DE102022113804A1

DE102022113804A1 - Arbeitsfahrzeugantriebssystem mit entkoppelten motorluftsystemkomponenten

Info

Publication number: DE102022113804A1
Application number: DE102022113804.6A
Authority: DE
Inventors: Danan Dou; Eric J Haaland
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2022-12-29
Also published as: US20220412053A1; US11572673B2

Abstract

Ein Antriebssystem umfasst einen Motor; ein Abgasrückführungs(AGR)-System, das einen ersten Teil des Motorabgases von dem Auslasskrümmer in den Einlasskrümmer leitet; einen Turbinengenerator, der mit dem Auslasskrümmer in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, von einem zweiten Teil des Motorabgases von dem Auslasskrümmer zur Erzeugung elektrischer Leistung angetrieben zu werden; ein Leistungsnetz, das mindestens eine Batterie zur Speicherung der elektrischen Leistung, die von dem Turbinengenerator erzeugt wird, umfasst; und einen elektrischen Verdichter, der mit dem Einlasskrümmer in Strömungsverbindung steht und dazu konfiguriert ist, von der elektrischen Leistung von der mindestens einen Batterie des Leistungsnetzes mit Leistung versorgt zu werden und mindestens einen Teil der Einlassluft für den Motor zu verdichten.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Arbeitsfahrzeuge und insbesondere auf Antriebsysteme und ein Verfahren, die mit dem Motor des Arbeitsfahrzeugs in Zusammenhang stehen.
Schwere Arbeitsfahrzeuge, die z. B. in der Bau-, Landwirtschafts- und Forstindustrie eingesetzt werden, umfassen in der Regel ein Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor. Bei vielen Arbeitsfahrzeugen umfasst das Antriebssystem einen Dieselmotor, der für zugehörige Arbeitsvorgänge stärker ausgeprägte Eigenschaften in Bezug auf untertourigen Motorbetrieb, Pull-down und Drehmoment aufweisen kann. Gewöhnlich umfassen Verbrennungsmotorsysteme an vielen Arbeitsfahrzeugen einen oder mehrere Turbolader, die den Motoreinlassluftstrom zur Verbesserung der Leistung verstärken. Jeder Turbolader umfasst eine Turbine und einen Verdichter, wobei die Turbine von Abgas aus dem Motor angetrieben wird und der Verdichter wiederum von der Turbine dahingehend angetrieben wird, Luft, die dem Motor zur Verbrennung zugeführt wird, zu verdichten. Die Turbine und der Verdichter sind durch eine Welle dahingehend verbunden, in Übereinstimmung miteinander zu arbeiten.
Die Offenbarung stellt ein Antriebssystem eines Arbeitsfahrzeugs mit entkoppelten Motorluftsystemkomponenten bereit.
Bei einem Aspekt stellt die Offenbarung ein Antriebssystem für ein Arbeitsfahrzeug bereit. Das Antriebssystem umfasst einen Motor, der eine oder mehrere Kolben-Zylinder-Anordnungen, einen Einlasskrümmer, der zum Empfangen und Leiten von Einlassluft in die eine oder die mehreren Kolben-Zylinder-Anordnungen zur dahingehenden Verbrennung, Abgas zu erzeugen, konfiguriert ist, und einen Auslasskrümmer, der zum Empfangen des Motorabgases von der einen oder den mehreren Kolben-Zylinder-Anordnungen konfiguriert ist, enthält; ein Abgasrückführungs(AGR)-System, das einen AGR-Mischer umfasst und zum Empfangen eines ersten Teils des Motorabgases von dem Auslasskrümmer gekoppelt ist, wobei der AGR-Mischer zum Vermischen des ersten Teils des Motorabgases mit Frischluft als Einlassluft konfiguriert ist und ferner zum Leiten der Einlassluft in den Einlasskrümmer des Motors gekoppelt ist; einen Turbinengenerator, der mit dem Auslasskrümmer in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, von einem zweiten Teil des Motorabgases von dem Auslasskrümmer zur Erzeugung elektrischer Leistung angetrieben zu werden; ein Leistungsnetz, das mindestens eine Batterie zur Speicherung der elektrischen Leistung, die von dem Turbinengenerator erzeugt wird, umfasst; und einen elektrischen Verdichter, der mit dem Einlasskrümmer in Strömungsverbindung steht und dazu konfiguriert ist, von der elektrischen Leistung von der mindestens einen Batterie des Leistungsnetzes mit Leistung versorgt zu werden und mindestens einen Teil der Einlassluft für den Motor zu verdichten.
Bei einem weiteren Aspekt stellt die Offenbarung ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems eines Arbeitsfahrzeugs bereit. Das Verfahren umfasst Betreiben eines Motors zur Erzeugung von Abgas; Einrichten eines Turbinengenerators, dass er von dem Abgas zur Erzeugung elektrischer Leistung angetrieben wird; Speichern der elektrischen Leistung in mindestens einer Batterie eines Leistungsnetzes; und Versorgen eines elektrischen Verdichters mit der elektrischen Leistung von der mindestens einen Batterie des Leistungsnetzes zur Verdichtung mindestens eines Teils der Einlassluft für den Motor.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen werden in den beiliegenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung angeführt. Weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen hervor.

1 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines beispielhaften Arbeitsfahrzeugs in Form eines Traktors, bei dem ein Antriebssystem gemäß dieser Offenbarung verwendet werden kann;
2A ist ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines Antriebssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
2B ist ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines Antriebssystems gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.

Übereinstimmende Bezugszeichen geben in den verschiedenen Zeichnungen übereinstimmende Elemente an.
Das Folgende beschreibt eine oder mehrere beispielhafte Ausführungsformen des offenbarten Antriebssystems und Verfahrens gemäß der Darstellung in den beiliegenden Figuren der Zeichnungen, die oben kurz beschrieben wurden. Für den Fachmann können verschiedene Modifikationen an den beispielhaften Ausführungsformen in Betracht gezogen werden.
