DE102021116500A1 - Hybrid-Brennkraftmaschine, Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, Steuergerät und Fahrzeug - Google Patents

Hybrid-Brennkraftmaschine, Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, Steuergerät und Fahrzeug Download PDF

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Jan Boyde
Jörg Schrader
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Rolls Royce Solutions GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Brennkraftmaschine (1000), mit- einer Brennkraftmaschine (1200) aufweisend einen Verbrennungsmotor (1210) und eine Laderanordnung (1100), und mit einer elektrischen Maschine (1400), wobei- der Verbrennungsmotor (1210) und die elektrische Maschine (1400) drehmomentübertragend verbunden sind, und- einem Steuergerät (1500), ausgebildet zum Steuern der Brennkraftmaschine (1200) und der elektrischen Maschine (1400),- die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) ausgebildet ist zum Bereitstellen einer mechanischen Gesamtabgabeleistung (P_OUT) mit einer Abgabedrehzahl (N) über eine Antriebswelle (1020), und- die Laderanordnung (1100) mindestens eine Laderstufe (1110) aufweist, die selektiv zwecks Verdichtung von Ladeluft (LL) für den Verbrennungsmotor (1210) hinzugeschaltet werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass- die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000), insbesondere das Steuergerät (1100), ausgebildet ist, bei einem Hinzuschalten der Laderstufe (1110) der Laderanordnung (1100) eine Lastpunktanhebung (INCR) in Bezug auf einen Lastpunkt (B) der Brennkraftmaschine (1200) durchzuführen,- wobei die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) ausgebildet ist, eine durch die Lastpunktanhebung (INCR) bereitgestellte mechanische Anhebungsleistung (P_INCR) durch die elektrische Maschine (1400) teilweise oder vollständig anzunehmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, ein Steuergerät und ein Fahrzeug.
  • Hybrid-Brennkraftmaschinen zeichnen sich durch die Kombination von einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Maschine aus. Vorteilhaft, insbesondere in Abhängigkeit eines momentanen Betriebszustandes, kann so eine jeweils geeignete Antriebsform gewählt werden. Bei der Auswahl einer geeigneten Antriebsform werden insbesondere Aspekte wie Geräuschemissionen, Schadstoffemissionen, Kraftstoffkosten, benötigte Reichweite und/oder vorhandene Energiereserve eines Fahrzeugs, zugrundegelegt. Auch bei einer an sich bekannten Hybrid-Brennkraftmaschine kann eine Laderanordnung für die Brennkraftmaschine in einer an sich bekannten Weise dazu vorgesehen sein, Ladeluft für einen Verbrennungsmotor zu verdichten, um auf diese Weise die Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine zu verbessern, insbesondere eine Motorabgabeleistung zu erhöhen.
  • Bei Laderanordnungen, die direkt oder indirekt von dem Verbrennungsmotor angetrieben werden, deren Ladeluft sie verdichten, ist allerdings bekanntermaßen problematisch, dass das Hinzuschalten einer Laderanordnung und das damit verbundene Antreiben der Laderanordnung durch den Abgasstrom einen kurzfristig anfallenden Leistungsbedarf erfordert, der von dem Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt werden muss. Dieser kurzfristige Leistungsbedarf tritt insbesondere in einem Zeitraum auf, wenn durch das Hinzuschalten einer Laderstufe, insbesondere einer Turbine, der Laderanordnung ein Abgasgegendruck des Abgasstroms erhöht wird, die Verdichtung der Ladeluft durch die Laderstufe, insbesondere durch einen durch die Turbine angetriebenen Verdichter jedoch noch nicht eingesetzt hat. Durch diesen kurzfristigen Leistungsbedarf kann es in der Praxis beim Hinzuschalten einer Laderanordnung oder einer Laderstufe der Laderanordnung zu einer Leistungseinbuße des Verbrennungsmotors bzw. der Brennkraftmaschine kommen, die sich insbesondere in einer reduzierten Abgabeleistung, insbesondere Motorabgabeleistung, äußert, beispielsweise in Form des sogenannten „Turbolochs“ und/oder einem verzögerten Drehmomentaufbau.
  • Eine Vielzahl von Ansätzen ist an sich bekannt, eine derart reduzierte Abgabeleistung zu kompensieren oder die Reduzierung der Abgabeleistung zu verringern. Ein Ansatz liegt beispielsweise darin, die Abgabeleistung vor dem Hinzuschalten der Laderanordnung, insbesondere über ein benötigtes Maß hinaus, zu erhöhen. Dies hat jedoch in der Regel eine Drehzahlerhöhung des Verbrennungsmotors --und somit auf eine Abgabedrehzahl einer eingangs genannten Hybrid-Brennkraftmaschine-- zur Folge. Ein insofern nicht unerheblicher Einfluss auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine hat somit auch Einfluss auf das Fahrverhalten eines von der Hybrid-Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs - eben bei einer Hybrid-Brennkraftmaschine ist dies jedoch besonders sensibel.
  • Das Konzept ist somit vor allem noch verbesserungswürdig hinsichtlich der Bereitstellung einer benötigten, vorteilhaft möglichst gleichmäßigen, Abgabedrehzahl, unter gleichzeitig vorteilhafter Nutzung einer Laderanordnung bei einer Hybrid-Brennkraftmaschine.
  • Wünschenswert ist es daher, die Funktion einer Hybrid-Brennkraftmaschine zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Bereitstellung einer benötigten, vorteilhaft möglichst gleichmäßigen, Abgabedrehzahl, unter gleichzeitig vorteilhafter Nutzung einer Laderanordnung.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Hybrid-Brennkraftmaschine anzugeben, die hinsichtlich mindestens eines der oben genannten Probleme verbessert ist. Insbesondere soll die Bereitstellung einer benötigten, vorteilhaft möglichst gleichmäßigen, Abgabedrehzahl ermöglicht werden unter gleichzeitig vorteilhafter Nutzung einer Laderanordnung der Brennkraftmaschine.
  • Die Aufgabe, betreffend die Hybrid-Brennkraftmaschine, wird durch die Erfindung mit einer Hybrid-Brennkraftmaschine des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht aus von einer Hybrid-Brennkraftmaschine, mit
    • - einer Brennkraftmaschine aufweisend einen Verbrennungsmotor und eine Laderanordnung, und mit einer elektrischen Maschine, wobei
    • - der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine drehmomentübertragend verbunden sind, und
    • - einem Steuergerät, ausgebildet zum Steuern der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine,
    • - die Hybrid-Brennkraftmaschine ausgebildet ist zum Bereitstellen einer mechanischen Gesamtabgabeleistung mit einer Abgabedrehzahl über eine Antriebswelle, und
    • - die Laderanordnung mindestens eine Laderstufe aufweist, die selektiv zwecks Verdichtung von Ladeluft für den Verbrennungsmotor hinzugeschaltet werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist bei der Hybrid-Brennkraftmaschine vorgesehen, dass:
    • - die Hybrid-Brennkraftmaschine, insbesondere das Steuergerät, ausgebildet ist, bei einem Hinzuschalten der Laderstufe der Laderanordnung eine Lastpunktanhebung in Bezug auf einen Lastpunkt der Brennkraftmaschine durchzuführen,
    • - wobei die Hybrid-Brennkraftmaschine ausgebildet ist, eine durch die Lastpunktanhebung bereitgestellte mechanische Anhebungsleistung durch die elektrische Maschine teilweise oder vollständig, insbesondere zu einem einstellbaren Anteil, anzunehmen.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass der Einsatz einer Laderanordnung, trotz des kurzfristig erhöhten Leistungsbedarfs beim Hinzuschalten, mit wesentlichen Vorteilen für den Betrieb einer Brennkraftmaschine verbunden ist.
  • Die Erfindung hat erkannt, dass es zum Erfüllen des kurzfristig erhöhten Leistungsbedarfs vorteilhaft ist, eine Mehrleistung in Form einer mechanischen Anhebungsleistung durch den Verbrennungsmotor zu erbringen. Die mechanische Anhebungsleistung ist insbesondere derjenige, über den eigentlichen Leistungsbedarf des Fahrzeugs in Form einer Abtriebsleistung hinausgehende, Anteil der von dem Verbrennungsmotor bereitgestellten Leistung, der zum Erfüllen des kurzfristig erhöhten Leistungsbedarfs für die Laderaufschaltung benötigt wird.
  • Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung beruht auf der Tatsache, dass bei einer Hybrid-Brennkraftmaschine ohnehin eine elektrische Maschine vorhanden ist, die vorteilhaft zum Annehmen der mechanischen Anhebungsleistung von der Antriebswelle genutzt werden kann, wenn diese beim Durchführen einer Lastpunktanhebung vom Verbrennungsmotor bereitgestellt wird.
  • Dass die Hybrid-Brennkraftmaschine ausgebildet ist, eine durch die Lastpunktanhebung bereitgestellte mechanische Anhebungsleistung durch die elektrische Maschine teilweise oder vollständig anzunehmen, bedeutet insbesondere, dass die Hybrid-Brennkraftmaschine ausgebildet ist, den Anteil der mechanischen Anhebungsleistung, der in elektrischer Form von der elektrischen Maschine aufgenommen wird, steuerbar einzustellen. Insbesondere kann ein Teil der mechanischen Anhebungsleistung als mechanische Leistung an der Antriebswelle verbleiben, und ein anderer, einstellbarer Anteil von der elektrischen Maschine in elektrische Leistung umgewandelt werden zum steuerbaren Bereitstellen an einen elektrischen Verbraucher. Zum Aufnehmen der mechanischen Anhebungsleistung in elektrischer Form befindet sich die elektrische Maschine vorteilhaft in einem Generator-Modus.
  • Wenn beispielsweise vor der Lastpunktanhebung ein Leistungsgleichgewicht von vom Verbrennungsmotor bereitgestellter Motorabgabeleistung und an der Antriebswelle bereitgestellter Gesamtabgabeleistung generell wie folgt formuliert werden kann P E N G = P O U T
    Figure DE102021116500A1_0001
    kann ein Leistungsgleichgewicht bei einer Lastpunktanhebung mit einer Hybrid-Brennkraftmaschine gemäß dem Konzept der Erfindung wie folgt formuliert werden: P E N G + P I N C R = P O U T + P G E N
    Figure DE102021116500A1_0002
  • Dabei ist P_ENG die Motorabgabeleistung der Brennkraftmaschine, P_INCR die zusätzlich von der Brennkraftmaschine kurzzeitig aufgebrachte mechanische Anhebungsleistung, P_OUT die an der Antriebswelle bereitgestellte Gesamtabgabeleistung und P_GEN die von der elektrischen Maschine im Generator-Modus aufgenommene elektrische Generatorleistung.
  • Die Erfindung hat erkannt, dass wenn eine solche Lastpunktanhebung in Bezug auf einen Lastpunkt der Brennkraftmaschine vor dem Hinzuschalten oder während des Hinzuschaltens der Laderstufe erfolgt, die mechanische Anhebungsleistung teilweise oder vollständig von der elektrischen Maschine in Form einer Generatorleistung angenommen werden kann. Insbesondere ist die elektrische Maschine beim Annehmen der mechanischen Anhebungsleistung in einem Generator-Modus und kann die mechanische Anhebungsleistung vorteilhaft in elektrische Leistung umwandeln.
  • Das Konzept bietet vorzugsweise die Basis für eine in verbesserter Weise betreibbare Hybrid-Brennkraftmaschine, bei der das Hinzuschalten einer Laderstufe vorteilhaft einen geringen Einfluss auf das Betriebsverhalten der Hybrid-Brennkraftmaschine, und insbesondere auf das Fahrverhalten eines von der Hybrid-Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs, hat.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
  • Insbesondere kann sich die Lastpunktanhebung in ihrer zeitlichen Dauer durchaus über einen Zeitaum erstrecken, der vor dem Hinzuschalten beginnt und noch während des Hinzuschaltens der Laderstufe anhält.
  • Dadurch, dass die mechanische Anhebungsleistung von der elektrischen Maschine in Form einer elektrischen Generatorleistung angenommen wird, kann die Abgabedrehzahl in vorbestimmter, insbesondere in geregelter, Weise eingestellt werden. Insbesondere kann die mechanische Anhebungsleistung durch die Umwandlung in die elektrische Generatorleistung in elektrischer Form in einem elektrischen Verbraucher, insbesondere Energiespeicher, für die spätere Nutzung gespeichert werden. Vorteilhaft kann die Hybrid-Brennkraftmaschine ein Getriebe und/oder eine Kupplung aufweisen zum drehmomentübertragenden Verbinden des Verbrennungsmotors mit der elektrischen Maschine.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Abgabedrehzahl in geregelter Weise, insbesondere konstant, einstellbar ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Abgabedrehzahl auf einen gewählten Wert regelbar ist, und zwar unabhängig von der Lastpunktanhebung. Vorteilhaft erfolgt die Lastpunktanhebung unabhängig von einer Drehzahl des Verbrennungsmotors und insbesondere unabhängig von der Abgabedrehzahl, sodass insbesondere die Fahreigenschaften eines von der Hybrid-Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs nicht beeinflusst werden. Insbesondere wird besonders vorteilhaft eine Motordrehzahl des Verbrennungsmotors und/oder der Antriebswelle während der Lastpunktanhebung konstant gehalten, und besonders vorteilhaft auch für einen bestimmten Zeitraum nach dem Zurücknehmen der Lastpunktanhebung.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Lastpunktanhebung zum Hinzuschalten der Laderstufe, bevorzugt vor dem Hinzuschalten und/oder während des Hinzuschaltens der Laderstufe, erfolgt.
  • Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die elektrische Maschine mit einem elektrischen Verbraucher elektrisch verbindbar oder verbunden.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Durchführen der Lastpunktanhebung in Bezug auf einen Lastpunkt der Brennkraftmaschine erfolgt, wenn eine ausreichende Aufnahmekapazität eines elektrischen Verbrauchers vorhanden ist. Der elektrische Verbraucher, kann vorteilhaft ein Energiespeicher sein zur Aufnahme einer Energiemenge oder einer Leistung. Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist der Energiespeicher ein Akku. Der Akku kann beispielsweise als Lithium-Ionen-Akku oder Bleiakku ausgebildet sein. Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Energiespeicher ein Kondensator, insbesondere ein Superkondensator in Form eines Supercaps oder eines Ultracaps.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Verbraucher ein Bordnetz eines Fahrzeugs sein, sodass die Aufnahmekapazität eine Kapazität des Bordnetzes zur Aufnahme einer Energiemenge oder einer Leistung ist. Vorteilhaft weist die Hybrid-Brennkraftmaschine zum Bestimmen der Aufnahmekapazität eine Aufnahmekapazitäts-Messvorrichtung auf. Insbesondere kann die Hybrid-Brennkraftmaschine ausgebildet sein, einen ersten Teil der elektrischen Generatorleistung, insbesondere der Energiereserve, einem Bordnetz zur Verfügung zu stellen, und einen zweiten Teil einem Energiespeicher zur Verfügung zu stellen.
  • Mittels der Bedingung einer ausreichenden Aufnahmekapazität wird vorteilhaft sichergestellt, dass die in einem elektrischen Verbraucher vorhandene Aufnahmekapazität ausreicht zum Aufnehmen der durch die Lastpunktanhebung erzeugten mechanischen Anhebungsleistung. Für das Aufnehmen einer mechanischen Anhebungsleistung über eine bestimmte zeitliche Dauer wird eine Kapazität zur Aufnahme einer Energiemenge benötigt. Daher kann durch das Prüfen der vorhandenen Aufnahmekapazität des elektrischen Verbrauchers vorteilhaft kontrolliert werden, ob die durch die mechanische Anhebungsleistung bereitgestellte Energiemenge in elektrischer Form ausreichend im elektrischen Verbraucher, insbesondere in einem Energiespeicher, aufgenommen werden kann. Hierbei werden insbesondere Einflussfaktoren berücksichtigt wie die benötigte mechanische Anhebungsleistung, insbesondere die Differenz zwischen einem benötigten, angehobenen Lastpunkt und dem momentanen Lastpunkt, sowie die Dauer oder die voraussichtliche Dauer der Lastpunktanhebung.
