, und der MAP wird über den Verlauf 450 dargestellt, wobei die gestrichelten Linien 452 und 454 jeweils den oberen und unteren MAP-Schwellenwert veranschaulichen. Modus 1 kann bezeichnen, dass die Turbine und der Verdichter in die erste Vorwärtsrichtung gedreht werden. Modus 2 kann bezeichnen, dass die Turbine und der Verdichter nicht gedreht werden. Modus 3 kann bezeichnen, dass die Turbine und der Verdichter in die zweite Umkehrrichtung gedreht werden. Die horizontale Achse des Diagramms 400 veranschaulicht die Zeit, wobei die Zeit von einer linken zu einer rechten Seite der Figur zunimmt.
Vor t1 findet ein Kaltstart statt, wie durch den Verlauf 410 gezeigt. Während des Kaltstarts kann ein Anlassen stattfinden (wie durch den Verlauf 402 gezeigt), wobei ein Anlasser den Motor dabei unterstützen kann, seine Drehzahl zu erhöhen. Infolgedessen kann die Motordrehzahl, gezeigt durch den Verlauf 405, ebenfalls zunehmen. Wie vorstehend beschrieben, kann der Kaltstart als Reaktion auf eines von mehreren der Folgenden stattfinden: dass eine Motortemperatur niedriger als eine gewünschte Temperatur ist, dass die Motortemperatur niedriger als die Umgebungstemperatur ist und dass eine Katalysatortemperatur niedriger als eine Anspringtemperatur ist. Als Reaktion auf den Kaltstart kann der elektronische Turbolader angeschaltet werden, wie gezeigt, indem sich der Verlauf 420 mit „EIN“ ausrichtet. Der elektronische Turbolader ist in Modus 3 angeschaltet, wie durch den Verlauf 430 gezeigt, wobei Modus 3 das Drehen der Turbine und des Verdichters in die zweite Richtung beinhaltet. Ein negatives RPM wird dem Drehen der Turbine und des Verdichters in die zweite Richtung zugeordnet, wie durch den Verlauf 440 gezeigt. Wie vorstehend beschrieben, kann die zweite Richtung eine Zunahme eines Abgasgegendrucks und eine Abnahme eines Ansaugdrucks beinhalten. Der MAP ist niedriger als der untere MAP-Schwellenwert, wie dadurch gezeigt, dass der Verlauf 450 unter der gestrichelten Linie 454 liegt, wodurch veranschaulicht wird, dass auf der Ansaugseite ein Unterdruck hergestellt wird.
Wenn er sich t1 nähert, endet der Kaltstart bald. Demnach beginnt das RPM des Verdichters und der Turbine, sich in Richtung null einzustellen. Dies ermöglicht es dem MAP, in Richtung des unteren MAP-Schwellenwerts zuzunehmen. Die Motordrehzahl nimmt weiter zu.
Bei t1 ist der Kaltstart vollständig und der Katalysator kann gezündet werden oder die Motortemperatur kann höher als die Umgebungstemperatur sein und innerhalb eines gewünschten Motortemperaturbereichs arbeiten. Der MAP kann im Wesentlichen gleich einem MAP zwischen dem unteren MAP-Schwellenwert und dem oberen MAP-Schwellenwert sein, während das RPM der Turbine und des Verdichters im Wesentlichen gleich null sind. Infolgedessen kann der elektronische Turbolader auf Modus 2 eingestellt werden, in dem er abgeschaltet wird (z. B. „AUS“)
Zwischen t1 und t2 bleibt der MAP zwischen dem unteren und dem oberen MAP-Schwellenwert. Demnach kann der elektronische Turbolader in Modus 2 abgeschaltet bleiben. Demnach ist das RPM im Wesentlichen gleich null. Die Motordrehzahl kann weiter zunehmen.
Bei t2 kann der MAP auf einen MAP sinken, der niedriger als der untere MAP-Schwellenwert ist. Der elektrische Turbolader kann in eine AN-Position angeschaltet und anschließend in Modus 1 betrieben werden, was das Drehen der Turbine und des Verdichters in die erste Vorwärtsrichtung beinhaltet. Dadurch kann Ladeluft zu dem Motor strömen, wodurch der MAP erhöht wird.