Arbeitsfahrzeuge können Antriebssysteme mit Dieselmotoren zur Erzeugung von Drehmoment über einen großen Anwendungsbereich hinweg umfassen, wie z. B. Fernverkehrs-LKW, Traktoren, Landwirtschafts- oder Baufahrzeuge, Tagebaugeräte, Nicht-Elektro-Lokomotiven, stationäre Stromerzeugungsaggregate und dergleichen. Bei einigen Fahrzeugen können Antriebssysteme einen oder mehrere Turbolader und/oder andere Motorluftsystemkomponenten umfassen, um zu versuchen, den Wirkungsgrad und die Leistung des Motors zu erhöhen. Insbesondere stellt ein typischer Turbolader erhöhten Motoreinlassdruck durch die Arbeit eines Verdichters bereit, der durch eine Drehwelle mit einer Leistungsturbine verbunden ist, die wiederum durch Abgas von dem Motor angetrieben wird. Einige moderne Dieselmotoren können auch ein Abgasrückführungs(AGR)-System zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und Reduzierung von Motorrohemissionen durch Rückführen eines Teils des Abgases zurück in den Motor umfassen. Beispielsweise kann die AGR-Anordnung dahingehend funktionieren, Stickoxid(NOx)-Emissionen durch Absenken der Sauerstoffkonzentration in der Brennkammer sowie durch Wärmeabsorption zu reduzieren. Der restliche Teil des Abgases kann durch ein Abgasnachbehandlungssystem zur Entfernung von Partikeln, NOx und anderen Schadstoffen strömen.
Herkömmliche Antriebssysteme können jedoch einige Nachteile aufweisen, insbesondere aufgrund der Beziehung zwischen der mit dem Abgaspfad gekoppelten Turbine und dem Verdichter, der die Einlassluft zuführt. Bei herkömmlichen Systemen sind der Verdichter und die Turbine durch eine mechanische Welle integriert vorgesehen; und somit wird die Drehzahl des Verdichters durch die Drehzahl der Turbine vorgegeben, wodurch die Steuerungsaspekte, der Wirkungsgrad und die Dimensionierung verkompliziert werden. Beispielsweise kann es zu verschiedenen Zeitpunkten, darunter Betriebsbedingungen von hoher Drehzahl und hoher Last, die erfordern, dass Abgas zum Teil umgeleitet wird, um ein Überdrehen des Turboladers zu vermeiden; Betriebsbedingungen von niedriger Drehzahl und niedriger Leistung, wenn die zur Verfügung stehende Abgasenergie nicht ausreicht, um den Verdichter anzutreiben und genügend Verstärkung der Einlassluft bereitzustellen, was zu niedrigeren Drehmomentgrenzen bei niedriger Drehzahl führt; und/oder eine Bedingung plötzlich ansteigender Last, wobei die Turbine eine gewisse Zeit braucht, um hochzudrehen, (Turboloch), Abweichungen der Soll-Aufladung und -Turbinenleistung geben. Darüber hinaus ist in der Regel eine Anordnung aus einem Verdichter und einer Turbine, die physisch gekoppelt sind, an dem Auslasskrümmer positioniert, wodurch erzwungen wird, dass sich der Verdichter in der Nähe des Auslasskrümmers befindet, wodurch zusätzliche Rohre zum Leiten der Einlassluft von dem Verdichter zurück zu dem Lufteinlasskrümmer erforderlich werden.
Im Allgemeinen hängt die Fähigkeit zur Steuerung des AGR-Stroms von der Druckdifferenz zwischen dem Auslasskrümmer und dem Einlasskrümmer ab, wodurch das Luft/Kraftstoff(L/K)-Verhältnis sowie AGR-rate-Steueralgorithmen, insbesondere während instationärer Betriebsvorgänge, verkompliziert werden. In einem Szenario, wenn der Auslasskrümmerdruck höher als der Einlasskrümmer ist, kann der Motor mehr Pumpverluste erleiden, wodurch der Kraftstoffverbrauch erhöht wird. Anders ausgedrückt, wenn ein effizienterer Turbolader gewählt wird, um die Motorpumpverluste zu reduzieren, wird es schwierig, AGR zu betreiben, um AGR zu verwenden, Motor-Nox-Rohemissionen zu reduzieren, und den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt zur Verbesserung des Motorkraftstoffverbrauchs nach früh zu verlagern. Zusätzliche Nachteile einer Kombination mit einem effizienteren Turbo umfassen reduzierte Aufladung und Drehmomentabgabe bei niedriger Drehzahl und stockende Drehmomentantwort.
Gemäß hier erörterten Beispielen umfasst das Antriebssystem Motorluftsystemkomponenten (oder Turboladerkomponenten), wobei die Turbine und der Verdichter mechanisch getrennt (oder entkoppelt) sind und stattdessen einen oder mehrere einzelne Turbinengeneratoren und elektrische Verdichter umfassen. Die verschiedenen Antriebssystemkomponenten sind durch ein elektrisches Leistungsnetz miteinander gekoppelt, das Wechsel zwischen mechanischer und elektrischer Leistung gestattet und die Turbinengeneratoren, die elektrische Leistung erzeugen, und elektrische Verdichter, die durch die elektrische Leistung angetrieben werden, umfasst. Solche Anordnungen können ferner eine elektrische AGR-Pumpe zur Bereitstellung von Luftstrom bei Bedarf umfassen, wodurch Pumpverluste und Motordruckabfälle vermieden, und mehr Flexibilität und spezifische Steuerung ermöglicht werden. Die Anordnungen aus Turbinengenerator und elektrischem Verdichter, die entkoppelt sind, ermöglichen zusätzliche Flexibilität bei Luftsystemen, genauere und besser ansprechende Luft/Kraftstoff-Verhältnisse und verbesserte Abgastemperatursteuerung zur Reduzierung von Emissionen, unabhängig von Dimensionierung und Steuerung.
Das Folgende beschreibt eine oder mehrere beispielhafte Implementierungen der offenbarten Systeme und Verfahren zur Verbesserung des Antriebssystems mit entkoppelten Turbolader-, AGR- und/oder anderen Motorluftsystemkomponenten im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.
Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 1 können die offenbarten Antriebssysteme und Verfahren bei einigen Ausführungsformen mit einem Arbeitsfahrzeug 100, das hier als ein Traktor ausgeführt ist, verwendet werden. In weiteren Beispielen können das offenbarte System und Verfahren in anderen Fahrzeug- oder Maschinenarten implementiert sein, darunter stationäre Antriebssysteme und Fahrzeuge in der Landwirtschafts-, Forst- und/oder Bauindustrie.
