DE102019216576A1

DE102019216576A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Info

Publication number: DE102019216576A1
Application number: DE102019216576.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Skrzypinski; Rudi Rappsilber
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei einem Brennraum (3) der Brennkraftmaschine (1) durch einen Verdichter (7) verdichtete Frischmasse zugeführt wird, wobei ein Funktionsparameter des Verdichters (7) fortlaufend auf ein Verdichterpumpen überwacht wird, wobei, wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird, eine mit dem Verdichter (7) antriebswirkverbundene elektrische Maschine (9) angesteuert wird, um das Verdichterpumpen zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Bei einem solchen Verfahren wird einem Brennraum einer Brennkraftmaschine Frischmasse zugeführt, die durch einen Verdichter verdichtet ist. In bestimmten Betriebssituationen kann es dabei zu einem temporären Strömungsabriss an oder in dem Verdichter, insbesondere an wenigstens einer Verdichterschaufel des bevorzugt als thermodynamische Strömungsmaschine ausgebildeten Verdichters, kommen. Dies hat ein sogenanntes Verdichterpumpen zur Folge, wobei stoßweise verdichtete Frischmasse von einer Druckseite des Verdichters auf eine Saugseite zurückströmt. Die Verdichterdrehzahl schwankt dabei stark, beziehungsweise sie ist instationär. Die Brennkraftmaschine kann aufgrund dieses Phänomens nicht mehr in ihren Betriebsgrenzen betrieben werden, ihre Leistung muss stark reduziert werden, beziehungsweise die Brennkraftmaschine ist in ihrer Nutzung stark eingeschränkt. Schlimmstenfalls kann ein Verdichterpumpen auch eine Beschädigung oder sogar Zerstörung des Verdichters zur Folge haben. Das Verdichterpumpen kann bei einer quantitätsgeregelten Brennkraftmaschine insbesondere dann auftreten, wenn bei einem Lastabwurf eine Drosselklappe - insbesondere plötzlich - geschlossen wird, sodass der Verdichter typischerweise mit hoher Drehzahl Frischmasse gegen die Drosselklappe fördert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest gemindert sind, vorzugsweise nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ein Funktionsparameter des Verdichters fortlaufend auf ein Verdichterpumpen hin überwacht wird, wobei dann, wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird, eine mit dem Verdichter antriebswirkverbundene elektrische Maschine angesteuert wird, um das Verdichterpumpen zu reduzieren. Vorzugsweise wird die elektrische Maschine angesteuert, um das Verdichterpumpen zu beenden. Auf diese Weise kann vorteilhaft der störende und auch gefährliche Betriebszustand des Verdichterpumpens bereits während seines Entstehens oder zumindest unmittelbar nach seinem Entstehen bekämpft werden, wobei insbesondere länger anhaltende Phasen des Verdichterpumpens vermieden werden. Das Risiko einer Beschädigung des Verdichters wird auf diese Weise gemindert, vorzugsweise vermieden. Die Brennkraftmaschine ist stabil betreibbar. Insbesondere kann das Verdichterpumpen ohne oder höchstens mit minimalen Einschränkungen kaschiert werden. Insbesondere kann der Betriebszustand des Verdichterpumpens ohne massive Leistungsrücknahme verlassen werden, und einem Betreiber der Brennkraftmaschine entstehen keine oder höchstens minimale Einschränkungen.
Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens die elektrische Maschine so angesteuert, dass das Verdichterpumpen aufgrund der Ansteuerung der elektrischen Maschine reduziert, vorzugsweise beendet wird.
Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt als Hubkolbenmotor ausgebildet. Insbesondere bei einer Kombination eines Hubkolbenmotors mit einer thermodynamischen Strömungsmaschine als Verdichter wird vorteilhaft der ungünstige Betriebszustand des Verdichterpumpens unterdrückt oder vermieden. Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine in einem Frischmassepfad, der eingerichtet ist, um dem Brennraum Frischmasse zuzuführen, eine Drosseleinrichtung, insbesondere Drosselklappe, auf. Bevorzugt ist die Brennkraftmaschine als quantitätsgeregelte Brennkraftmaschine ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung der Brennkraftmaschine verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens. Das Verfahren ist aber auch anwendbar bei einer qualitätsgeregelten Brennkraftmaschine.