  • Anders ausgedrückt wird der andere einstellbare Anteil in gesteuerter Weise von der elektrischen Maschine in elektrische Leistung umgewandelt zum steuerbaren Bereitstellen an den elektrischen Verbraucher. Insbesondere wird in einem optimierten Modus der andere Ansteil (also derjenige, der von der elektrischen Maschine in elektrische Leistung umgewandelt wird zum steuerbaren Bereitstellen an einen elektrischen Verbraucher) derart steuerbar eingestellt, dass die Aufnahmekapazität des elektrischen Verbrauchers höchstens vollständig oder jedenfalls in optimierter Weise genutzt wird. In dem Fall einer vollständigen Nutzung mag es ausreichen, dass nur ein kleinerer oder der kleinstmögliche Anteil der mechanischen Anhebungsleistung an der Antriebswelle verbleibt. Konkret wird bevorzugt eine vorteilhaft vorhandene Aufnahmekapazität des elektrischen Verbrauchers geprüft und es wird besonders bevorzugt kontrolliert, ob die durch die mechanische Anhebungsleistung bereitgestellte Energiemenge in elektrischer Form ausreichend im elektrischen Verbraucher, insbesondere in einem Energiespeicher, überhaupt aufgenommen werden kann.
  • Dies umfasst insofern bevorzugt mindestens die Prüfung, auf eine Obergrenze. Vorteilhaft umfasst dies die Prüfung welches der maximale Teil sein kann, der von der elektrischen Maschine in elektrische Leistung umgewandelt wird, zum steuerbaren Bereitstellen an einen elektrischen Verbraucher - anders ausgedrückt wird nur höchstens jener maximale Teil als Obergrenze steuerbar eingestellt, um von der elektrischen Maschine in elektrische Leistung umgewandelt zu werden, zum steuerbaren Bereitstellen an einen elektrischen Verbraucher.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Hybrid-Brennkraftmaschine, insbesondere das Steuergerät, ausgebildet ist, eine Abgabedrehzahl, insbesondere eine konstante Abgabedrehzahl zu regeln, insbesondere durch Anpassen der elektrischen Generatorleistung an eine sich ändernde Motorabgabeleistung des Verbrennungsmotors. Die Regelung der Drehzahl kann somit vorteilhaft zusätzlich zur Lastpunktanhebung erfolgen, insbesondere indem die elektrische Maschine in einem Generatormodus angesteuert wird zum Erzeugen einer elektrischen Generatorleistung. Die elektrische Maschine wird dabei so geregelt, dass die mechanische Anhebungsleistung - oder ein über die Regelung der Generatorleistung wählbarer Anteil der von dem Verbrennungsmotor erzeugten Motorabgabeleistung in elektrische Generatorleistung umgewandelt wird, insbesondere um eine Abgabedrehzahl zu regeln. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Lastpunktanhebung unter Steuerung oder Regelung einer konstanten Abgabedrehzahl der Antriebswelle erfolgt.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass
    • - die Laderanordnung als eine Abgas-Turboladeranordnung ausgebildet ist, und die mindestens eine Laderstufe einen Verdichter und
    • - eine drehmomentübertragend mit dieser verbundenen Turbine aufweist, wobei
    • - die Turbine ausgebildet ist, beim Hinzuschalten der Laderstufe zum Antreiben des Verdichters mit einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors in Kontakt gebracht zu werden. Eine derartige Abgas-Turboladeranordnung stellt eine bewährte und vorteilhafte Einrichtung bereit für die Nutzung der Energie eines Abgasstroms zur Verdichtung der Ladeluft. Die Begriffe „Verdichter“ und „Turbine“ beschränken sich dabei nicht auf eine bestimmte Bauform. Insbesondere können sich diese Begriffe auf einstufige und mehrstufige Laderanordnungen beziehen.
  • Gleichwohl sind im Rahmen der Erfindung auch andere Formen von Laderanordnungen möglich, beispielsweise ein mechanisch mit der Antriebswelle gekoppelter Kompressor oder dergleichen Einrichtung zum Verdichten von Ladeluft, bei denen ein, insbesondere kurzfristiger, Leistungsbedarf an den Verbrennungsmotor beim Hinzuschalten der Laderstufe entsteht.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Laderanordnung mindestens eine erste Laderstufe und eine zweite Laderstufe aufweist. Die zwei oder mehr Laderstufen können vorteilhaft hintereinander im Sinne einer mehrstufigen Laderanordnung, oder beispielsweise auch alternativ ansteuerbar und parallel im Sinne einer Registeraufladung angeordnet sein. Auch sind andere Formen von Laderanordnungen oder Mischformen aus einer mehrstufigen Laderanordnung und einer Registeraufladung möglich. Vorteilhaft kann die Laderanordnung mindestens eines von einem Bypassventil, einer Drossel und einer Umschaltklappe aufweisen zum selektiven Führen des Abgasstroms und/oder Ladeluftstroms, insbesondere zum Beaufschlagen einer bestimmten Laderstufe und/oder zum Umgehen einer anderen bestimmten Ladestufe.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass
    • - das Hinzuschalten der mindestens einen Laderstufe in Abhängigkeit eines Lastpunkts erfolgt, wobei der Lastpunkt insbesondere durch eine Motordrehzahl und/oder eine Motorabgabeleistung festgelegt wird, wobei insbesondere
    • - das Hinzuschalten der mindestens einen Laderstufe erfolgt, wenn der der Lastpunkt eine Schaltgrenze überschreitet. Insbesondere erfolgt das Abschalten der mindestens einen Laderstufe, wenn der Lastpunkt die Schaltgrenze unterschreitet.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass
    • - mindestens eine Schaltgrenze als eine Hysteresezone ausgebildet ist mit einer unteren Hysteresegrenze und einer oberen Hysteresegrenze, dass das Hinzuschalten der mindestens einen Laderstufe erfolgt, wenn der Lastpunkt, insbesondere die steigende Motordrehzahl und/oder die steigende Motorabgabeleistung, die obere Hysteresegrenze überschreitet. In einer derartigen Weiterbildung ist vorteilhaft vorgesehen, dass das Abschalten der mindestens einen Laderstufe erfolgt, wenn der Lastpunkt, insbesondere die sinkende Motordrehzahl und/oder die sinkende Motorabgabeleistung, die untere Hysteresegrenze unterschreitet.
  • Mittels einer Schaltgrenze oder einer Hysteresezone kann vorteilhaft das Hinzuschalten einer Laderstufe an einem technischen sinnvollen Lastpunkt erfolgen, insbesondere wenn eine momentane Motordrehzahl und/oder eine momentane Motorabgabeleistung hierfür ausreichend ist. Mittels einer Hysteresezone mit einer unteren Hysteresegrenze und einer oberen Hysteresegrenze kann vorteilhaft ein wechselhaftes Hinzu- und Abschalten einer Laderstufe verhindert werden, wenn sich der Lastpunkt an dem Übergang zu einer Schaltgrenze befindet. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine material- und/oder kraftstoffschonende Betriebsweise der Brennkraftmaschine möglich. Im Zusammenhang mit der Lastpunktanhebung gemäß dem Konzept der Erfindung kann der Lastpunkt vorteilhaft aus der Hysteresezone, insbesondere über die obere Hysteresegrenze, angehoben werden, und zwar vorteilhaft unabhängig von dem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass
    die Hybrid-Brennkraftmaschine in Abhängigkeit eines Kennfelds steuerbar ist, wobei das Kennfeld mindestens eine Schaltgrenze und/oder mindestens eine Hysteresezone aufweist. Insbesondere erfolgt das Steuern der Hybrid-Brennkraftmaschine mittels eines elektronischen Steuergeräts. In dem Steuergerät kann vorteilhaft das Kennfeld in elektronischer Form, vorteilhaft als Programmfunktion, hinterlegt werden.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Hybrid-Brennkraftmaschine ausgebildet ist, zum Ermitteln einer benötigten mechanischen Anhebungsleistung, die aufgebracht werden muss, damit der Lastpunkt die Schaltgrenze überschreitet. Im Kennfeld entspricht die benötigte mechanische Anhebungsleistung dem vertikalen Abstand, das heißt dem Abstand bei konstanter Drehzahl, zwischen dem momentanen Lastpunkt und der Schaltgrenze. Wenn die Schaltgrenze als Hysteresezone ausgebildet ist, entspricht die benötigte mechanische Anhebungsleistung dem vertikalen Abstand zwischen dem momentanen Lastpunkt und der oberen Hysteresegrenze. Mittels der benötigten mechanischen Anhebungsleistung kann vorteilhaft die Aufnahmekapazität bestimmt werden, die benötigt wird, um die bei der Lastpunktanhebung erzeugte mechanische Anhebungsleistung, insbesondere vollständig, aufzunehmen.