Wie gezeigt wird, kann angenommen werden, dass das Arbeitsfahrzeug 100 einen Hauptrahmen oder ein Chassis 102, eine Fahranordnung 104, eine Bedienerplattform oder -kabine 106, ein Antriebssystem 108 und eine Steuerung 110 umfasst. Wie es typisch ist, umfasst das Antriebssystem 108 einen Verbrennungsmotor, der zum Vortrieb des Arbeitsfahrzeugs 100, wie es von der Steuerung 110 gesteuert und angesteuert und von der an dem Chassis 102 befestigten Fahranordnung 104 basierend auf Befehlen von einem Bediener in der Kabine 106 implementiert wird, verwendet wird. Wie nachstehend beschrieben wird, kann das Antriebssystem 108 Systeme und Komponenten zur Ermöglichung verschiedener Aspekte des Betriebs umfassen. Beispielsweise und zusätzlich zu dem Motor kann das Antriebssystem 108 eine Einlasseinrichtung zum Leiten von Luft in den Motor, eine oder mehrere Motorluftsystemanordnungen zur Verbesserung des Wirkungsgrads und/oder der Leistung, ein Abgasrückführungs(AGR)-System, das einen Teil des Motorabgases zurück in den Motor umleitet, und ein Abgasbehandlungssystem, das dahingehend funktioniert, Schadstoffe vor dem Ausstoßen des Motorabgases in die Atmosphäre zu reduzieren, umfassen. Wie nachstehend auch beschrieben wird, können solche Antriebssystemkomponenten dahingehend angeordnet und konstruiert sein, selektiv und einzeln elektrische Leistung zu erzeugen oder zu verwenden, um verschiedene Funktionen als ein integriertes System durchzuführen, darunter Verbesserungen der Leistung, des Wirkungsgrads und der Leistungsfähigkeit.
Wie angemerkt wird, umfasst das Arbeitsfahrzeug 100 die Steuerung 110 (oder mehrere Steuerungen) zur Steuerung eines oder mehrerer Aspekte des Betriebs, und bei einigen Ausführungsformen zur Ermöglichung der Implementierung des Antriebssystems 108, z. B. des Betriebs der verschiedenen Komponenten und Steuerelemente. Es kann angenommen werden, dass die Steuerung 110 eine Fahrzeugsteuerung und/oder eine Antriebssystemsteuerung oder -teilsteuerung ist. In einem Beispiel kann die Steuerung 110 mit Verarbeitungsarchitektur, wie z. B. einem Prozessor und einem Speicher, implementiert sein. Beispielsweise kann der Prozessor die hier beschriebenen Funktionen basierend auf Programmen, Anweisungen und Daten, die in dem Speicher gespeichert sind, implementieren.
Somit kann die Steuerung 110 als eine oder mehrere Rechenvorrichtungen mit zugehörigen Prozessorvorrichtungen und Speicherarchitekturen, als eine oder mehrere festverdrahtete Rechenschaltungen, als eine programmierbare Schaltung, als eine hydraulische, elektrische oder elektrohydraulische Steuerung oder anderweitig konfiguriert sein. Die Steuerung 110 kann dazu konfiguriert sein, verschiedene Rechen- und Steuerfunktionen in Bezug auf das Arbeitsfahrzeug 100 (oder andere Maschinen) auszuführen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 110 dazu konfiguriert sein, Eingangssignale in verschiedenen Formaten (z. B. als hydraulische Signale, Spannungssignale, Stromsignale usw.) zu empfangen und Befehlssignale in verschiedenen Formaten (z. B. als hydraulische Signale, Spannungssignale, Stromsignale, mechanische Bewegungen usw.) auszugeben. Die Steuerung 110 kann mit verschiedenen anderen Systemen und Vorrichtungen des Arbeitsfahrzeugs 100 (oder anderer Maschinen) in elektronischer, hydraulischer, mechanischer oder anderer Verbindung stehen. Zum Beispiel kann die Steuerung 110 mit verschiedenen Aktuatoren, Sensoren und anderen Vorrichtungen innerhalb (oder außerhalb) des Arbeitsfahrzeugs 100, einschließlich nachstehend beschriebener Vorrichtungen, in elektronischer oder hydraulischer Verbindung stehen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 110 dazu konfiguriert sein, Eingangsbefehle von einem Bediener zu empfangen und über eine Mensch-Fahrzeug-Bedienerschnittstelle, die Interaktion und Kommunikation zwischen dem Bediener, dem Arbeitsfahrzeug 100 und dem Antriebssystem 108 ermöglicht, mit einem Bediener zusammenzuwirken.
In einigen Beispielen kann das Arbeitsfahrzeug 100 ferner verschiedene Sensoren umfassen, die dahingehend funktionieren, Informationen zu dem Arbeitsfahrzeug 100 und/oder der umliegenden Umgebung zusammen. Solche Informationen können der Steuerung 110 zur Auswertung und/oder Berücksichtigung für den Betrieb des Antriebssystems 108 zugeführt werden. Als Beispiele können die Sensoren einsatzfähige Sensoren, die den erörterten Fahrzeugsystemen und Komponenten zugeordnet sind, umfassen, darunter Motor- und Getriebesensoren, Kraftstoffsensoren und Batterie- und Leistungssensoren. Solche Sensor- und Bedienereingänge können von der Steuerung 110 zur Bestimmung eines Betriebszustands (z. B. einer Last, einer Anforderung oder einer Leistungsvorgabe) und daraufhin Erzeugen entsprechender Befehle für die verschiedenen Komponenten des nachstehend erörterten Antriebssystems 108 verwendet werden.
Zusätzliche Informationen zum Antriebssystem 108, insbesondere den Komponenten, die mit den Gasströmen und der Leistungsverteilung in Zusammenhang stehen, werden nachstehend unter Bezugnahme auf 2A bereitgestellt. Obgleich dies hier nicht gezeigt oder genauer beschrieben wird, kann das Arbeitsfahrzeug 100 eine beliebige Anzahl an zusätzlichen oder alternativen Systemen, Teilsystemen und Elementen umfassen.
Unter Bezugnahme auf 2A wird eine schematische Darstellung des Antriebssystems 108 zur Bereitstellung von Antrieb für das Arbeitsfahrzeug 100 von 1 gezeigt, obgleich die hier beschriebenen Eigenschaften auf verschiedene Maschinen anwendbar sind, wie z. B. Straßen-LKW, Baufahrzeuge, Seefahrzeuge, stationäre Generatoren, Personenkraftwagen, landwirtschaftliche Fahrzeuge und Wohnmobile. Die Konfiguration von 2A ist lediglich ein Beispiel für das Antriebssystem 108 und beispielhafte Ausführungsformen, die hier offenbart werden, können in anderen Konfigurationen bereitgestellt werden.