Unter Frischmasse wird hier insbesondere Verbrennungsluft oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch verstanden, welche/welches insbesondere über den Frischmassepfad dem Brennraum zugeführt wird. Insbesondere ist es möglich, dass der Verdichter eingerichtet ist, um Verbrennungsluft zu verdichten. Es ist auch möglich, dass der Verdichter eingerichtet ist, um ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zu verdichten. In diesem Fall ist die Brennkraftmaschine insbesondere als sogenannte gemischverdichtende Brennkraftmaschine ausgebildet.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist genau eine Verdichterstufe vorgesehen, die den Verdichter als einzigen Verdichter, oder gegebenenfalls einen zusätzlichen Verdichter strömungstechnisch parallel zu dem Verdichter in Form einer Registeraufladung aufweist. Es ist gemäß einer anderen Ausgestaltung aber auch möglich, dass zwei - strömungstechnisch in Reihe angeordnete - Verdichterstufen vorgesehen sind, insbesondere eine Niederdruckstufe und eine Hochdruckstufe. Das Verfahren ist dabei grundsätzlich anwendbar sowohl auf einen Verdichter einer Niederdruckstufe als auch auf einen Verdichter einer Hochdruckstufe. Besonders bevorzugt ist der Verdichter ein Hochdruckverdichter der Hochdruckstufe.
Wie bereits ausgeführt, ist der Verdichter in bevorzugter Ausgestaltung als thermodynamische Strömungsmaschine ausgebildet. Es ist aber grundsätzlich auch eine andere Ausgestaltung des Verdichters möglich.
Bevorzugt ist der Verdichter mit einer abgasgetriebenen Strömungsmaschine antriebswirkverbunden, sodass der Verdichter durch die abgasgetriebene Strömungsmaschine antreibbar ist. Die abgasgetriebene Strömungsmaschine wird vorzugsweise durch Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben. Bevorzugt ist die abgasgetriebene Strömungsmaschine eine in einem Abgaspfad der Brennkraftmaschine angeordnete Turbine.
Bevorzugt ist der Verdichter Teil eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine. Insbesondere ist die elektrische Maschine also bevorzugt zusätzlich zu der mit dem Verdichter antriebswirkverbundenen abgasgetriebenen Strömungsmaschine vorgesehen. Insbesondere dient die elektrische Maschine nicht primär dem Antrieb des Verdichters, sondern im Wesentlichen der Reduzierung, vorzugsweise Beendigung des Verdichterpumpens.
Es ist gemäß einer anderen Ausgestaltung auch möglich, dass der Verdichter auch regulär oder alleine durch die elektrische Maschine angetrieben wird. In diesem Fall ist er bevorzugt nicht mit einer abgasgetriebenen Strömungsmaschine wirkverbunden, sondern wird alleine durch die elektrische Maschine angetrieben. Insbesondere ist der Verdichter in diesem Fall bevorzugt als Kompressor ausgebildet. Dabei wird unter einem Kompressor hier ein in dem Frischmassepfad der Brennkraftmaschine angeordneter Verdichter verstanden, der nicht mit einer abgasgetriebenen Strömungsmaschine antriebswirkverbunden ist, sondern vielmehr anderweitig angetrieben wird, insbesondere durch die elektrische Maschine.
Dass der Verdichter mit der elektrischen Maschine antriebswirkverbunden ist, bedeutet insbesondere, dass eine Wirkverbindung zwischen dem Verdichter und der elektrischen Maschine derart eingerichtet ist, dass einerseits die elektrische Maschine den Verdichter antreiben kann, wobei andererseits auch der Verdichter die elektrische Maschine antreiben kann. Es kann also einerseits ein Drehmoment von der elektrischen Maschine auf den Verdichter übertragen werden, andererseits kann aber auch ein Drehmoment von dem Verdichter auf die elektrische Maschine übertragen werden. Bevorzugt sind die elektrische Maschine und der Verdichter über eine Welle miteinander drehfest gekoppelt, wobei optional ein Getriebe zwischen dem Verdichter und der elektrischen Maschine vorgesehen sein kann.