  • Die Erfindung führt in einem zweiten Aspekt zur Lösung der Aufgabe auf ein Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, mit
    • - einer Brennkraftmaschine aufweisend einen Verbrennungsmotor und eine Laderanordnung, und mit einer elektrischen Maschine, wobei
    • - der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine drehmomentübertragend verbunden sind, und
    • - einem Steuergerät, ausgebildet zum Steuern der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine,
    • - die Hybrid-Brennkraftmaschine ausgebildet ist zum Bereitstellen einer mechanischen Gesamtabgabeleistung mit einer Abgabedrehzahl über eine Antriebswelle, und
    • - die Laderanordnung mindestens eine Laderstufe aufweist, die selektiv zwecks Verdichtung von Ladeluft für den Verbrennungsmotor hinzugeschaltet werden kann, wobei das Verfahren zum Betreiben der Hybrid-Brennkraftmaschine den Schritt aufweist:
    • - Hinzuschalten der Laderstufe der Laderanordnung.
  • Bei dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt ist zum Hinzuschalten der Laderstufe das Verfahren gekennzeichnet durch den Schritt:
    • - Durchführen einer Lastpunktanhebung in Bezug auf einen Lastpunkt der Brennkraftmaschine,
    • - wobei eine durch die Lastpunktanhebung bereitgestellte mechanische Anhebungsleistung teilweise oder vollständig durch die elektrische Maschine angenommen wird.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorteilhaft der Schritt vorgesehen: Ermitteln einer verfügbaren Aufnahmekapazität, insbesondere einer verfügbaren Aufnahmekapazität eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Energiespeichers der Hybrid-Brennkraftmaschine, wobei das Durchführen der Lastpunktanhebung in Bezug auf einen Lastpunkt der Brennkraftmaschine erfolgt, wenn eine ausreichende Aufnahmekapazität vorhanden ist.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lastpunktanhebung unter einer Steuerung oder Regelung einer konstanten Drehzahl der Antriebswelle erfolgt.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorteilhaft der Schritt vorgesehen: Regeln einer Abgabedrehzahl, insbesondere einer konstanten Abgabedrehzahl, insbesondere durch Anpassen der elektrischen Generatorleistung an eine sich ändernde Motorabgabeleistung des Verbrennungsmotors.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorteilhaft der Schritt vorgesehen: Zurücknehmen der Lastpunktanhebung. Das Zurücknehmen der Lastpunktanhebung kann insbesondere nach einem Hinzuschalten der Laderanordnung erfolgen. Besonders bevorzugt kann das Zurücknehmen der Lastpunktanhebung direkt nach dem erfolgten Hinzuschalten der Laderanordnung, oder nach einer bestimmten Wartedauer nach dem erfolgten Hinzuschalten der Laderanordnung, erfolgen. Nach einem erfolgten Hinzuschalten der Laderanordnung ist zu erwarten, dass die Motorabgabeleistung des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine ausreichend hoch ist und/oder der erhöhte kurzfristige Leistungsbedarf aufgrund des Hinzuschaltens der Laderanordnung nicht mehr besteht. In Weiterbildungen kann das Zurücknehmen der Lastpunktanhebung stufenweise erfolgen, insbesondere indem die bereitgestellte mechanische Anhebungsleistung schrittweise reduziert wird.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
    • - das Hinzuschalten der mindestens einen Laderstufe in Abhängigkeit eines Lastpunkts erfolgt, wobei der Lastpunkt insbesondere durch eine Motordrehzahl und eine Motorabgabeleistung festgelegt wird, wobei insbesondere
    • - das Hinzuschalten der mindestens einen Laderstufe erfolgt, wenn der der Lastpunkt eine Schaltgrenze überschreitet.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mindestens eine Schaltgrenze als eine Hysteresezone ausgebildet ist mit einer unteren Hysteresegrenze und einer oberen Hysteresegrenze, und dass das Hinzuschalten der mindestens einen Laderstufe erfolgt, wenn der Lastpunkt, insbesondere die steigende Motordrehzahl und/oder die steigende Motorabgabeleistung, die obere Hysteresegrenze überschreitet.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Hybrid-Brennkraftmaschine in Abhängigkeit eines Kennfelds steuerbar ist, wobei das Kennfeld mindestens eine Schaltgrenze und/oder mindestens eine Hysteresezone aufweist.
  • Vorteilhaft ist die Schaltgrenze als Hysteresezone ausgebildet. Insbesondere ist eine Hysteresezone funktional derart ausgelgt, dass bei einem Überschreiten der oberen Hysteresegrenze durch den Lastpunkt ein Hinzuschalten der Laderstufe erfolgt, erst jedoch bei einem Unterschreiten der unteren Hysteresegrenze ein Abschalten der Laderstufe.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorteilhaft der Schritt vorgesehen: Ermitteln einer benötigten mechanischen Anhebungsleistung, die aufgebracht werden muss, damit der Lastpunkt die Schaltgrenze überschreitet.
  • Die Erfindung führt in einem dritten Aspekt zur Lösung der Aufgabe auf ein Steuergerät für eine Hybrid-Brennkraftmaschine, wobei die Hybrid-Brennkraftmaschine einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine und eine Laderanordnung aufweist. Erfindungsgemäß ist das Steuergerät ausgebildet zum Durchführen eines Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung die Brennkraftmaschine und/oder die Hybrid-Brennkraftmaschine zu steuern.
  • Die Erfindung führt in einem vierten Aspekt zur Lösung der Aufgabe auf ein Fahrzeug, insbesondere Wasserfahrzeug, Landfahrzeug oder Luftfahrzeug, aufweisend eine Hybrid-Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder ein Steuergerät gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung. Bei dem Fahrzeug gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung werden die Vorteile des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorteilhaft genutzt.
  • Es soll verstanden werden, dass die Hybrid-Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, das Steuergerät gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und das Fahrzeug gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung gleiche und ähnliche Unteraspekte aufweisen, wie sie insbesondere in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt sind. Insofern wird für die Weiterbildung eines Aspekts der Erfindung auch auf die Weiterbildungen der anderen Aspekte der Erfindung verwiesen.
  • Insbesondere sind der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine über die Antriebswelle drehmomentübertragend verbunden. Die Antriebswelle kann insbesondere dem Verbrennungsmotor zugeordnet sein, vorteilhaft eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors aufweisen. Die elektrische Maschine kann über eine Kupplung und/oder ein Getriebe, vorteilhaft selektiv, mechanisch mit der Antriebswelle verbindbar ausgebildet sein. Die elektrische Maschine kann eine eigene Elektro-Antriebswelle aufweisen, die mit einem Rotor der elektrischen Maschine fest verbunden ist oder einen solchen Rotor bildet.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung, diese zeigt in:
    • 1A eine bevorzugte Ausführungsform einer Hybrid-Brennkraftmaschine gemäß dem Konzept der Erfindung, vorliegend für einen Hybrid-Antrieb, mit einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Maschine, mit einer ersten möglichen Laderanordnung,
    • 1B eine zweite mögliche Laderanordnung in Form einer zweistufigen Laderanordnung mit einer ersten Laderstufe und einer zweiten Laderstufe,
    • 1C eine dritte mögliche Laderanordnung als Registeraufladung in Form von zwei parallel zueinander angeordneten Laderstufen,
    • 2 ein Kennfeld für eine Brennkraftmaschine einer bevorzugten Ausführungsform einer Hybrid-Brennkraftmaschine, vorliegend in Form eines Hybrid-Antriebs, wie die in 1A, 1B gezeigte,
    • 3 eine vorteilhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern einer Hybrid-Brennkraftmaschine, vorliegend in Form eines Hybrid-Antriebs, gemäß dem Konzept der Erfindung.