Wie oben einführend erwähnt wurde, umfasst das Antriebssystem 108 einen Motor 120, der dazu konfiguriert ist, Leistung zum Vortrieb zu erzeugen, und verschiedene andere Systeme. Allgemein kann der Motor 120 eine beliebige Art von Verbrennungsmotor, der Einlassgas zur Erzeugung von Energie und Produktion von Abgas empfängt und verbrennt, wie z. B. ein Benzinmotor, ein Dieselmotor, ein gasförmiger Kraftstoff verbrennender Motor (z. B. Erdgas) oder ein beliebiger anderer Abgas produzierender Motor, sein. Beispielsweise kann der Motor 120 ein Dieselmotor mit einer beliebigen Anzahl oder Konfiguration von Kolben-Zylinder-Anordnungen 122 in einem Motorblock 124 sein. Bei der dargestellten Implementierung ist der Motor 120 ein Reihen-Sechszylindermotor (R-6-Motor), der sechs Kolben-Zylinder-Anordnungen 122 definiert. Zusätzlich zu jenen, die nachstehend erörtert werden, kann der Motor 120 beliebige geeignete Merkmale umfassen, wie z. B. Kraftstoffsysteme, Luftsysteme, Kühlsysteme, Peripheriegeräte, Triebstrangkomponenten, Sensoren usw.
Allgemein kann angenommen werden, dass das Antriebssystem 108 und/oder der Motor 120 eine Einlasseinrichtung 130 umfassen, die frische oder Umgebungsluft durch einen Einlass 132 und in das Antriebssystem 108 als frisches Einlassgas über eine Motoreinlassleitung 134 leitet. Wie gezeigt wird, kann die Einlasseinrichtung 130 eine oder mehrere Verstärkungskomponenten als Motorluftsystemkomponenten, insbesondere einen oder mehrere elektrische Verdichter 140, 142, umfassen oder anderweitig mit diesem Zusammenwirken. Während des Betriebs leitet die Einlassvorrichtung 130 das frische Einlassgas durch den ersten elektrischen Verdichter 140 zur Verdichtung, wodurch die Menge an Luft, die danach in den Motor 120 gedrückt wird, für einen verbesserten Motorwirkungsgrad und eine verbesserte Motorleistungsabgabe erhöht wird. In einigen Beispielen kann das Einlassgas ferner von dem zweiten elektrischen Verdichter 142 verdichtet werden. In solch einem Beispiel können die elektrischen Verdichter 140, 142 in Reihe (wie gezeigt) oder parallel (z. B. wobei jeder elektrische Verdichter 140, 142 einen Teil der Einlassluft verdichtet) angeordnet sein. In anderen Beispielen kann der zweite elektrische Verdichter 142 weggelassen sein.
Allgemein können die Verdichter 140, 142 eine beliebige Art von elektrischem Verdichter (oder E-Verdichter) sein. Anders ausgedrückt nutzen die elektrischen Verdichter 140, 142 einen Elektromotor zur Umwandlung von elektrischer Leistung in mechanische Arbeit, durch die die Luft, die durch die Leitung 134 strömt, verdichtet wird. Zusätzlich zu der Einlassluft für den Motor 120 können die elektrischen Verdichter 140, 142 anderen Teilen des Motors oder der Fahrzeugsysteme verdichtete Luft zuführen.
Die Einlassvorrichtung 130 kann ferner einen Kühler 150 umfassen, der entlang der Motoreinlassleitung 134 stromabwärts der elektrischen Verdichter 140, 142 zur Reduzierung der Temperatur des verdichteten frischen Einlassgases, z. B. um die Einheit an Masse pro Volumeneinheit der Ladeluft für einen verbesserten volumetrische Wirkungsgrad zu erhöhen, angeordnet ist. Der Kühler 150 kann ein beliebiger geeigneter Mechanismus zum Kühlen der Luft für den Motor 120 sein. In einem Beispiel kann der Kühler 150 ein Ladungskühler in Form eines Luft-Luft-Wärmetauschers sein, der die Einlasslufttemperatur von der Verdichtung durch Ableiten der Wärme an Umgebungsluft, die durch den Wärmetauscher hindurchströmt, reduziert; obgleich der Kühler 150 in anderen Beispielen als ein Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher konfiguriert sein kann, der Abwärme aus der Ladeluft auf eine Zwischenflüssigkeit (z. B. Wasser) überträgt, die die Wärme letztlich an die Umgebungsluft abgibt. Darüber hinaus können mehrere Kühler 150 vorgesehen sein, darunter eine Kombination aus Ladungskühlern und Zwischenkühlern. Obgleich stromabwärts der elektrischen Verdichter 140, 142 dargestellt, kann der Kühler 150 stromaufwärts eines oder beider der elektrischen Verdichter 140, 142 angeordnet sein.
Stromabwärts des Kühlers 150 ist die Motoreinlassleitung 134 mit einem Einlassmischer 152, der das frische Einlassgas empfängt, strömungsgekoppelt. Wie nachstehend beschrieben wird, kann der Einlassmischer 152 auch einen Teil des Motorabgases als rückgeführtes Gas empfangen. In einigen Beispielen kann der Einlassmischer 152 das frische Einlassgas und rückgeführtes Gas (in der Regel Einlassgas) vermischen, bevor er das Einlassgas in einen Einlasskrümmer 154 leitet. In einigen Beispielen können der Einlassmischer 152 und der Einlasskrümmer 154 kombiniert sein (d. h. es wurde möglicherweise auf einen eigens vorgesehenen Mischer 152 verzichtet und/oder der Einlasskrümmer 154 kann als Teil des AGR-Systems 170 erachtet werden, nachstehend erörtert). In jedem Fall verteilt der Einlasskrümmer 154 das Einlassgas in die Kolben-Zylinder-Anordnungen 122 des Motorblocks 124. Wie typisch ist, wird das Einlassgas mit Kraftstoff vermischt und entzündet, so dass die resultierenden Verbrennungsprodukte für die mechanische Ausgabe des Motors 120 sorgen.