Zwischen t2 und t3 beginnt der MAP aufgrund des elektrischen Turboladers, der in Modus 1 betrieben wird, in Richtung des unteren MAP-Schwellenwerts zuzunehmen, wobei sich die Turbine und der Verdichter in die erste Richtung drehen. Die durch den Verdichter bereitgestellte Ladeluft erhöht den MAP weiter auf einen gewünschten MAP zwischen dem unteren und dem oberen MAP-Schwellenwert.
Zusätzlich oder alternativ kann der Verdichter in einigen Beispielen als Reaktion darauf, dass eine Motordrehzahl im Wesentlichen einer relativ hohen Motordrehzahl gleicht, angeschaltet werden, wobei die relativ hohe Motordrehzahl einer hohen Motorlast entspricht. Demnach kann der Verdichter angeschaltet werden, um mehr Ladeluft bereitzustellen, um eine Leistungsausgabe zu erhöhen, um einen Fahrerbedarf zu erfüllen.
Bei t3 ist der MAP höher als der untere MAP-Schwellenwert und niedriger als der obere MAP-Schwellenwert. Demnach wird der elektrische Turbolader in eine AUS-Position geschaltet, die Modus 2 entspricht. Folglich strömt keine Aufladung zu dem Motor, es wird kein Unterdruck erzeugt und der Abgasgegendruck wird nicht bewusst erhöht.
Zwischen t3 und t4 beginnt der MAP, in Richtung des oberen MAP-Schwellenwerts zuzunehmen. Bei t4 nimmt der MAP auf einen MAP zu, der höher als der obere MAP-Schwellenwert ist. Als Reaktion darauf, wird der elektrische Turbolader angeschaltet und in Modus 3 betrieben. Demnach werden die Turbine und der Verdichter in die zweite Richtung gedreht. Aufgrund dessen, dass der Motor außerhalb eines Kaltstarts betrieben wird und aufgrund eines Wunsches, den Fahrerbedarf zu erfüllen, kann das RPM der Turbine und des Verdichters jedoch höher (z. B. weniger negativ) als das RPM vor t1 sein. Dies kann es dem MAP ermöglichen zuzunehmen, während die Zunahme der Abgasgegendruckerzeugung vermindert wird. Auf diese Weise kann ein Kraftstoffeinspritzungsvolumen nicht zunehmen, um dem erhöhten MAP zu entsprechen. Stattdessen kann der MAP über den elektrischen Turbolader gesenkt werden, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen.
Zusätzlich oder alternativ kann die Motordrehzahl auf eine Motordrehzahl sinken, die einer Leerlaufmotordrehzahl entspricht. Infolgedessen kann der MAP in Richtung eines MAP zunehmen, der höher als der obere MAP-Schwellenwert ist. Somit kann der elektrische Turbolader angeschaltet werden und in Modus 3 betrieben werden, in dem sowohl der Verdichter als auch die Turbine in die zweite Richtung gedreht werden. Dadurch kann nicht nur der MAP anfangen zu sinken, sondern es kann auch in dem Ansaugkrümmer ein Unterdruck erzeugt werden, wobei der Unterdruck einem oder mehreren Unterdruckbehältern zugeführt wird. Auf diese Weise kann der Turbolader in Modus 3 außerhalb eines Kaltstarts betrieben werden.