  • 1A zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Hybrid-Brennkraftmaschine 1000 gemäß dem Konzept der Erfindung, vorliegend in Form eines Hybrid-Antriebs, mit einer Brennkraftmaschine 1200 und einer elektrischen Maschine 1400. Die Hybrid-Brennkraftmaschine 1000 ist insbesondere in einem Fahrzeug 3000, insbesondere einem Wasserfahrzeug 3010, einem Landfahrzeug 3020 oder einem Luftfahrzeug 3030 angeordnet und kann zum Antreiben des Fahrzeugs 3000 eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine 1200 weist einen Verbrennungsmotor 1210 auf mit einer Anzahl von zwölf Zylindern Z und eine Laderanordnung 1100. Die Laderanordnung 1100 ist vorliegend als Abgas-Turboladeranordnung 1102 ausgebildet mit einer Laderstufe 1110, wobei die Laderstufe 1110 einen Verdichter 1112 zum Verdichten von Ladeluft LL und eine Turbine 1114 zum Beaufschlagen mit einem Abgasstrom AG aufweist. Die Turbine 1114 und der Verdichter 1112 einer Laderstufe 1110 sind drehmomentübertragend verbunden, sodass vorteilhaft die Energie des Abgasstromes AG zum Verdichten der Ladeluft LL genutzt werden kann. Optional kann die Brennkraftmaschine 1200 einen Ladeluftkühler 1140 aufweisen zum Kühlen der Ladeluft LL. Die Hybrid-Brennkraftmaschine 1000 weist eine Antriebswelle 1020 auf zum Bereitstellen einer Gesamtabgabeleistung P_OUT. Die Brennkraftmaschine 1200 ist mit der Antriebswelle 1020 drehmomentübertragend verbindbar oder verbunden, zum Bereitstellen einer mechanischen Motorabgabeleistung P_ENG an die Antriebswelle 1020.
  • Die elektrische Maschine 1400 ist drehmomentübertragend mit der Brennkraftmaschine 1200 verbunden, vorliegend über eine gemeinsame Antriebswelle 1020. In einer solchen Konfiguration entspricht eine Motordrehzahl NM einer an der Antriebswelle 1020 bereitgestellten Abgabedrehzahl N. Gleichwohl kann die Hybrid-Brennkraftmaschine 1000 ein Getriebe 1300, eine Kupplung 1310 oder dergleichen Mittel zum Kuppeln und/oder Ändern einer Drehbewegung, bevorzugt zwischen der Brennkraftmaschine 1200 und der elektrischen Maschine 1400, aufweisen. In einem derartigen Fall weist die elektrische Maschine 1400 insbesondere eine eigene Elektro-Antriebswelle 1410 auf, die von der Antriebswelle 1210 separat ausgebildet ist, jedoch mit dieser über das Getriebe 1300 oder die Kupplung 1310 drehmomentübertragend kuppelbar ist.
  • Die elektrische Maschine 1400 ist mit einem elektrischen Verbraucher 1598 in Form eines Energiespeichers 1600 elektrisch über eine Energieleitung 1610 verbunden. Der Energiespeicher 1600 ist ausgebildet zum Aufnehmen und Speichern einer Energiereserve RE, das heißt einer elektrischen Energiemenge, die von dem Energiespeicher 1600 aufgenommen und bei Bedarf an die elektrische Maschine 1400 bereitgestellt werden kann. Eine Aufnahmekapazität KA beschreibt die momentane Fähigkeit des Energiespeichers 1600, elektrische Energie und/oder elektrische Leistung aufzunehmen. Vorliegend weist die Hybrid-Brennkraftmaschine 1000 zum Bestimmen der Aufnahmekapazität KA eine Aufnahmekapazitäts-Messvorrichtung auf. Wenn eine Gesamtkapazität KG des Energiespeichers 1600 erreicht ist, beträgt die Aufnahmekapazität KA gleich null, d.h. es kann keine weitere elektrische Energie aufgenommen werden. Durch die Annahmekapazität KA kann die elektrische Maschine 1400 eine mechanische Leistung in Form einer mechanischen Leistung als Teil der Gesamtabgabeleistung P_OUT, insbesondere in Form einer mechanischen Anhebungsleistung P_INCR, von der Antriebswelle 1020 aufnehmen. Vorzugsweise ist der Energiespeicher 1600 ein Akku 1602. In anderen Ausführungsformen kann der Energiespeicher 1600 anders ausgebildet sein, beispielsweise als Kondensator 1604, bevorzugt als ein Superkondensator in Form eines Supercaps oder eines Ultracaps. Optional kann das Fahrzeug 3000 einen elektrischen Verbraucher 1598 in Form eines elektrischen Bordnetzes 1640 mit einer weiteren Aufnahmekapazität KA` aufweisen. Das Bordnetz kann über eine weitere Energieleitung 1642 mit der elektrischen Maschine 1400 verbunden sein und ausgebildet sein zum teilweisen oder vollständigen Aufnehmen der elektrischen Generatorleistung P_GEN, insbesondere der Energiereserve RE.
  • Die Antriebswelle 1020 ist ausgebildet, mit einem hier nicht näher dargestellten Antriebsstrang, insbesondere des Fahrzeugs 3000, drehmomentübertragend verbunden zu werden.
  • Besonders vorteilhaft ist die elektrische Maschine 1400 ausgebildet, in einem ersten Motor-Modus MM als Motor zu funktionieren, der eine elektrische Leistung in eine mechanische Leistung umwandelt und in einem zweiten Generator-Modus MG als Generator zu funktionieren, der eine mechanische Leistung in eine elektrische Generatorleistung P_GEN umwandelt.
  • Insbesondere kann auf diese Weise in dem Generator-Modus MG während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1200 der Energiespeicher 1600 gefüllt, das heißt die Energiereserve RE vergrößert werden, um zu einem späteren Zeitpunkt die Energiereserve RE, beispielsweise in Form einer mechanischen Leistung, an der Antriebswelle 1020, bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energiereserve RE zum Bereitstellen von elektrischer Energie für andere Verbraucher, insbesondere auch elektrische oder elektronische Verbraucher in einem Fahrzeug 3000, genutzt werden. Bei einem Vergrößern der Energiereserve RE, d.h. bei einem Aufladen des Energiespeichers 1600, verringert sich die Aufnahmekapazität entsprechend.
  • Insbesondere kann die elektrische Maschine 1400 im Generator-Modus MG die aus einer Lastpunktanhebung INCR resultierende mechanische Anhebungsleistung P_INCR in eine elektrische Generatorleistung P_GEN umwandeln. Die mechanische Anhebungsleistung P_INCR kann auf diese Weise in elektrischer Form im Energiespeicher 1600 gespeichert werden.
  • 1B zeigt eine zweite mögliche Laderanordnung 1100 in Form einer zweistufigen Laderanordnung 1104 mit einer ersten Laderstufe 1110.1 und einer zweiten Laderstufe 1110.2. Die erste Laderstufe 1110.1 weist einen ersten Verdichter 1112.1 und eine erste Turbine 1114.1 auf. Die zweite Laderstufe 1110.2 weist einen zweiten Verdichter 1112.2 und eine zweite Turbine 1114.2 auf. Eine derartige mehrstufige Laderanordnung 1100 kann einen oder mehrere Bypassleitungen und -ventile oder dergleichen schaltbaren Bypassleitungen zum steuerbaren Leiten der Ladeluft LL oder des Abgasstromes AG aufweisen. Vorliegend weist die gezeigte zweistufige Ladeanordnung 1104 einen Abgas-Bypass 1122 zur Umgehung der ersten Turbine 1114.1 auf. Vorliegend weist die gezeigte zweistufige Ladeanordnung 1104 einen Ladeluft-Bypass 1124 zur Umgehung des ersten Verdichters 1112.1 auf.
  • Mittels des Abgas-Bypass 1122 und des Ladeluft-Bypass 1124 kann vorteilhaft eine Anordnung für eine Registeraufladung 1106 realisiert werden, bei der wahlweise nur die erste Laderstufe 1110.1 oder die erste Laderstufe 1110.1 zusammen mit der zweiten Laderstufe 1110.2 mit dem Abgasstrom AG beaufschlagt werden kann, insbesondere in Abhängigkeit der Menge des Abgasstroms AG. Gleichwohl sind auch Registeraufladungen 1106 möglich, in denen bei Laderstufen 1110.1, 1110.2, insbesondere beide Turbinen 1114.1, 1114.2, parallel angeordnet sind und über eine Umschaltklappe wahlweise alternativ mit dem Abgasstrom AG beaufschlagt werden können.