Während der Verbrennung erzeugt der Motor 120 Abgas, das von einer Abgaseinrichtung 160, insbesondere einem Auslasskrümmer 162 der Abgaseinrichtung 160, empfangen wird. Beispielsweise steht der Auslasskrümmer 162 mit Kolben-Zylinder-Anordnungen in Strömungsverbindung, so dass sich während eines Auslasshubs mindestens ein Auslassventil (nicht gezeigt) öffnet, wodurch gestattet wird, dass Abgas aus den Zylindern heraus in den Auslasskrümmer 162 strömt. Der Auslasskrümmer 162 ist allgemein dazu konfiguriert, das Abgas zu empfangen und über Auslässe zu einer ersten Auslassleitung 164 und einer zweiten Auslassleitung 166 zu verteilen.
Die erste Auslassleitung 164 leitet einen ersten Teil des Abgases durch ein Abgasrückführungs(AGR)-System 170. Allgemein funktioniert das AGR-System 170 so, dass es einen Teil des von dem Motor 120 erzeugten Abgases in den Einlassmischer 152 zur Vermischung mit der frischen Einlassluft zurückführt, wodurch wiederum die Bildung von NOx während der Verbrennung, die ansonsten auftreten kann, reduziert wird. In einigen Beispielen kann der Strom von rückgeführtem Gas durch das AGR-System 170 zumindest zum Teil über ein AGR-Verteilerventil (nicht gezeigt) gesteuert werden, das an der ersten oder der zweiten Auslassleitung 164, 166 positioniert ist. Eine geeignete Menge an Abgas kann zurückgeführt werden (z. B. 10 %-20 %).
Bei dieser Ausführungsform ist ein AGR-Kühler 172 entlang der ersten Auslassleitung 164 zum Kühlen des dort hindurchströmenden zurückgeführten Gases positioniert, obgleich in einigen Beispielen eine weitere Anordnungsausleitung und Ventil vorgesehen sein kann, um den AGR-Kühler 172 unter gewissen Bedingungen zu umgehen. Der AGR-Kühler 172 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die zum Senken der Temperatur des durch die Auslassleitung 164 hindurchströmenden zurückgeführten Gases konfiguriert ist. Allgemein umfasst der AGR-Kühler 158 einen oder mehrere Kanäle für zurückgeführtes Gas und einen oder mehrere Kühlmittelkanäle, die derart angeordnet sind, dass Wärme von dem rückgeführten Gas auf das Kühlmittel übertragen werden kann. Das Kühlmittel kann von einem Kühlkreis bereitgestellt werden und kann beispielsweise ein Gemisch aus Ethylenglykol und Wasser sein, obgleich andere Fluide, einschließlich Wasser, verwendet werden können. Obgleich dies nicht gezeigt wird, kann ein AGR-Verteilerventil dazu vorgesehen sein, das zurückgeführte Gas basierend auf Bedingungen, wie z. B. Kühlmitteltemperatur, entsprechend durch den AGR-Kühler 172 oder um diesen herum zu steuern.
Die AGR-Pumpe 174 ist an der Leitung 164 zur Steuerung und Ermöglichung des Strömens von Gas zu dem Mischer 152, entweder stromabwärts (wie gezeigt) oder stromaufwärts des AGR-Kühlers 172, angeordnet. Bei einer Ausführungsform ist die AGR-Pumpe 174 als eine Roots-Pumpe mit Rotoren, die von einem Elektromotor angetrieben werden, konstruiert, obgleich es sich versteht, dass die AGR-Pumpe 174 als eine andersartige oder anders konstruierte Pumpe, wie z. B. ein Schrauben- oder Scroll- oder Flügelzellenverdichter, konfiguriert sein kann.
Wie oben angemerkt wird, wird nur ein Teil des Abgases aus dem Auslasskrümmer 162 durch das AGR-System 170 geleitet. Der zweite Teil des Abgases wird von dem Auslasskrümmer 162 durch eine zweite Auslassleitung 166 geleitet. Obgleich dies nicht gezeigt wird, kann die Menge und Beschaffenheit des Abgases durch die zweite Auslassleitung 166 über ein Abgasdrosselventil gesteuert werden.
Eine weitere Motorluftsystemkomponente (oder Turboladerkomponente) in Form eines ersten Turbinengenerators (oder allgemein einer Turbine) 180 kann in dem Pfad der zweiten Auslassleitung 166 positioniert sein, so dass der zweite Teil des Abgases durch die zweite Auslassleitung 166 den Turbinengenerator 180 zur Erzeugung von Leistung dreht. In einem Beispiel funktioniert der erste Turbinengenerator 180 als ein Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung, wie nachstehend genauer erörtert wird.
Das Abgas strömt dann über die Leitung 166 in einen zweiten Turbinengenerator (oder allgemein eine Turbine) 182 zur Erzeugung zusätzlicher Leistung. Wie oben kann der zweite Turbinengenerator 182 als ein Generator funktionieren, um elektrische Leistung zu erzeugen, wie nachstehend beschrieben wird. In diesem Beispiel können die Turbinengeneratoren 180, 182 in Reihe angeordnet sein, obgleich andere Anordnungen vorgesehen sein können. Darüber hinaus kann optional auf den zweiten Turbinengenerator 182 verzichtet werden.
Stromabwärts der Turbinengeneratoren 180, 182 kann das Abgas durch ein Abgasbehandlungssystem 184, das an der Auslassleitung 166 angeordnet ist, strömen. Andere Ausführungsformen weisen möglicherweise kein Abgasbehandlungssystem 184 auf. Allgemein funktioniert das Abgasbehandlungssystem 184 dahingehend, dass dort hindurchströmende Abgas zu behandeln. Obgleich dies nicht genauer beschrieben wird, kann das Abgasbehandlungssystem 184 verschiedene Komponenten zur Reduzierung unerwünschter Emissionen umfassen. Als Beispiele kann das Abgasbehandlungssystem 184 ein Einlassrohr, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), einen Dieselpartikelfilter (DPF), ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und ein Auslassrohr umfassen. Der DOC des Abgasbehandlungssystems 184 kann verschiedenartig konfiguriert sein und Katalysatormaterialien enthalten, die beim Auffangen, Absorbieren, Adsorbieren, Reduzieren und/oder Umwandeln von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und/oder Stickoxiden (NOx), die in dem Abgas enthalten sind, nützlich sind. Der DPF des Abgasbehandlungssystems 184 kann einer verschiedener im Stand der Technik bekannter Partikelfilter, die zur Reduzierung von Partikelkonzentrationen, z. B. Ruß und Asche, in dem Abgas konfiguriert sind, sein. Das SCR-System des Abgasbehandlungssystems 184 funktioniert dahingehend, die Menge an NOx in dem Abgasstrom zu reduzieren, wie z. B. durch selektives Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom, das beim Vermischen mit dem Abgas verdampft und sich zersetzt oder hydrolisiert und Ammoniak produziert, der mit dem NOx zur Reduzierung dieser in weniger schädliche Emissionen reagiert. Nach der Behandlung durch das Abgasbehandlungssystem 184 wird das Abgas über ein Endrohr in die Atmosphäre ausgestoßen.