Die elektrische Maschine ist bevorzugt als Motor betreibbar. Die elektrische Maschine ist bevorzugt - insbesondere zusätzlich - als Generator betreibbar. Insbesondere ist die elektrische Maschine in einem ersten Betriebszustand als Motor und in einem zweiten Betriebszustand als Generator betreibbar. Es ist in diesem Fall besonders vorteilhaft möglich, den Verdichter mittels der elektrischen Maschine wahlweise zu beschleunigen oder zu bremsen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Funktionsparameter des Verdichters eine - insbesondere momentane - Drehzahl des Verdichters erfasst wird, wobei die erfasste Drehzahl mit einer Referenzdrehzahl verglichen wird, um das Verdichterpumpen zu erkennen. Dies ermöglicht eine zugleich einfache und sichere Erkennung des Verdichterpumpens. Wird das Verfahren nur für einen Verdichter separat betrieben, ist die Referenzdrehzahl in bevorzugter Ausgestaltung ein gleitender Mittelwert der erfassten Drehzahl, insbesondere ein gleitender Mittelwert der letzten Messungen der erfassten Drehzahl; beispielsweise ein Mittelwert, der gebildet wird aus den letzten zehn, zwanzig, fünfzig oder hundert Messwerten. Ein Verdichterpumpen wird bevorzugt erkannt, wenn die erfasste Drehzahl wiederholt, insbesondere periodisch, um die Referenzdrehzahl schwankt. Vorzugsweise wird ein Verdichterpumpen erkannt, wenn die erfasste Drehzahl wiederholt, insbesondere periodisch, um den gleitenden Mittelwert der erfassten Drehzahl schwankt. Das Verdichterpumpen zeichnet sich insbesondere durch eine ausgeprägte Schwankung der Drehzahl des Verdichters aus.
Wird das Verfahren für zwei Verdichter durchgeführt, insbesondere bei einer Registeraufladung, ist die Referenzdrehzahl bevorzugt ein vorbestimmter Differenzdrehzahl-Schwellenwert, mit der eine Differenzdrehzahl verglichen wird, die aus den für die beiden Verdichter erfassten Drehzahlen gebildet wird. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine angesteuert wird, um den Verdichter in Abhängigkeit von dem Funktionsparameter alternierend zu belasten und entlasten, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden. Ein Belasten bedeutet dabei insbesondere ein Bremsen des Verdichters, insbesondere durch Ansteuerung der elektrischen Maschine als Generator; ein Entlasten bedeutet insbesondere ein Aufprägen von Drehmoment auf den Verdichter in Richtung des momentanen Drehsinns, insbesondere ein Beschleunigen des Verdichters, insbesondere ein Ansteuern der elektrischen Maschine als Motor. Insbesondere wird die elektrische Maschine angesteuert, um die Drehzahl des Verdichters in Abhängigkeit von dem Funktionsparameter alternierend zu erhöhen und zu senken. Dabei erfolgt die Ansteuerung der elektrischen Maschine insbesondere so, dass der aufgrund des Verdichterpumpens auftretenden Drehzahlschwankung des Verdichters entgegengewirkt wird, vorzugsweise so, dass die aufgrund des Verdichterpumpens auftretende Drehzahlschwankung durch die Ansteuerung der elektrischen Maschine kompensiert wird. Insbesondere wird die elektrische Maschine angesteuert, um den Verdichter zu belasten, das heißt die Drehzahl zu senken, wenn eine Abweichung der erfassten Drehzahl des Verdichters von der Referenzdrehzahl nach oben auftritt, und die elektrische Maschine wird angesteuert, um den Verdichter zu entlasten, insbesondere um die Drehzahl des Verdichters zu erhöhen, wenn eine Abweichung der erfassten Drehzahl von der Referenzdrehzahl nach unten auftritt. Auf diese Weise können die durch das Verdichterpumpen induzierten Drehzahlschwankungen durch Ansteuerung der elektrischen Maschine zumindest gedämpft, vorzugsweise eliminiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei strömungstechnisch zueinander parallel angeordnete Verdichter betrieben werden, um die Frischmasse zu verdichten, wobei jedem Verdichter der zwei parallel angeordneten Verdichter jeweils eine elektrische Maschine zugeordnet ist, wobei für jeden Verdichter der zwei Verdichter je ein Funktionsparameter fortlaufend auf ein Verdichterpumpen überwacht wird, wobei dann, wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird, die mit den Verdichtern jeweils antriebswirkverbundenen elektrischen Maschinen angesteuert werden, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden. Das Verfahren kann so besonders vorteilhaft angewendet werden auf eine Brennkraftmaschine, bei der eine sogenannte Registeraufladung vorgesehen ist. Dabei sind in dem Frischmassepfad die beiden zueinander parallel angeordneten Verdichter vorgesehen, die gemeinsam Frischmasse entlang desselben Frischmassepfads zu dem Brennraum fördern. Typischerweise kann dabei wenigstens einer der beiden Verdichter durch einen Verdichter-Bypass umgangen werden, um den Verdichter in seiner Verdichtungsleistung zu reduzieren oder abzuschalten. Somit können vorteilhaft Betriebszustände verwirklicht werden, in denen nur einer der Verdichter Verdichtungsleistung erbringt, sowie andere Betriebszustände, in denen beide Verdichter gemeinsam Verdichtungsleistung erbringen. Wird in einem Betriebszustand, indem beide Verdichter Verdichtungsleistung erbringen, der Frischmassenstrom in den Brennraum plötzlich reduziert, beispielsweise bei einem Lastabwurf, insbesondere durch Schließen einer Drosselklappe, fördern beide Verdichter gemeinsam gegen den sich aufstauenden Frischmassestrom, und es kommt zu einem ausgeprägten, alternierenden Verdichterpumpen an den Verdichtern, wobei eine schwingende Luftsäule entsteht, und wobei die Verdichter zueinander - insbesondere um 180° oder π - phasenverschobene Drehzahlschwankungen aufweisen. Insbesondere diese Situation kann mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens vorteilhaft gemildert, besonders bevorzugt eliminiert werden.