  • Optional kann eine mehrstufige, insbesondere zweistufige, Laderanordnung einen Zwischenkühler 1126 aufweisen zum Kühlen der, insbesondere zwischenverdichteten, Ladeluft LL. Gleichwohl sind im Rahmen der Erfindung andere, insbesondere mehrstufige, Laderanordnungen 1100 möglich.
  • Vorteilhaft kann eine Laderanordnung 1100 mit einer Registeraufladung 1106 auch mindestens eine Umschaltklappe 1128, 1128` aufweisen zum alternativen Umschalten zwischen einer ersten Laderstufe 1110.1 und einer parallel dazu angeordneten zweiten Laderstufe 1110.2, wie in 1C beispielhaft gezeigt.
  • 2 zeigt ein Kennfeld KF für eine Brennkraftmaschine 1200 einer Hybrid-Brennkraftmaschine 1000 wie die in 1A gezeigte. In dem Kennfeld KF ist die Motorabgabeleistung P_ENG in Abhängigkeit einer Motordrehzahl NM der Brennkraftmaschine 1200 gezeigt. Das Kennfeld KF ist für eine - wie in 1B oder 1C gezeigte - zweistufige Laderanordnung 1104, 1106 mit einer ersten Laderstufe 1110.1 und einer zweiten Laderstufe 1110.2 ausgebildet. Das Kennfeld KF ist insbesondere als Grundlage für ein elektronisches Steuergerät 1500 geeignet. Ein elektronisches Steuergerät 1500 ist insbesondere ausgebildet, auf Basis des Kennfeldes KF die Hybrid-Brennkraftmaschine 1000 und/oder die Brennkraftmaschine 1200 zu steuern, insbesondere einzelne Laderstufen 1110, 1110.1, 1110.2 hinzu- oder abzuschalten. Ein Hinzuschalten oder Abschalten kann insbesondere über ein entsprechendes Leiten des Abgasstroms und/oder des Ladeluftstroms erfolgen, insbesondere durch geeignete Stellmittel wie Ventile, Klappen oder Drosseln. Das Kennfeld KF ist vorteilhaft in elektronischer Form in dem Steuergerät 1500 hinterlegt.
  • In dem Kennfeld KF lässt sich ein Lastpunkt B der Brennkraftmaschine 1200 verorten, der die momentane Motordrehzahl NM und die momentane Motorabgabeleistung P_ENG charakterisiert. Ein Steuern der Brennkraftmaschine 1200 auf Basis des Kennfeldes KF erfolgt vorteilhaft derart, dass wenn der Lastpunkt B eine Schaltgrenze GS überschreitet, das heißt in Richtung steigender Motordrehzahl NM oder steigender Motorabgabeleistung P_ENG, eine Laderstufe 1110, 1110.1, 1110.2 hinzugeschaltet wird. Weiter erfolgt ein Steuern der Brennkraftmaschine 1200 auf Basis des Kennfeldes KF vorteilhaft derart, dass wenn der Lastpunkt B eine Schaltgrenze GS unterschreitet, das heißt in Richtung sinkender Motordrehzahl NM oder sinkender Motorabgabeleistung P_ENG, eine Laderstufe 1110, 1110.1, 1110.2 weg- bzw. abgeschaltet wird.
  • Das Zuschalten einer Laderstufe 1100 ist grundsätzlich vorteilhaft für die Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine 1200, insbesondere hinsichtlich einer hohen Motorabgabeleistung und/oder eines geringen Kraftstoffverbrauchs. Aufgrund der zweistufigen Laderanordnung 1100 mit einer ersten Laderstufe 1110.1 und einer zweiten Laderstufe 1110.2 weist das Kennfeld KF entsprechend eine erste Schaltgrenze GS1 für die erste Laderstufe 1110.1 und eine zweite Schaltgrenze GS2 für die zweite Laderstufe 1110.2 auf.
  • Beim Überschreiten einer Schaltgrenze GS - also z.B. eine erste Schaltgrenze GS1 für die erste Laderstufe 1110.1 und/oder eine zweite Schaltgrenze GS2 für die zweite Laderstufe 1110.2-- kann insbesondere davon ausgegangen werden, dass ein Abgasstrom AG hinsichtlich seines Drucks und/oder seiner Menge ausreicht, um das Hinzuschalten einer Laderstufe 1110, und insbesondere einen damit verbundenen erhöhten Abgasgegendruck, zu bewerkstelligen. Eine Schaltgrenze GS kann vorteilhaft als Hysteresezone ZH mit einer oberen Hysteresegrenze OHG und einer unteren Hysteresegrenze UHG ausgebildet sein.
  • Eine Hysteresezone ZH verhindert vorteilhaft, dass bei einem wechselnden Über- und Unterschreiten einer Schaltgrenze GS durch den Lastpunkt B, insbesondere innerhalb kurzer Zeit, ein ebenso wechselndes Hinzu- und Abschalten einer Laderstufe erfolgt, was hinsichtlich einer effizienten und materialschonenden Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1200 nachteilig wäre. Dazu ist eine Schaltgrenze GS als Hysteresezone ZH ausgebildet. Eine Hysteresezone ZH funktioniert nun derart, dass bei einem Überschreiten der oberen Hysteresegrenze OHG durch den Lastpunkt B ein Hinzuschalten der Laderstufe 1100 erfolgt, erst jedoch bei einem Unterschreiten der unteren Hysteresegrenze UHG ein Abschalten der Laderstufe 1100.
  • Vorliegend ist die erste Schaltgrenze GS1 als erste Hysteresezone ZH1 mit einer ersten oberen Hysteresegrenze OHG1 und einer ersten unteren Hysteresegrenze UHG1 ausgebildet. Vorliegend ist die zweite Schaltgrenze GS2 als zweite Hysteresezone ZH2 mit einer zweiten oberen Hysteresegrenze OHG2 und einer zweiten unteren Hysteresegrenze OHG2 ausgebildet.
  • Bei einer reinen Brennkraftmaschine 1200 - das heißt ohne hybride Anordnung mit einer elektrischen Maschine 1400 - würde eine Erhöhung des Lastpunktes B entlang einer Lastanhebungskurve LAC, wie hier strichpunktiert dargestellt, erfolgen. Die Lastanhebungskurve LAC beschreibt insbesondere, dass eine Erhöhung des Lastpunkts B mit einer Erhöhung der Motodrehzahl N bzw. Abgabedrehzahl einhergeht.
  • Mit einer Hybrid-Brennkraftmaschine 1000, vorliegend in Form eines Hybrid-Antriebs, gemäß dem Konzept der Erfindung hingegen ist es vorteilhaft möglich, eine Lastpunktanhebung INCR in Bezug auf einen Lastpunkt B der Brennkraftmaschine 1200 durchzuführen, das heißt den Lastpunkt B durch das Annehmen einer mechanischen Anhebungsleistung P_INCR durch die elektrische Maschine 1400 auf einen angehobenen Lastpunkt B_INCR in Bezug auf einen Lastpunkt B der Brennkraftmaschine 1200 anzuheben. Eine Lastpunktanhebung INCR kann vorteilhaft unter Steuerung oder Regelung der Abgabedrehzahl N, insbesondere einer konstanten Drehzahl N_KONST, der Antriebswelle 1020 erfolgen.
  • Dadurch, dass ein Teil der Gesamtabgabeleistung P_OUT, insbesondere die im Rahmen der Lastpunktanhebung INCR erzeugte Mehrleistung in Form der mechanischen Anhebungsleistung P_INCR, von der elektrischen Maschine 1400 in eine Generatorleistung P_GEN umgewandelt wird, kann die Abgabedrehzahl zur Lastpunktanhebung vorteilhaft beeinflusst, vorteilhaft geregelt, besonders vorteilhaft auf einen konstanten Wert geregelt werden.
  • Der Lastpunkt B ist somit gemäß gängigem Verständnis als ein Lastpunkt der Brennkraftmaschine 1200 im ursprünglichen Sinne zu verstehen. In dem hier dargestellten Kennfeld KF ist somit - durch die eingezeichnete Lastpunktanhebung INCR - ebenfalls die Gesamtabgabeleistung P_OUT dargestellt, die sich aus der Summe aus der Motorabgabeleistung P_ENG und der elektrischen Generatorleistung P_GEN ergibt.