In einigen Beispielen kann ein Fahrzeug vor t1 starten, wobei es sich bei dem Start um einen Kaltstart handelt. Demnach werden die Turbine und der Verdichter in die zweite Richtung gedreht, um die Kaltstartdauer zu senken. Ein Fahrer kann das Fahrzeug fahren, wobei das Drehen der Turbine und des Verdichters als Reaktion auf einen MAP und nicht den Kaltstart eingestellt werden kann. Wenn der MAP beispielsweise unter den unteren MAP-Schwellenwert fällt, können die Turbine und der Verdichter beispielsweise in die erste Richtung gedreht werden, um den MAP zu erhöhen. Wenn der MAP über den oberen MAP-Schwellenwert zunimmt, können die Turbine und der Verdichter anschließend alternativ in die zweite Richtung gedreht werden, um den MAP zu senken. In einigen Beispielen kann das RPM des Verdichters und der Turbine als Reaktion auf den MAP auf Grundlage eines oder mehrerer von Motorbetriebsparametern und einem Maß, in dem der MAP unterhalb des unteren oder über dem oberen MAP-Schwellenwert abweicht, eingestellt werden. Das RPM des Verdichters und der Turbine in die erste Richtung kann auf Grundlage eines Aufladungsbedarfs eingestellt werden, wobei das RPM als Reaktion auf einen reduzierten oder nicht vorhandenen Aufladungsbedarf gesenkt wird. Zusätzlich oder alternativ kann das RPM des Verdichters und der Turbine in die zweite Richtung auf Grundlage eines oder mehrerer von einem Aufladungsbedarf und der Verbrennungsstabilität eingestellt werden. Wenn beispielsweise eine Aufladung erfordert wird oder wenn die Verbrennungsstabilität relativ niedrig ist, kann das RPM des Verdichters und der Turbine in die zweite Richtung gesenkt werden, um den MAP zu verringern. Demnach kann es länger dauern, den MAP zu senken. Schließlich kann das RPM der Turbine und des Verdichters anschließend entsprechend niedrig sein (z. B. 20), wenn das Maß der Abweichung zwischen dem MAP und dem unteren oder oberen MAP-Schwellenwert niedrig ist (z. B. innerhalb 10 %). Wenn jedoch das Maß der Abweichung zwischen dem MAP und dem unteren oder oberen MAP-Schwellenwert relativ hoch ist (z. B. innerhalb 50 %), kann das RPM der Turbine und des Verdichters anschließend entsprechend hoch sein (z. B. 100).
Zwischen t4 und t5 sinkt das RPM weiter auf ein negativeres RPM. Das RPM erreicht jedoch kein so negatives RPM wie das RPM vor t1. Dies ist einem oder mehreren Motorbetriebsparametern zuzuschreiben, die einem Fahrerbedarf, der Verbrennungsstabilität oder dergleichen zugeordnet sind. Wenn beispielsweise eine Aufladung erfordert wird, kann es nicht gewünscht sein, das RPM auf ein negatives RPM ähnlich dem negativen RPM vor t1 zu senken. Der MAP sinkt in Richtung des oberen MAP-Schwellenwerts aufgrund des Betriebs des elektrischen Turboladers in Modus 3.
Bei t5 ist der MAP gleich einem MAP, der niedriger als der obere MAP-Schwellenwert und höher als der untere MAP-Schwellenwert ist. Demnach kann der elektrische Turbolader in Modus 2 betrieben werden (z. B. auf AUS geschaltet). Das RPM der Turbine und des Verdichters nimmt auf null zu.
Somit veranschaulicht das Diagramm 400 aus 4 ein Beispiel eines Motorbetriebsparameters außerhalb eines Motorkaltstarts, wobei die Turbine und der Verdichter in die zweite Umkehrrichtung gedreht werden. Zusätzlich oder alternativ können die Turbine und der Verdichter als Reaktion auf einen Vakuumbedarf von dem Vakuumbehälter außerhalb des Kaltstarts in die zweite Richtung gedreht werden. Dies kann opportunistisch auf Grundlage des Fahrerbedarfs und der Verbrennungsstabilität stattfinden. Wenn ein Fahrzeug beispielsweise leer läuft oder sich in einem abgebremsten Kraftstoffabschaltereignis befindet, in dem der Motor keinen Kraftstoff aufnimmt, können die Turbine und der Verdichter in die zweite Richtung gedreht werden, um den MAP zu senken. Zusätzlich oder alternativ können die Turbine und der Verdichter in die zweite Richtung gedreht werden, um den MAP zu senken und dem Unterdruckbehälter einen Unterdruck bereitzustellen, wenn sich ein Fahrzeug im Stillstand befindet und der Motor verbrennt oder sich der Motor im Leerlauf befindet.