Insbesondere weist die Brennkraftmaschine zu dem zuvor beschriebenen Verdichter, der auch als erster Verdichter bezeichnet wird, einen zweiten Verdichter auf, der strömungstechnisch parallel zu dem ersten Verdichter in dem Frischmassepfad vorgesehen ist. Dabei ist dem ersten Verdichter eine erste elektrische Maschine zugeordnet, und dem zweiten Verdichter ist eine zweite elektrische Maschine zugeordnet, wobei jede der elektrischen Maschinen mit dem ihr zugeordneten Verdichter antriebswirkverbunden ist. Für den ersten Verdichter wird ein erster Funktionsparameter fortlaufend auf Verdichterpumpen überwacht; für den zweiten Verdichter wird ein zweiter Funktionsparameter fortlaufend auf Verdichterpumpen überwacht; und es werden dann, wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird, die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine angesteuert, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für jeden Verdichter der zueinander parallel angeordneten Verdichter eine jeweilige Drehzahl als Funktionsparameter erfasst wird. Insbesondere wird für den ersten Verdichter eine erste - insbesondere momentane - Drehzahl erfasst, wobei für den zweiten Verdichter eine zweite - insbesondere momentane - Drehzahl erfasst wird. Ein Verdichterpumpen wird bevorzugt erkannt, wenn eine - insbesondere momentane - Differenzdrehzahl zwischen den - insbesondere momentanen - Drehzahlen der Verdichter einen vorbestimmten Differenzdrehzahl-Schwellenwert überschreitet. Die Differenzdrehzahl wird insbesondere gebildet als Differenz zwischen der ersten Drehzahl und der zweiten Drehzahl. Tritt kein Verdichterpumpen auf, folgen die erste Drehzahl und die zweite Drehzahl insbesondere einem gemeinsamen Trend, vorzugsweise sind sie zumindest nahezu identisch oder phasensynchron. Tritt dagegen Verdichterpumpen auf, kommt es zu der oben beschriebenen schwingenden Luftsäule und einer Phasenverschiebung zwischen den Drehzahlen der Verdichter. Dadurch schwankt der Betrag der Differenzdrehzahl und übersteigt insbesondere wiederholt, insbesondere periodisch, den vorbestimmten Differenzdrehzahl-Schwellenwert. Insbesondere hieran kann zuverlässig und mit hoher Sicherheit das Verdichterpumpen erkannt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrischen Maschinen jeweils in Abhängigkeit von einer Abweichung der jeweiligen Drehzahl des zugeordneten Verdichters zu einem Drehzahlmittelwert, der gebildet wird aus den erfassten Drehzahlen der Verdichter, angesteuert werden, um die jeweilige Drehzahl dem Drehzahlmittelwert anzunähern. Es wird also bevorzugt ein Drehzahlmittelwert als Mittelwert aus der ersten Drehzahl und der zweiten Drehzahl - jeweils insbesondere zum gleichen Zeitpunkt - gebildet. Es wird außerdem die Abweichung der ersten Drehzahl zu dem Drehzahlmittelwert erfasst, und es wird die Abweichung der zweiten Drehzahl zu dem Drehzahlmittelwert erfasst. Somit wird für den ersten Verdichter eine erste Abweichung erfasst, und für den zweiten Verdichter wird eine zweite Abweichung erfasst. Die erste elektrische Maschine wird dann in Abhängigkeit von der ersten Abweichung angesteuert, um die erste Drehzahl dem Drehzahlmittelwert anzunähern; die zweite elektrische Maschine wird in Abhängigkeit von der zweiten Abweichung angesteuert, um die zweite Drehzahl dem Drehzahlmittelwert anzunähern.