  • Die Motorabgabeleistung P_ENG und die elektrische Generatorleistung P_GEN der elektrischen Maschine 1400 addieren bzw. subtrahieren sich entsprechend über die Antriebswelle 1020.
  • Durch das Annehmen der mechanischen Anhebungsleistung P_INCR in Form der elektrischen Generatorleistung P_GEN durch die elektrische Maschine 1400 wird vorteilhaft erreicht, dass beim Hinzuschalten einer Laderstufe 1110 keine unkontrollierte Erhöhung der Abgabedrehzahl N erfolgt, sondern insbesondere eine konstante Drehzahl N_KONST vorteilhaft geregelt bzw. gehalten werden kann. Der durch das Hinzuschalten einer Laderstufe 1110 kurzfristig benötigte Leistungsbedarf wird somit dabei durch die mechanische Anhebungsleistung P_INCR bereitgestellt. Ein unkontrolliertes Erhöhen der Abgabedrehzahl N beim Aufbringen der mechanischen Anhebungsleistung P_INCR kann somit vorteilhaft aufgrund der synergetischen Anordnung von Brennkraftmaschine 1200 und elektrischer Maschine 1400 vermieden werden.
  • Die Lastpunktanhebung INCR in Bezug auf einen Lastpunkt B der Brennkraftmaschine, die insbesondere vor dem Hinzuschalten der Laderstufe durchgeführt wird, antizipiert in vorteilhafter Weise den durch die Hinzuschaltung der Laderstufe kurzfristig benötigten Energie- bzw. Leistungsbedarf der Brennkraftmaschine. Durch die Lastpunktanhebung INCR wird insbesondere die Gesamtabgabeleistung P_OUT durch den Verbrennungsmotor 1210 erhöht, wodurch der Abgasdruck ansteigt zum verbesserten Beaufschlagen der Laderstufe.
  • In 2 ist beispielhaft eine benötigte mechanische Anhebungsleistung PS_INCR eingezeichnet, welche durch die Strecke vom Lastpunkt B zur oberen Hysteresegrenze OHG, insbesondere entlang einer konstanten Drehzahl N_KONST, charakterisiert ist. Die benötigte mechanische Anhebungleistung PS_INCR kann insbesondere bei der Prüfung zugrundegelegt werden, ob die im Energiespeicher 1600 vorhandene Aufnahmekapazität KA ausreicht, um die bei der Lastpunktanhebung INCR entstehende mechanische Anhebungsleistung P_INCR vollständig aufzunehmen, das heißt insbesondere in elektrisch umgewandelten Form im Energiespeicher 1600 aufzunehmen.
  • 3 zeigt beispielhaft eine vorteilhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine 1000, vorliegend in Form eines Hybrid-Antriebs, insbesondere hier konkret zum Steuern des Hybrid-Antriebs zum bzw. beim Betrieb desselben. Dabei ist das Steuergerät ausgebildet, zum Hinzuschalten der Laderstufe beim Betrieb des Hybrid-Antriebs besondere Maßnahmen zu steuernd vorzugeben, die im Folgenden erläutert werden.
  • In einem ersten Schritt S1 erfolgt das Ermitteln einer verfügbaren Aufnahmekapazität KA. Insbesondere wird überprüft, ob eine im Energiespeicher 1600 vorhandene Aufnahmekapazität KA ausreicht, um in energetisch vorteilhafter Form eine Lastpunktanhebung INCR in Bezug auf einen Lastpunkt B der Brennkraftmaschine 1200 durchzuführen. Vorteilhaft kann in diesem Schritt überprüft werden, ob die Aufnahmekapazität KA größer ist als eine - mittels des Kennfelds KF und des momentanen Lastpunkts B ermittelten - benötigten mechanischen Anhebungsleistung PS_INCR. In diesem Fall kann vorteilhaft die gesamte durch die mechanische Anhebungsleistung P_INCR bereitgestellte Energie, die ansonsten ungenutzt bliebe bzw. sich als unbenötigte Drehzahlerhöhung äußern würde, in elektrischer Form im Energiespeicher aufgenommen werden zur späteren Nutzung. Sollte diese Prüfung ein positives Ergebnis haben, das heißt eine für die Lastpunktanhebung INCR ausreichende Aufnahmekapazität KA ergeben, wird das Verfahren, insbesondere in einer ersten Verzweigung V1, zu einem zweiten Schritt S2 geleitet.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Schritt auch gestartet werden, wenn eine Prüfung eine Aufnahmekapazität KA ergibt, die geringer ist als die von der mechanischen Anhebungsleistung P_INCR über den Zeitraum der Lastpunktanhebung INCR bereitgestellten Energiemenge, was in 3 gestrichelt durch einen optionalen Bypass BP im Flussdiagramm angedeutet ist. In diesem Falle kann die elektrische Maschine 1400 insbesondere so gesteuert werden, dass der - unter Berücksichtigung der verfügbaren Aufnahmekapazität KA - maximal zulässige Anteil der mechanischen Anhebungsleistung P_INCR in elektrische Energie durch Bereitstellung der elektrischen Generatorleistung P_ENG umgewandelt wird, und der nicht mehr vom Energiespeicher 1600 aufnehmbare restliche Anteil der mechanischen Anhebungsleistung P_INCR als mechanische Leistung verbleibend auf der Antriebswelle 1020 bereitgestellt wird. Dieser restliche Anteil führt dann insbesondere zu einer Drehzahlerhöhung, die jedoch vorteilhaft geringer ist als in einem Fall, in dem keine Umwandlung in eine elektrische Generatorleistung P_ENG erfolgt wäre.
  • In dem zweiten Schritt S2 erfolgt das Durchführen der Lastpunktanhebung INCR in Bezug auf einen Lastpunkt B der Brennkraftmaschine, durch ein Bereitstellen der mechanischen Anhebungsleistung P_INCR durch den Verbrennungsmotor 1020, und unter einem, insbesondere vollständigen, Annehmen der mechanischen Anhebungsleistung P_INCR von der Antriebswelle 1020 durch elektrische Maschine 1400. Auch ein teilweises Annehmen der der mechanischen Anhebungsleistung P_INCR durch die elektrische Maschine ist möglich, wie oben beschrieben.
  • In einem anschließenden dritten Schritt S3 erfolgt dann das Hinzuschalten der Laderstufe 1110. Vorteilhaft wird die Lastpunktanhebung INCR während des Hinzuschaltens der Laderstufe 1110 beibehalten, und optional auch noch darüber hinaus für einen definierten Zeitraum nach dem erfolgten Hinzuschalten der Laderstufe 1110.