Auf diese Weise kann ein elektrischer Turbolader dazu konfiguriert werden, Kaltstartdauern und Emissionen zu senken, während gleichzeitig auf einer Motoransaugseite ein Unterdruck erzeugt wird. Der Unterdruck kann einen Unterdruckspeicher eines Unterdruckbehälters auffüllen, während der Kaltstart im Gange ist. Die Kaltstartdauer wird durch Drehen einer Turbine des elektrischen Turboladers in eine Umkehrrichtung gesenkt, wobei die Umkehrrichtung Abgas wieder einem Motor zuführt, wodurch ein Abgasgegendruck zunimmt. Die technische Wirkung des Umkehrdrehens der Turbine ist es, es Abgasen zu ermöglichen sich aufzuheizen, bevor diese durch einen Katalysator stromabwärts von der Turbine strömen. Zusätzlich können durch Nutzen des elektrischen Turboladers zusätzliche Kaltstartkomponenten aus der Herstellung des Fahrzeugs weggelassen werden. Somit können Herstellungskosten, Konfektionierungseinschränkungen und Emissionen gesenkt werden.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens umfasst das Bestimmen eines Motorkaltstarts und das Drehen einer Turbine eines elektrischen Turboladers in eine Umkehrrichtung, um den Abgasgegendruck zu erhöhen, wobei die Turbine über eine Welle mechanisch an einen Verdichter gekoppelt ist. Ein erstes Beispiel des Verfahrens beinhaltet ferner, dass die Drehung der Turbine an den Verdichter übertragen wird. Ein zweites Beispiel des Verfahrens, das optional das erste Beispiel beinhaltet, beinhaltet ferner, dass das Drehen der Turbine in die Umkehrrichtung Abgas in Richtung des Motors leitet, und dass der Verdichter in die Umkehrrichtung rotiert, wobei das Drehen des Verdichters in die Umkehrrichtung Ladeluft zu einer Umgebungsluft leitet. Ein drittes Beispiel des Verfahrens, das optional das erste und/oder das zweite Beispiel beinhaltet, beinhaltet ferner, dass der Verdichter einen Unterdruck einer Motoransaugseite erhöht und dass ein Unterdruckbehälter fluidisch an die Motoransaugseite gekoppelt ist. Ein viertes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere des ersten bis dritten Beispiels beinhaltet, beinhaltet ferner das Drehen der Turbine in eine Vorwärtsrichtung, entgegen der Umkehrrichtung, als Reaktion darauf, dass der Motorkaltstart endet. Ein fünftes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere des ersten bis vierten Beispiels beinhaltet, beinhaltet ferner, dass die Turbine an einen Elektromotor gekoppelt ist und dass der Elektromotor elektrisch an eine Energiespeichervorrichtung gekoppelt ist.
Eine Ausführungsform eines Systems umfasst Folgendes: einen Motor, der einen Ansaug- und einen Abgaskanal umfasst, einen elektrischen Turbolader, der eine elektrisch betätigte Turbine umfasst, die über eine Welle an einen Verdichter gekoppelt ist, wobei die Turbine in dem Abgaskanal angeordnet ist und der Verdichter in dem Ansaugkanal angeordnet ist, und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die auf dem nichtflüchtigen Speicher darauf gespeichert sind, die, wenn diese ausgeführt werden, es der Steuerung ermöglichen, die Turbine in eine Umkehrrichtung zu rotieren, um den Abgasgegendruck zu erhöhen. Ein erstes Beispiel des Systems beinhaltet ferner, dass der Verdichter in die Umkehrrichtung rotiert, wenn die Turbine in die Umkehrrichtung rotiert, und dass der Verdichter einen Unterdruck des Ansaugkanals erhöht, wenn dieser in die Umkehrrichtung rotiert. Ein zweites Beispiel des Systems, das optional das erste System beinhaltet, beinhaltet ferner, dass die Turbine als Reaktion auf einen Motorkaltstart oder darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck höher als ein oberer Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist, in die Umkehrrichtung rotiert. Ein drittes Beispiel des Systems, das optional das erste und/oder das zweite Beispiel beinhaltet, beinhaltet ferner, dass die Steuerung ferner Anweisungen umfasst, die Turbine als Reaktion auf einen Aufladungsbedarf oder darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck niedriger als ein unterer Krümmerdruck-Schwellenwert ist, in eine Vorwärtsrichtung, entgegen der Umkehrrichtung zu rotieren. Ein viertes Beispiel des Systems, das optional eines oder mehrere des ersten bis dritten Beispiels beinhaltet, beinhaltet ferner, dass die Turbine stromaufwärts von einer Nachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist. Ein fünftes Beispiel des Systems, das optional eines oder mehrere des ersten bis vierten Beispiels beinhaltet, beinhaltet ferner, dass die Turbine direkt an einen Elektromotor gekoppelt ist, der ferner einen Leistungsaktor umfasst, der dazu konfiguriert ist, eine Menge an Leistung zu messen, die dem Elektromotor von einer Energiespeichervorrichtung zugeführt wird, und wobei eine Drehzahl der Turbine proportional zu der Menge an zugeführter Leistung ist.