Es ist möglich, dass der Drehzahlmittelwert als instantaner Mittelwert, das heißt insbesondere als Mittelwert der Drehzahlen der Verdichter zu genau einem insbesondere aktuellen Zeitpunkt, gebildet wird. Besonders bevorzugt wird aber für jede Drehzahl jedes Verdichters jeweils ein gleitender zeitlicher Mittelwert gebildet, wobei der Drehzahlmittelwert als Mittelwert der gleitenden Mittelwerte - gemittelt über die Verdichter - zu einem bestimmten Zeitpunkt, insbesondere zum jeweils aktuellen Zeitpunkt, gebildet wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ansteuerung der elektrischen Maschinen zur Reduzierung des Verdichterpumpens beendet wird, wenn beide elektrischen Maschinen einen gleichgerichteten Energiegradienten aufweisen. Dies bedeutet insbesondere, dass die elektrischen Maschinen einen Energiegradienten mit gleichem Vorzeichen aufweisen. Dies wiederum bedeutet, dass beiden elektrischen Maschinen zugleich Energie zugeführt wird, oder dass an beiden elektrischen Maschinen gleichzeitig Energie abgenommen wird, dass also beide elektrischen Maschinen simultan den ihnen jeweils zugeordneten Verdichter beschleunigen oder verzögern. An dieser Betriebssituation der elektrischen Maschinen kann erkannt werden, dass der Zustand des Verdichterpumpens beendet ist, da die Drehzahlen der Verdichter offenbar nicht mehr zueinander phasenverschoben sondern vielmehr synchron sind. Dies kann insbesondere erkannt werden, wenn die erste Drehzahl und die zweite Drehzahl gleichsinnig von dem insbesondere als Mittelwert aus gleitenden zeitlichen Mittelwerten gebildeten Drehzahlmittelwert abweichen. Die Verdichter weisen dann insbesondere einen transienten Betriebszustand auf.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum aufweist, sowie einen Frischmassepfad zur Zufuhr von Frischmasse zu dem wenigstens einen Brennraum, wobei in dem Frischmassepfad ein Verdichter angeordnet ist, der eingerichtet ist zur Verdichtung von Frischmasse. Die Brennkraftmaschine weist außerdem eine mit dem Verdichter antriebswirkverbundene elektrische Maschine auf. Außerdem weist die Brennkraftmaschine ein Steuergerät auf, das eingerichtet ist, um einen Funktionsparameter des Verdichters fortlaufend auf ein Verdichterpumpen zu überwachen, und um die elektrische Maschine anzusteuern, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden, wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird. Das Steuergerät ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. Im Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die in Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile.
Bevorzugt ist die Brennkraftmaschine so ausgebildet, wie dies explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurde.
Insbesondere ist die Brennkraftmaschine bevorzugt als Hubkolbenmotor ausgebildet. In bevorzugter Ausgestaltung ist in dem Frischmassepfad eine Drosseleinrichtung, insbesondere eine Drosselklappe, angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Frischmassepfad zwei strömungstechnisch zueinander parallel geschaltete Verdichter angeordnet sind. Insbesondere ist zu dem zuvor bereits erwähnten, im Folgenden als ersten Verdichter bezeichneten Verdichter noch ein zweiter, zu dem ersten Verdichter parallel geschalteter Verdichter vorgesehen. Dabei ist jedem der Verdichter eine eigene elektrische Maschine zugeordnet, die mit dem jeweiligen Verdichter antriebswirkverbunden ist. Das Steuergerät ist eingerichtet, um für jeden der Verdichter einen Funktionsparameter fortlaufend auf ein Verdichterpumpen zu überwachen, und um die beiden elektrischen Maschinen anzusteuern, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden, wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird.