  • Im Anschluss daran folgt in einem vierten Schritt S4 ein Zurücknehmen der Lastpunktanhebung INCR. Bei dem Zurücknehmen der Lastpunktanhebung INCR kann die mechanische Anhebungsleistung P_INCR, vorteilhaft schrittweise, zurückgenommen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1000
    Hybrid-Brennkraftmaschine
    1020
    Antriebswelle
    1100
    Laderanordnung
    1102
    Abgas-Turboladeranordnung
    1104
    Laderanordnung
    1106
    Registerauflaudung
    1110
    Laderstufe
    1110.1, 1110.2
    erste, zweite Laderstufe
    1112
    Verdichter
    1112.1, 1112.2
    erster, zweiter Verdichter
    1114
    Turbine
    1114.1, 1114.2
    erste, zweite Turbine
    1122
    Abgas-Bypass
    1124
    Ladeluft-Bypass
    1126
    Zwischenkühler
    1128
    Umschaltklappe
    1140
    Ladeluftkühler
    1200
    Brennkraftmaschine
    1210
    Verbrennungsmotor
    1300
    Getriebe
    1310
    Kupplung
    1400
    elektrische Maschine
    1410
    Elektro-Antriebswelle
    1500
    Steuergerät
    1598
    elektrischer Verbraucher
    1600
    Energiespeicher
    1602
    Akku
    1604
    Kondensator
    1608
    Aufnahmekapazitäts-Messvorrichtung
    1610
    Energieleitung
    1640
    elektrisches Bordnetz
    3000
    Fahrzeug
    3010
    Wasserfahrzeug
    3020
    Landfahrzeug
    3030
    Luftfahrzeug
    AG
    Abgasstrom
    B
    Lastpunkt
    B_INCR
    angehobener Lastpunkt
    BP
    Bypass
    GS
    Schaltgrenze
    GS1, GS2
    erste, zweite Schaltgrenze
    INCR
    Lastpunktanhebung
    KF
    Kennfeld
    LAC
    Lastanhebungskurve
    LL
    Ladeluft
    MG
    Generator-Modus der elektrischen Maschine
    MM
    Motor-Modus der elektrischen Maschine
    N
    Abgabedrehzahl
    NM
    Motordrehzahl
    OHG
    obere Hysteresegrenze
    OHG1, OHG2
    erste, zweite obere Hysteresegrenze
    P_ENG
    Motorabgabeleistung
    P_GEN
    elektrische Generatorleistung
    P_INCR
    mechanische Anhebungsleistung
    PS_INCR
    benötigte mechanische Anhebungsleistung
    P_OUT
    Gesamtabgabeleistung
    RS
    Energiereserve
    S 1-4
    Erster bis vierter Schritt
    UHG
    untere Hysteresegrenze
    UHG1, UHG2
    erste, zweite untere Hysteresegrenze
    Z
    Zylinder
    ZH
    Hysteresezone
    ZH1, ZH2
    erste, zweite Hysteresezone

Claims (14)

  1. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000), mit - einer Brennkraftmaschine (1200) aufweisend einen Verbrennungsmotor (1210) und eine Laderanordnung (1100), und mit einer elektrischen Maschine (1400), wobei - der Verbrennungsmotor (1210) und die elektrische Maschine (1400) drehmomentübertragend verbunden sind, und - einem Steuergerät (1500), ausgebildet zum Steuern der Brennkraftmaschine (1200) und der elektrischen Maschine (1400), - die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) ausgebildet ist zum Bereitstellen einer mechanischen Gesamtabgabeleistung (P_OUT) mit einer Abgabedrehzahl (N) über eine Antriebswelle (1020), und - die Laderanordnung (1100) mindestens eine Laderstufe (1110) aufweist, die selektiv zwecks Verdichtung von Ladeluft (LL) für den Verbrennungsmotor (1210) hinzugeschaltet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass - die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000), insbesondere das Steuergerät (1100), ausgebildet ist, bei einem Hinzuschalten der Laderstufe (1110) der Laderanordnung (1100) eine Lastpunktanhebung (INCR) in Bezug auf einen Lastpunkt (B) der Brennkraftmaschine (1200) durchzuführen, - wobei die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) ausgebildet ist, eine durch die Lastpunktanhebung (INCR) bereitgestellte mechanische Anhebungsleistung (P_INCR) durch die elektrische Maschine (1400) teilweise oder vollständig anzunehmen.
  2. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Abgabedrehzahl (N) in geregelter Weise, insbesondere konstant, einstellbar ist.
  3. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Lastpunktanhebung (INCR) zum Hinzuschalten der Laderstufe (1110), bevorzugt vor dem Hinzuschalten und/oder während des Hinzuschaltens der Laderstufe (1110), erfolgt.
  4. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Durchführen der Lastpunktanhebung (INCR) in Bezug auf einen Lastpunkt (B) der Brennkraftmaschine erfolgt, wenn eine ausreichende Aufnahmekapazität (KA) eines elektrischen Verbrauchers (1598) vorhanden ist.
  5. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: - die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) ausgebildet ist, eine Abgabedrehzahl (N) insbesondere eine konstante Abgabedrehzahl (N) zu regeln, insbesondere durch Anpassen der elektrischen Generatorleistung (P_GEN) an eine sich ändernde Motorabgabeleistung (P_ENG) des Verbrennungsmotors (1200).
  6. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Laderanordnung (1100) als eine Abgas-Turboladeranordnung (1102) ausgebildet ist, und die mindestens eine Laderstufe (1110) einen Verdichter (1112) und - eine drehmomentübertragend mit dem Verdichter verbundenen Turbine (1114) aufweist, wobei - die Turbine (1114) ausgebildet ist, beim Hinzuschalten der Laderstufe (1110) zum Antreiben des Verdichters (1112) mit einem Abgasstrom (AG) des Verbrennungsmotors (1200) in Kontakt gebracht zu werden.
  7. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laderanordnung (1100) mindestens eine erste Laderstufe (1110.1) und eine zweite Laderstufe (1110.2) aufweist.
  8. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Hinzuschalten der mindestens einen Laderstufe (1110, 1110.1, 1110.2) in Abhängigkeit eines Lastpunkts (B) erfolgt, wobei der Lastpunkt (B) insbesondere durch eine Motordrehzahl (N) und/oder eine Motorabgabeleistung (P_ENG) festgelegt wird, wobei insbesondere - das Hinzuschalten der mindestens einen Laderstufe (1110, 1110.1, 1110.2) erfolgt, wenn der der Lastpunkt (B) eine Schaltgrenze (GS, GS1, GS2) überschreitet.
  9. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens eine Schaltgrenze (GS, GS1, GS2) als eine Hysteresezone (ZH, ZH1, ZH2) ausgebildet ist mit einer unteren Hysteresegrenze (UHG, UHG1, UHG2) und einer oberen Hysteresegrenze (OHG, OHG1, OHG2), dass das Hinzuschalten der mindestens einen Laderstufe (1110, 1110.1, 1110.2) erfolgt, wenn der Lastpunkt (B), insbesondere die steigende Motordrehzahl (N) und/oder die steigende Motorabgabeleistung (P_ENG), die obere Hysteresegrenze (OHG, OHG1, OHG2) überschreitet.
  10. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) in Abhängigkeit eines Kennfelds (KF) steuerbar ist, wobei das Kennfeld (KF) mindestens eine Schaltgrenze (GS) und/oder mindestens eine Hysteresezone (ZH, ZH1, ZH2) aufweist.
  11. Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) ausgebildet ist zum Ermitteln einer benötigten mechanischen Anhebungsleistung (PS_INCR), die aufgebracht werden muss, damit der Lastpunkt (B) die Schaltgrenze (GS, GS1, GS2) überschreitet.
  12. Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine (1000), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit - einer Brennkraftmaschine (1200) aufweisend einen Verbrennungsmotor (1210) und eine Laderanordnung (1100), und mit einer elektrischen Maschine (1400), wobei - der Verbrennungsmotor (1210) und die elektrische Maschine (1400) drehmomentübertragend verbunden sind, und - einem Steuergerät (1500), ausgebildet zum Steuern der Brennkraftmaschine (1200) und der elektrischen Maschine (1400), - die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) ausgebildet ist zum Bereitstellen einer mechanischen Gesamtabgabeleistung (P_OUT) mit einer Abgabedrehzahl (N) über eine Antriebswelle (1020), und - die Laderanordnung (1100) mindestens eine Laderstufe (1110) aufweist, die selektiv zwecks Verdichtung von Ladeluft (LL) für den Verbrennungsmotor (1210) hinzugeschaltet werden kann, wobei das Verfahren zum Betreiben der Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) den Schritt aufweist: - Hinzuschalten der Laderstufe (1110) der Laderanordnung (1100), und zum Hinzuschalten der Laderstufe (1110) das Verfahren gekennzeichnet ist durch den Schritt: - Durchführen einer Lastpunktanhebung (INCR) in Bezug auf einen Lastpunkt (B) der Brennkraftmaschine (1200), - wobei eine durch die Lastpunktanhebung (INCR) bereitgestellte mechanische Anhebungsleistung (P_INCR) teilweise oder vollständig durch die elektrische Maschine (1400) angenommen wird.
  13. Steuergerät (1500) für eine Hybrid-Brennkraftmaschine (1000), wobei die Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) einen Verbrennungsmotor (1200), eine elektrische Maschine (1400) und eine Laderanordnung (1100) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (2000) ausgebildet ist zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 12.
  14. Fahrzeug (3000), insbesondere Wasserfahrzeug (3010), Landfahrzeug (3020) oder Luftfahrzeug (3030), aufweisend eine Hybrid-Brennkraftmaschine (1000) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder ein Steuergerät gemäß dem Anspruch 13.
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DE102015007907A1 (de) 2015-06-20 2016-12-22 Man Truck & Bus Ag Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs
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