Eine Ausführungsform eines Motorverfahrens umfasst das Drehen einer elektrischen Turbine in eine erste Richtung als Reaktion auf einen Aufladungsbedarf und das Drehen der elektrischen Turbine in eine zweite Richtung als Reaktion auf einen Kaltstart, wobei die elektrische Turbine an einen Verdichter gekoppelt ist. Ein erstes Beispiel des Motorverfahrens umfasst ferner, dass die elektrische Turbine in einem Abgaskanal angeordnet ist und der Verdichter in einem Ansaugkanal angeordnet ist, und dass der Verdichter das Drehen der elektrischen Turbine spiegelt. Ein zweites Beispiel des Motorverfahrens, das optional das erste Beispiel beinhaltet, beinhaltet ferner das Drehen der elektrischen Turbine in die erste Richtung als Reaktion darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck niedriger als ein unterer Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist. Ein drittes Beispiel des Motorverfahrens, das optional das erste und/oder das zweite Beispiel beinhaltet, beinhaltet ferner das Drehen der elektrischen Turbine in die zweite Richtung als Reaktion darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck höher als ein oberer Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist. Ein viertes Beispiel des Motorverfahrens, das optional eines oder mehrere des ersten bis dritten Beispiels beinhaltet, beinhaltet ferner, dass das Drehen der elektrischen Turbine in die zweite Richtung als Reaktion auf den Kaltstart mehr Umdrehungen pro Minute umfasst als das Drehen der elektrischen Turbine in die zweite Richtung als Reaktion darauf, dass der Krümmerabsolutdruck höher als der obere Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist. Ein fünftes Beispiel des Motorverfahrens, das optional eines oder mehrere des ersten bis vierten Beispiels beinhaltet, beinhaltet ferner das Abschalten der elektrischen Turbine als Reaktion darauf, dass der Krümmerabsolutdruck niedriger als der obere Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert und höher als der untere Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist. Ein sechstes Beispiel des Motorverfahrens, das optional eines oder mehrere des ersten bis fünften Beispiels beinhaltet, beinhaltet ferner, dass eine Drehzahl der elektrischen Turbine in die erste Richtung oder die zweite Richtung auf Grundlage eines oder mehrerer eines Krümmerabsolutdruck, eines Abgasgegendrucks und eines Aufladungsbedarfs eingestellt wird. Ein siebtes Beispiel des Motorverfahrens, das optional eines oder mehrere des ersten bis sechsten Beispiels beinhaltet, beinhaltet ferner, dass ein Vakuumbehälter fluidisch an einen Abschnitt eines Ansaugkanals zwischen dem Verdichter und dem Motor gekoppelt ist.
Es ist anzumerken, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert und durch das Steuersystem einschließlich der Steuerung in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktoren und sonstiger Motorhardware ausgeführt werden. Die hier beschriebenen konkreten Routinen können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Demnach können verschiedene veranschaulichte Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen in der veranschaulichten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwangsläufig erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erzielen, sondern wird vielmehr zur Erleichterung der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine/r oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen können je nach konkret eingesetzter Strategie wiederholt durchgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen grafisch Code darstellen, der in einen nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Motorsteuersystem zu programmieren ist, wobei die beschriebenen Handlungen durch Ausführen der Anweisungen in einem System, das die verschiedenen Motorhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung umfasst, ausgeführt werden.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und diese konkreten Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Beispielsweise kann die vorstehende Technik auf V6-, 14-, I6-, V12-, 4-Zylinder-Boxer- und andere Motorarten angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und sonstige hier offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Die folgenden Patentansprüche heben bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders hervor, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Patentansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Derartige Patentansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente beinhalten und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Patentansprüche oder durch Einreichung neuer Patentansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Patentansprüche werden unabhängig davon, ob sie im Vergleich zu den ursprünglichen Patentansprüchen einen weiteren, engeren, gleichen oder anderen Umfang aufweisen, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren während eines Motorkaltstarts das Drehen einer Turbine eines elektrischen Turboladers in eine Umkehrrichtung, um den Abgasgegendruck zu erhöhen, wobei die Turbine über eine Welle mechanisch an einen Verdichter gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Drehung der Turbine an den Verdichter übertragen.