Dass die beiden Verdichter zueinander parallel geschaltet sind, bedeutet insbesondere, dass sie strömungstechnisch zueinander parallel geschaltet oder angeordnet sind, das heißt gemeinsam Frischmasse in einer gemeinsamen Verdichterstufe, insbesondere in parallel zueinander angeordneten Verdichterfluten, zu dem wenigstens einen Brennraum fördern. Die Verdichterfluten der beiden Verdichter werden vorzugsweise stromabwärts der Verdichter zu einer gemeinsamen Frischmasseflut vereinigt, die zu dem wenigstens einen Brennraum führt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, und
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die wenigstens einen Brennraum 3, hier beispielhaft vier Brennräume 3, aufweist. Den Brennräumen 3 ist über einen Frischmassepfad 5 Frischmasse, insbesondere Verbrennungsluft oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch, zuführbar. In dem Frischmassepfad 5 ist wenigstens ein Verdichter 7 angeordnet, der eingerichtet ist, um die entlang des Frischmassepfads 5 strömende Frischmasse zu verdichten. Mit dem Verdichter 7 ist eine elektrische Maschine 9 antriebswirkverbunden. Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem ein Steuergerät 11 auf, welches mit der elektrischen Maschine 9 wirkverbunden ist. Das Steuergerät 11 ist eingerichtet, um einen Funktionsparameter des Verdichters 7 fortlaufend auf ein Verdichterpumpen zu überwachen, und um die elektrische Maschine 11 anzusteuern, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden, wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft der Zustand des Verdichterpumpens vermindert oder zeitlich begrenzt, vorzugsweise verhindert werden.
Das Steuergerät 11 ist insbesondere eingerichtet, um als Funktionsparameter eine momentane Drehzahl des Verdichters 7 zu erfassen. Es ist möglich, dass das Steuergerät 11 hierzu eine Drehzahl der elektrischen Maschine 9 erfasst. Das Steuergerät 11 ist außerdem eingerichtet, um die erfasste Drehzahl mit einer Referenzdrehzahl zu vergleichen, um das Verdichterpumpen zu erkennen.
Das Steuergerät 11 ist insbesondere eingerichtet, um die elektrische Maschine 9 anzusteuern, um den Verdichter 7 in Abhängigkeit von dem Funktionsparameter alternierend zu belasten und zu entlasten, um dadurch das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine 1 zwei zueinander strömungstechnisch parallel geschaltete Verdichter 7 auf, nämlich einen ersten Verdichter 7.1 und einen zweiten Verdichter 7.2. Dem ersten Verdichter 7.1 ist eine erste elektrische Maschine 9.1 zugeordnet. Dem zweiten Verdichter 7.2 ist eine zweite elektrische Maschine 9.2 zugeordnet. Das Steuergerät 11 ist jeweils mit den beiden elektrischen Maschinen 9.1, 9.2 wirkverbunden. Das Steuergerät 11 ist dabei eingerichtet, um für jeden Verdichter 9.1, 9.2 jeweils einen zugeordneten Funktionsparameter zu erfassen und die jeweils zugeordnete elektrische Maschine 9.1, 9.2 entsprechend anzusteuern, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden, wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird. Insbesondere verwirklicht die Anordnung der Verdichter 7.1, 7.2 eine Registeraufladung für die Brennkraftmaschine 1. Hierzu verzweigt sich der Frischmassepfad 5 stromaufwärts der Verdichter 7.1, 7.2 zu parallelen, zu den einzelnen Verdichtern 7.1, 7.2 führenden Strömungspfaden oder Verdichterfluten, wobei diese stromabwärts der Verdichter 7.1, 7.2 wieder zusammengeführt werden. Vorzugsweise ist in dem Frischmassepfad 5 ein gemeinsamer Frischmassekühler 13 angeordnet. In dem Strömungspfad, der dem ersten Verdichter 7.1 zugeordnet ist, ist hier beispielhaft eine Frischmasse-Ventileinrichtung 15 angeordnet, die wahlweise geöffnet und geschlossen werden kann, um den ersten Verdichter 7.1 zu- oder abzuschalten, insbesondere um ihn zusätzlich zu dem zweiten Verdichter 7.2 zu betreiben, oder um gegebenenfalls in einem anderen Betriebszustand nur den zweiten Verdichter 7.2 betreiben zu können.