In einem Beispiel kann das Antriebssystem 108 ferner einen Motor/Generator (oder Starter/Generator) 190 umfassen, der als ein Startermotor oder als ein Generator betrieben werden kann. Insbesondere kann der Motor/Generator 190 selektiv in der Nähe des Motors 120 angeordnet sein, einschließlich einer Drehkopplung mit einer Antriebswelle des Motors 120. Somit kann der Motor/Generator 190 von dem Motor 120 während des Betriebs mechanisch dahingehend angetrieben werden, Elektrizität zu erzeugen; und/oder der Motor/Generator 190 kann dahingehend betrieben werden, den Motor 120 mechanisch anzutreiben, z. B. während eines Startmodus oder eines Verstärkungsmodus. Teile des Motors 120, mit denen der Motor/Generator 190 gekoppelt sein kann, umfassen die Kurbelwelle, den Zahnradsatz, das Schwungrad und/oder Nebenantriebe.
Das Antriebssystem 108 umfasst ferner ein oder mehrere Leistungsnetze 192 zum Empfangen, Speichern, Umwandeln, Verteilen und Managen von elektrischer Leistung zu den verschiedenen Komponenten des Antriebssystems 108 basierend auf Befehlen von einer Steuerung 110 (die z. B. der Steuerung 110, auf die nachstehend Bezug genommen wird, oder einer ähnlichen eigens vorgesehenen Steuerung entspricht). Insbesondere kann die Steuerung 110 mit dem Leistungsnetz 192 zum Managen und Verteilen der Betriebs- und/oder elektrischen Leistung im gesamten Antriebssystem 108 in Verbindung stehen oder als ein Teil davon angesehen werden.
Somit kann die Steuerung 110 mit dem Motor 120, der Einlassvorrichtung 130, den elektrischen Verdichtern 140, 142, dem Ladungskühler 150, der Auslasseinrichtung 160, dem AGR-System 170 und/oder den Turbinengeneratoren 180, 182 in Verbindung stehen; und das Leistungsnetz 192 kann elektrische Leistung zwischen den elektrischen Verdichtern 140, 142, der AGR-Pumpe 174, den Turbinengeneratoren 180, 182 und dem Motor/Generator 190 verteilen. Insbesondere kann die Steuerung 110 als Reaktion auf empfangene Eingänge dahingehend arbeiten, einen derzeitigen Betriebsmodus oder derzeitige Betriebsbedingungen des Antriebssystems 108 zu identifizieren und Steuersignale an eine oder mehrere Komponenten in dem Antriebssystem 108 zur Steuerung und/oder Modifizierung des Betriebs, einschließlich Management und Verteilung von elektrischer Leistung über das Leistungsnetz 192, ausgeben, wie nachstehend genauer erläutert wird.
Allgemein kann angenommen werden, dass das Leistungsnetz 192 zusätzlich zu der Steuerung 110 eine oder mehrere Batterien 194 und eine oder mehrere Leistungskomponenten 196 (z. B. Umrichter/Gleichrichter-Vorrichtungen, Vernetzungs- und Steuergeräte und dergleichen) umfasst. Die Batterien 194 des Leistungsnetzes 192 können eine beliebige Art von Energiespeichervorrichtung sein, darunter beispielsweise Li-lonen-Batterien. Die Batterien 194 und die Leistungskomponenten 196 können jeglichen geeigneten Hoch- oder Niederspannungen, z. B. 700 V, 400 V, 48 V oder dergleichen, gerecht werden.
Während des Betriebs kann das Leistungsnetz 192 (z. B. die Batterien 194 und die Leistungskomponenten 196) von den Turbinengeneratoren 180, 182 und/oder dem Motor/Generator 190 erzeugte elektrische Leistung empfangen und/oder speichern. Wie oben erwähnt wird, arbeiten die Turbinengeneratoren 180, 182 und der Motor/Generator 190 als Generatoren, die mechanische Leistung (z. B. hervorgebracht durch den Abgas des Motors 120) in elektrische Leistung umwandeln. Ferner stellt das Leistungsnetz 192 elektrische Leistung zum Antrieb der elektrischen Verdichter 140, 142, der AGR-Pumpe 174 und/oder des Motor/Generators 190 bereit, die die elektrische Leistung zurück in mechanische Leistung umwandeln. Obgleich die Steuerung 110 und das Leistungsnetz 192 diese Komponenten als ein integriertes System betreiben, sind die Komponenten (insbesondere die elektrischen Verdichter 140, 142 und die Turbinengeneratoren 180, 182) mechanisch voneinander entkoppelt. Aufgrund der potentiell hohen Drehzahlen der elektrischen Verdichter 140, 142 und/oder der Turbinengeneratoren 180, 182 kann das Leistungsnetz 192 Wide-Band-Gap-Leistungselektronik umfassen, die die Verwendung von Motorkühlmittel und Reduzierung von Schaltverlusten ermöglicht.
Wie oben einführend erwähnt wurde und obgleich dies in 2 nicht genau gezeigt wird, kann das Antriebssystem 108 ferner einzelne Kühlmechanismen oder einen oder mehrere integrierte Kühlkreise umfassen. Insbesondere kann ein Kühlkreis in die verschiedenen Komponenten zur Abführung von Wärme durch Verteilung eines Kühlmediums integriert sein. Beispielhafte Komponenten, die einen Kühlkreis nutzen, können die elektrischen Verdichter 140, 142, die AGR-Pumpe 174, die Turbinengeneratoren 180, 182 und/oder das Leistungsnetz 192 umfassen. In einem Beispiel kann das Kühlmittel ein Gemisch aus Ethylenglykol und Wasser sein, obgleich andere Fluide wendet werden können, darunter Motoröl oder Wasser. Beispielsweise kann das Antriebssystem 108 einen Kühlkreis umfassen, der eine relativ niedrige Temperatur (z. B. unter 100 °C, unter 60 °C oder dergleichen) für die Batterien und das andere Leistungsnetz 192 aufrechterhält.