Gemäß einer Ausführungsform leitet das Drehen der Turbine in die Umkehrrichtung Abgas in Richtung des Motors, und wobei der Verdichter in die Umkehrrichtung rotiert, wobei das Drehen des Verdichters in die Umkehrrichtung Ladeluft zu einer Umgebungsluft leitet.
Gemäß einer Ausführungsform erhöht der Verdichter einen Unterdruck einer Motoransaugseite und wobei ein Unterdruckbehälter fluidisch an die Motoransaugseite gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch das Drehen der elektrischen Turbine in eine Vorwärtsrichtung, entgegen der Umkehrrichtung, als Reaktion darauf, dass der Motorkaltstart endet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Turbine an einen Elektromotor gekoppelt, und wobei der Elektromotor elektrisch an eine Energiespeichervorrichtung gekoppelt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein System bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Motor, der einen Ansaug- und einen Abgaskanal umfasst; einen elektrischen Turbolader, der eine elektrisch betätigte Turbine umfasst, die über eine Welle an einen Verdichter gekoppelt ist, wobei die Turbine in dem Abgaskanal angeordnet ist und der Verdichter in dem Ansaugkanal angeordnet ist, und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die auf dem nichtflüchtigen Speicher darauf gespeichert sind, die, wenn diese ausgeführt werden, es der Steuerung ermöglichen, die Turbine in eine Umkehrrichtung zu rotieren, um den Abgasgegendruck zu erhöhen.
Gemäß einer Ausführungsform rotiert der Verdichter in die Umkehrrichtung, wenn die Turbine in die Umkehrrichtung rotiert, und wobei der Verdichter einen Unterdruck des Ansaugkanals erhöht, wenn dieser in die Umkehrrichtung rotiert.
Gemäß einer Ausführungsform rotiert die Turbine als Reaktion auf einen Motorkaltstart oder darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck höher als ein oberer Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist, in die Umkehrrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Steuerung Anweisungen, die Turbine als Reaktion auf einen Aufladungsbedarf oder darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck niedriger als ein unterer Krümmerdruck-Schwellenwert ist, in eine Vorwärtsrichtung, entgegen der Umkehrrichtung, zu rotieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Turbine stromaufwärts von einer Nachbehandlungsvorrichtung angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Turbine direkt an einen Elektromotor gekoppelt, der ferner einen Leistungsaktor umfasst, der dazu konfiguriert ist, eine Menge an Leistung zu messen, die dem Elektromotor von einer Energiespeichervorrichtung zugeführt wird, und wobei eine Drehzahl der Turbine proportional zu der Menge an zugeführter Leistung ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Motorverfahren das Drehen einer elektrischen Turbine in eine erste Richtung als Reaktion auf einen Aufladungsbedarf; und das Drehen der elektrischen Turbine in eine zweite Richtung als Reaktion auf einen Kaltstart oder einen Motorleerlauf, wobei die elektrische Turbine an einen Verdichter gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Turbine in einem Abgaskanal angeordnet und ist der Verdichter in einem Ansaugkanal angeordnet, und wobei der Verdichter das Drehen der elektrischen Turbine spiegelt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch das Drehen der elektrischen Turbine in die zweite Richtung als Reaktion darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck niedriger als ein unterer Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch das Drehen der elektrischen Turbine in die zweite Richtung als Reaktion darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck höher als ein oberer Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Drehen der elektrischen Turbine in die zweite Richtung als Reaktion auf den Kaltstart mehr Umdrehungen pro Minute als das Drehen der elektrischen Turbine in die zweite Richtung als Reaktion darauf, dass der Krümmerabsolutdruck höher als der obere Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch das Abschalten der elektrischen Turbine als Reaktion darauf, dass der Krümmerabsolutdruck niedriger als der obere Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert und höher als der untere Krümm erab solutdruck- S chwell enwert ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Drehzahl der elektrischen Turbine in die erste Richtung oder die zweite Richtung auf Grundlage eines oder mehrerer des Krümmerabsolutdrucks, des Abgasgegendrucks und des Aufladungsbedarfs eingestellt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Vakuumbehälter fluidisch an einen Abschnitt eines Ansaugkanals zwischen dem Verdichter und dem Motor gekoppelt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9624855 [0004]