In dem Frischmassepfad 5 ist außerdem eine Drosseleinrichtung 17 angeordnet, die bevorzugt als Drosselklappe ausgebildet ist. Bevorzugt erfolgt eine Lastregelung der Brennkraftmaschine 1 über die Drosseleinrichtung 17. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 als quantitätsgeregelte Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
Wird bei einem Lastabwurf die Drosseleinrichtung 17 schlagartig geschlossen, fördern die beiden Verdichter 7.1, 7.2 gemeinsam gegen die Drosseleinrichtung 17, sodass es zu einem ausgeprägten Verdichterpumpen kommen kann. Dabei bildet sich eine schwingende Luftsäule in dem Frischmassepfad 5 stromabwärts der Verdichter 7.1, 7.2 aus, wobei es zu phasenverschobenen Drehzahlschwankungen der Verdichter 7.1, 7.2 kommt. Insbesondere diese Phasenverschiebung der Drehzahlen der Verdichter 7.1, 7.2 kann zur Detektion des Verdichterpumpens verwendet werden.
Die Verdichter 7.1, 7.2 sind hier jeweils Teil eines jeweiligen Abgasturboladers 19, wobei die Brennkraftmaschine 1 entsprechend einen ersten Abgasturbolader 19.1 und einen zweiten Abgasturbolader 19.2 aufweist. Die Abgasturbolader 19 weisen jeweils eine Turbine 21 auf. Die Turbinen 21 sind dabei in für sich genommen bekannter Weise in einem Abgaspfad 23 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Die erste Turbine 21.1 ist mit dem ersten Verdichter 7.1 antriebswirkverbunden, hier insbesondere über eine erste Welle 26; die zweite Turbine 21.2 ist mit dem zweiten Verdichter 7.2 antriebswirkverbunden, hier insbesondere über eine zweite Welle 28.
Analog zu der strömungstechnischen Verschaltung der Verdichter 7.1, 7.2 verzweigt sich auch der Abgaspfad 23 stromaufwärts der Turbinen 21.1, 21.2, wobei er stromabwärts der Turbinen 21.1, 21.2. wieder zusammengeführt wird. Beispielhaft ist hier in dem Teil des Abgaspfads 23, welcher der ersten Turbine 21.1 zugeordnet ist, eine Abgas-Ventileinrichtung 31 angeordnet, die wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann, um die erste Turbine 21.1 wahlweise mit Abgas zu beaufschlagen, oder den Abgasstrom zu der ersten Turbine 21.1 zu sperren.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1. Dieses Verfahren wird bevorzugt fortlaufend, insbesondere permanent, im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt.
In einem ersten Schritt S1 werden eine erste momentane Drehzahl n₁ für den ersten Verdichter 7.1 und eine zweite momentane Drehzahl n₂ für den zweiten Verdichter 7.2 erfasst, und es wird eine Differenzdrehzahl Δn als Differenz zwischen der ersten Drehzahl n₁ und der zweiten Drehzahl n₂ gebildet.
In einem zweiten Schritt S2 wird die Differenzdrehzahl Δn mit einem vorbestimmten Differenzdrehzahl-Schwellenwert Δn_s verglichen. Überschreitet die Differenzdrehzahl Δn den vorbestimmten Differenzdrehzahl-Schwellenwert Δn_s nicht, wird kein Verdichterpumpen erkannt, und das Verfahren wird in dem ersten Schritt S1 fortgesetzt, das heißt die Brennkraftmaschine 1 wird regulär weiterbetrieben. Überschreitet dagegen die Differenzdrehzahl Δn den vorbestimmten Differenzdrehzahl-Schwellenwert Δn_s, wird ein Verdichterpumpen erkannt, und das Verfahren wird in einem dritten Schritt S3 fortgesetzt.
In dem dritten Schritt S3 wird aus den Drehzahlen n₁, n₂ ein Drehzahlmittelwert n_m gebildet.
In einem vierten Schritt S4 werden dann die elektrischen Maschinen 9.1, 9.2 jeweils in Abhängigkeit von einer jeweiligen Abweichung der zugeordneten Drehzahlen n₁, n₂ des zugeordneten Verdichters 7.1, 7.2 zu dem Drehzahlmittelwert n_m angesteuert, um die jeweilige Drehzahl n₁, n₂ dem Drehzahlmittelwert n_m anzunähern. Insbesondere wird die erste elektrische Maschine 9.1 in Abhängigkeit von der Abweichung der ersten Drehzahl n₁ von dem Drehzahlmittelwert n_m angesteuert, und die zweite elektrische Maschine 9.2 wird in Abhängigkeit der Abweichung der zweiten Drehzahl n₂ von dem Drehzahlmittelwert n_m angesteuert.