Wie erwähnt, verzichtet das Antriebssystem 108 auf „mechanische Turbolader“, bei denen die Verdichter und Turbinen mechanisch verbunden sind, und nutzt stattdessen einen Satz elektrifizierter Luftsystemkomponenten mit Energiefluss und -steuerung durch ein elektrisches Leistungsnetz. Dies bietet eine Reihe von Einsätzen und Vorteilen.
Insbesondere erzeugt der Motor 120 Abgas während des Betriebs zum Antreiben eines oder mehrerer der Turbinengeneratoren 180, 182, so dass elektrische Energie extrahiert werden kann. Da die Turbinengeneratoren 180, 182 nicht mit den elektrischen Verdichtern 140, 142 mechanisch gekoppelt sind, können die Turbinengeneratoren 180, 182 ohne Berücksichtigung der elektrischen Verdichter 140, 142 dimensioniert und betrieben werden. Die elektrische Energie kann in den Batterien 194 gespeichert oder konditioniert und verschiedenen ausgewählten Komponenten bei Bedarf oder Wunsch auf Befehl über die Leistungskomponenten 196 auf direkterem Wege zugeführt werden, darunter zum elektrischen Antreiben der elektrischen Verdichter 140, 142 zur Bereitstellung von Motoraufladung. Die mechanische Unabhängigkeit ermöglicht eine verbesserte Leistungsfähigkeit hinsichtlich Motorbetrieb, Abgasreinigung und AGR-Steuerung.
Da die elektrischen Verdichter 140, 142 elektrisch angetrieben werden und von den Turbinengeneratoren 180, 182 mechanisch getrennt sind, können die elektrischen Verdichter 140, 142 bei Bedarf unabhängig vom Abgasdruck für Erhöhungen des Krümmerdrucks sorgen und das Turboloch eliminieren oder abschwächen. Ferner können, da die elektrischen Verdichter 140, 142 und die Turbinengeneratoren 180, 182 im Hinblick auf Drehzahl und Leistung unabhängig sind, die elektrischen Verdichter 140, 142 und die Turbinengeneratoren 180, 182 individuell dahingehend optimiert werden, jegliche potentiellen negativen Motordruckdifferenzen zu reduzieren und/oder Pumpverluste zu reduzieren oder zu eliminieren. Dies ist unter gewissen Betriebsbedingungen besonders angebracht. Das Antriebssystem 108 kann eine verstärkte Erzeugung von den Turbinengeneratoren 180, 182 während instationärer Verzögerung ansteuern. Bei Höheneinwirkungsbedingungen kann das Antriebssystem 108 eine verstärkte Erzeugung von den Turbinengeneratoren 180, 182 und/oder zusätzliche Verstärkung von den elektrischen Verdichtern 140, 142 ansteuern. Da viele der Komponenten des Antriebssystems 108 elektrisch angetrieben und elektronisch gesteuert werden, kann solch eine Betriebsweise reichhaltige Datenströme für Steuerungsfeedback, Diagnose und hohe Systemintegration zur Abschöpfung von Kundennutzen bereitstellen. Faktisch kann die Steuerung 110 Modifikationen des Einlass- und des Auslassdrucks individuell berücksichtigen, angehen und implementieren.
Im Hinblick auf Abgasreinigung können die elektrischen Verdichter 140, 142 und die Turbinengeneratoren 180, 182 dahingehend zusammenwirken, eine Abgastemperatursteuerung bereitzustellen, entweder durch Zuführen von mehr Luft zur Vermagerung der Verbrennung oder durch Extrahieren von mehr Abgasenergie zur Reduzierung der Abgastemperaturen (z. B. auf einen optimalen Bereich für die beste SCR-Leistung in dem Abgasbehandlungssystem 184). Bei einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 110 auch das Leistungsnetz 192 dahingehend ansteuern, dem Motor/Generator 190 zum Laden des Motors 120 (z. B. ohne zusätzlichen Kraftstoff zu erfordern) zuzuführen, wodurch wiederum ein SCR-Warmlauf in dem Abgasbehandlungssystem 184 ermöglicht wird.
Ferner kann die Steuerung 110 auch das Leistungsnetz 192 dahingehend ansteuern, die AGR-Pumpe 174 zur Bereitstellung von zusätzlichem optimierten Betrieb mit den elektrischen Verdichtern 140, 142 und den Turbinengeneratoren 180, 182, einschließlich der Fähigkeit zur Kalibrierung des Motors basierend auf optimaler AGR-Rate und Luft/Kraftstoff-Verhältnis für Leistungs- und Abgasreinigungssteuerung zu betreiben. Die Verwendung der AGR-Pumpe 174 kann die Notwendigkeit eines in Bezug auf den Einlasskrümmerdruck erhöhten Auslasskrümmerdrucks beseitigen, wodurch Pumpverluste reduziert werden und der Kraftstoffverbrauch verbessert wird. Faktisch stellt das Antriebssystem 108 hybride Fähigkeiten zum Lastausgleich bereit.
Wie oben angemerkt wird, kann das Antriebssystem gemäß den oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen verschiedene Konfigurationen aufweisen. Ein weiteres Beispiel wird durch das Blockdiagramm von 2B dargestellt, wobei es sich um ein Antriebssystem 208 handelt, das mit einer Steuerung 210 betrieben wird. Insofern nichts Gegenteiliges angemerkt wird, ist das Antriebssystem 208 von 2B mit dem oben erörterten Antriebssystem 108 von 2A identisch. Darüber hinaus können die Konfigurationen von 2A und 2B kombiniert werden.
Wie oben kann das Antriebssystem 208 einen Motor 220 mit Kolben-Zylinder-Anordnungen 222 in einem Motorblock 224 umfassen. Auch wie oben kann angenommen werden, dass das Antriebssystem 208 eine Einlasseinrichtung 230 umfasst, die frische oder Umgebungsluft durch einen Einlass 232 über eine Motoreinlassleitung leitet. In diesem Beispiel umfasst das Antriebssystem 208 ein Paar elektrische Verdichter 240, 242, die in einer parallelen Konfiguration angeordnet sind, so dass z. B. jeder der Verdichter 240, 242 einen Teil der Einlassluft verdichtet. Die Einlasseinrichtung 230 kann ferner einen Kühler 250, eine Abgaseinrichtung 260, einen Auslasskrümmer 262, eine erste und eine zweite Auslassleitung 264, 266, ein AGR-System 270, einen AGR-Kühler 272, eine AGR-Pumpe 274, ein Abgasbehandlungssystem 284, einen Motor/Generator 290, ein Leistungsnetz 292, Batterien 294 und Leistungskomponenten 296 ähnlich jenen, die oben erörtert werden, umfassen. In diesem Beispiel umfasst das Antriebssystem 208 ein Paar Turbinengeneratoren 280, 282, die in einer parallelen Konfiguration angeordnet sind, so dass z. B. jeder der Turbinengeneratoren 280, 282 durch einen Teil des Abgases angetrieben werden kann.