Claims

Verfahren, umfassend: bei einer Motorkaltstartbedingung, Drehen einer Turbine eines elektrischen Turboladers in eine Umkehrrichtung, um den Abgasgegendruck zu erhöhen, wobei die Turbine über eine Welle mechanisch an einen Verdichter gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Drehung der Turbine an den Verdichter übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Drehen der Turbine in die Umkehrrichtung Abgas in Richtung des Motors leitet und wobei der Verdichter in die Umkehrrichtung rotiert, wobei das Drehen des Verdichters in die Umkehrrichtung Ladeluft zu einer Umgebungsluft leitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verdichter einen Unterdruck einer Motoransaugseite erhöht und wobei ein Unterdruckbehälter fluidisch an die Motoransaugseite gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Drehen der Turbine in eine Vorwärtsrichtung, entgegen der Umkehrrichtung, als Reaktion darauf, dass der Motorkaltstart endet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Turbine an einen Elektromotor gekoppelt ist und wobei der Elektromotor elektrisch an eine Energiespeichervorrichtung gekoppelt ist.
System, umfassend: einen Motor, umfassend einen Ansaug- und Abgaskanal; einen elektrischen Turbolader, der eine elektrisch betätigte Turbine umfasst, die über eine Welle an einen Verdichter gekoppelt ist, wobei die Turbine in dem Abgaskanal angeordnet ist und der Verdichter in dem Ansaugkanal angeordnet ist; eine Steuerung mit gespeicherten computerlesbaren Anweisungen, die auf einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind und die der Steuerung Folgendes ermöglichen: Drehen der Turbine in eine Umkehrrichtung, um den Abgasgegendruck zu erhöhen.
System nach Anspruch 7, wobei der Verdichter in die Umkehrrichtung rotiert, wenn die Turbine in die Umkehrrichtung rotiert, und der Verdichter einen Unterdruck des Ansaugkanals erhöht, wenn dieser in die Umkehrrichtung rotiert.
System nach Anspruch 7, wobei die Turbine als Reaktion auf einen Motorkaltstart oder darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck höher als ein oberer Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist, in die Umkehrrichtung rotiert.
System nach Anspruch 9, wobei das Drehen der Turbine in die Umkehrrichtung als Reaktion auf einen Kaltstart höhere Umdrehungen pro Minute umfasst als das Drehen der Turbine in die Umkehrrichtung als Reaktion darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck höher als der obere Krümmerabsolutdruck-Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 7, wobei die Steuerung ferner Anweisungen umfasst, die Turbine als Reaktion auf einen Aufladungsbedarf oder darauf, dass ein Krümmerabsolutdruck niedriger als ein unterer Krümmerdruck-Schwellenwert ist, in eine Vorwärtsrichtung, entgegen der Umkehrrichtung, zu rotieren.
System nach Anspruch 7, wobei die Turbine stromaufwärts von einer Nachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist.
System nach Anspruch 7, wobei die Turbine direkt an einen Elektromotor gekoppelt ist, der ferner einen Leistungsaktor umfasst, der dazu konfiguriert ist, eine Menge an Leistung zu messen, die dem Elektromotor von einer Energiespeichervorrichtung zugeführt wird, und wobei eine Drehzahl der Turbine proportional zu der Menge an zugeführter Leistung ist.
System nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Vakuumbehälter, der fluidisch an einen Abschnitt des Ansaugkanals zwischen dem Verdichter und dem Motor gekoppelt ist.
System nach Anspruch 7, wobei die Turbine als Reaktion auf einen Kaltstart oder einen Motorleerlauf in die Umkehrrichtung rotiert.