In einem fünften Schritt S5 wird geprüft, ob die beiden elektrischen Maschinen 9.1, 9.2 einen gleichen, insbesondere gleichgerichteten Energiegradienten aufweisen. Ist dies nicht der Fall, besteht die Phasenverschiebung zwischen den Drehzahlen n₁, n₂ der Verdichter 7.1, 7.2 und damit auch der Zustand des Verdichterpumpens fort, und das Verfahren wird in dem dritten Schritt S3 fortgesetzt, nachdem in einem sechsten Schritt S6 die Drehzahlen n₁, n₂ der Verdichter 7.1, 7.2 neu erfasst wurden. Selbstverständlich werden also auch während dieses Zweigs des Verfahrens permanent die momentanen Drehzahlen n₁, n₂ der Verdichter 7.1, 7.2 fortlaufend erfasst, und es wird jeweils mit den aktuellen, momentanen Drehzahlen n₁, n₂ gearbeitet.
Wird dagegen in dem fünften Schritt S5 festgestellt, dass die Energiegradienten der elektrischen Maschinen 9.1, 9.2 gleich sind, besteht offensichtlich die Phasenverschiebung zwischen den Drehzahlen der Verdichter 7.1, 7.2 nicht mehr, sodass darauf geschlossen werden kann, dass der Zustand des Verdichterpumpens beendet ist. In diesem Fall wird das Verfahren in dem ersten Schritt S1 und damit im regulären Motorbetrieb fortgesetzt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei - einem Brennraum (3) der Brennkraftmaschine (1) durch einen Verdichter (7) verdichtete Frischmasse zugeführt wird, wobei - ein Funktionsparameter des Verdichters (7) fortlaufend auf ein Verdichterpumpen überwacht wird, wobei, - wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird, eine mit dem Verdichter (7) antriebswirkverbundene elektrische Maschine (9) angesteuert wird, um das Verdichterpumpen zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Funktionsparameter eine Drehzahl des Verdichters (7) erfasst wird, wobei die erfasste Drehzahl mit einer Referenzdrehzahl verglichen wird, um das Verdichterpumpen zu erkennen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (9) angesteuert wird, um den Verdichter (7) in Abhängigkeit von dem Funktionsparameter alternierend zu belasten und zu entlasten, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) zwei zueinander strömungstechnisch parallel angeordnete Verdichter (7) aufweist, um die Frischmasse zu verdichten, wobei jedem Verdichter (7) der zwei Verdichter (7) je eine elektrische Maschine (9) zugeordnet ist, wobei für jeden Verdichter (7) der zwei Verdichter (7) je ein Funktionsparameter erfasst wird, und wobei die elektrischen Maschinen (9) jeweils angesteuert werden, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Verdichter (7) der zwei Verdichter (7) eine jeweilige Drehzahl als Funktionsparameter erfasst wird, wobei vorzugsweise ein Verdichterpumpen erkannt wird, wenn eine Differenzdrehzahl zwischen den Drehzahlen der Verdichter (7) einen vorbestimmten Differenzdrehzahl-Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (9) in Abhängigkeit von einer Abweichung der jeweiligen Drehzahl des zugeordneten Verdichters (7) zu einem Drehzahlmittelwert, der gebildet wird aus den Drehzahlen der Verdichter (7), angesteuert werden, um die jeweilige Drehzahl dem Drehzahlmittelwert anzunähern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der elektrischen Maschinen (9) zur Reduktion des Verdichterpumpens beendet wird, wenn beide elektrischen Maschinen (9) einen gleichgerichteten Energiegradienten aufweisen.
Brennkraftmaschine (1), mit wenigstens einem Brennraum (3) und einem Frischmassepfad (5), der eingerichtet ist, um dem wenigstens einen Brennraum (3) Frischmasse zuzuführen, wobei in dem Frischmassepfad (5) ein Verdichter (7) angeordnet ist, der eingerichtet ist, um die Frischmasse zu verdichten, wobei die Brennkraftmaschine (1) außerdem eine mit dem Verdichter (7) antriebswirkverbundene elektrische Maschine (9) aufweist, und wobei die Brennkraftmaschine (1) ein Steuergerät (11) aufweist, das mit der elektrischen Maschine (9) wirkverbunden und eingerichtet ist, um einen Funktionsparameter des Verdichters (7) fortlaufend auf ein Verdichterpumpen zu überwachen, und, wenn ein Verdichterpumpen erkannt wird, die elektrische Maschine (9) anzusteuern, um das Verdichterpumpen zu reduzieren, vorzugsweise zu beenden.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine zwei zueinander strömungstechnisch parallel angeordnete Verdichter (7) aufweist.