Somit können die Antriebssysteme 108, 208 verschiedene Kombinationen aus elektrischen Verdichtern 240, 242 und Turbinengeneratoren 280, 282 umfassen, darunter Konfigurationen mit einem einzigen elektrischen Verdichter; einer einzigen Turbine; einem einzigen Verdichter mit Doppelturbinengeneratoren in Reihe oder parallel; Doppelverdichtern in Reihe oder parallel mit einem einzigen Turbinengenerator; und/oder Doppelkonfigurationen in Reihe mit parallelen Doppelkonfigurationen. In einigen Beispielen können die Konfigurationen in Reihe höhere Druckverhältnisse bereitstellen, während parallele Konfigurationen für andere Vorteile sorgen können.
Dementsprechend verzichtet das Antriebssystem auf „mechanische Turbolader“, bei denen die Verdichter und Turbinen mechanisch verbunden sind, und nutzt stattdessen einen Satz elektrifizierter Luftsystemkomponenten mit Energiefluss und -steuerung durch ein elektrisches Leistungsnetz. Das Leistungsnetz kann in Kombination mit dem einen oder den mehreren elektrischen Verdichtern, dem einen oder den mehreren Turbinengeneratoren, der AGR-Pumpe und/oder dem Motor/Generator als ein Mechanismus von bidirektionalen elektromechanischen Wandlern zur Durchführung der Funktionen des Antriebssystems arbeiten. Das Antriebssystem umfasst eine Plattformarchitektur für einen elektrifizierten Motor, die für einen verbesserten Kraftstoffverbrauch, eine höhere Leistungsfähigkeit und reduzierte kritische Schadstoffe sorgen kann.
In einigen Beispielen kann der Betrieb des Antriebssystems als ein Verfahren umgesetzt sein. Beispielsweise umfasst das Verfahren: Betreiben eines Motors zur Erzeugung von Abgas; Antreiben eines oder mehrerer Turbinengeneratoren zur Erzeugung von elektrischer Leistung; Speichern der elektrischen Leistung; Antreiben eines oder mehrerer elektrischer Verdichter mit der gespeicherten elektrischen Leistung zum Verdichten von Einlassluft für den Motor; und/oder Versorgen einer AGR-Pumpe und/oder eines Starters.
Wie für einen Fachmann auf der Hand liegt, können gewisse Aspekte des offenbarten Erfindungsgegenstands als ein Verfahren, System (z. B. ein in einem Arbeitsfahrzeug enthaltenes Arbeitsfahrzeugsteuer- oder -antriebssystem) oder Computerprogrammprodukt ausgeführt sein. Dementsprechend können gewisse Ausführungsformen vollständig als Hardware, vollständig als Software (einschließlich Firmware, speicherresidente Software, Mikrocode etc.) oder als Kombination aus Software- und Hardware- (und sonstigen) Aspekten ausgeführt sein. Außerdem können gewisse Ausführungsformen die Form eines Computerprogrammprodukts auf einem von einem Computer verwendbaren Speichermedium mit von einem Computer verwendbarem Programmcode, der im Medium ausgeführt ist, annehmen.
Ein computerlesbares Signalmedium kann ein sich ausbreitendes Datensignal mit darin ausgeführtem computerlesbarem Programmcode beispielsweise im Basisband oder als Teil einer Trägerwelle umfassen. Solch ein sich ausbreitendes Signal kann eine beliebige einer Vielzahl von Formen, darunter unter anderem elektromagnetisch, optisch oder jede beliebige geeignete Kombination daraus, annehmen. Ein computerlesbares Signalmedium kann nichtflüchtig sein und kann jedes beliebige computerlesbare Medium sein, das kein computerlesbares Speichermedium ist, und das ein Programm zur Verwendung von oder in Verbindung mit einem Anweisungsausführungssystem, einer Anweisungsausführungseinrichtung oder einer Anweisungsausführungsvorrichtung kommunizieren, verbreiten oder transportieren kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können hier durch Funktions- und/oder Logikblockkomponenten und verschiedene Bearbeitungsschritte beschrieben werden. Es versteht sich, dass derartige Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl an Hardware-, Software- und/oder Firmwarekomponenten, die zur Durchführung der spezifischen Funktionen konfiguriert sind, realisiert werden können. Beispielsweise kann eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verschiedene integrierte Schaltungskomponenten einsetzen, z. B. Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente, Nachschlagetabellen oder dergleichen, die verschiedene Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren und anderer Steuervorrichtungen ausführen können. Darüber hinaus liegt für den Fachmann auf der Hand, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl an Systemen in die Praxis umgesetzt werden können und dass die Arbeitsfahrzeuge und die Steuersysteme und die Verfahren, die hier beschrieben werden, lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind.
Um der Kürze willen werden hier herkömmliche Methoden in Bezug auf Arbeitsfahrzeug- und Motorbetrieb, -steuerung und andere funktionale Aspekte der Systeme (und der einzelnen Betriebskomponenten der Systeme) möglicherweise nicht genauer beschrieben. Des Weiteren sollen die Verbindungslinien, die in den hier enthaltenen verschiedenen Figuren gezeigt werden, beispielhafte funktionale Beziehungen und/oder physische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es wird angemerkt, dass viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder physische Verbindungen bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung vorhanden sein können.
Die hier verwendete Terminologie dient lediglich dem Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll keine Beschränkung der Offenbarung darstellen. Die Singularformen „ein/e/r“ und „der/die/das“, wie hier verwendet, sollen auch die Pluralformen umfassen, es sei denn, der Kontext gibt eindeutig etwas anderes an. Ferner versteht sich, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“ bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorliegen angegebener Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten angeben, jedoch das Vorliegen oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
So wie sie hier verwendet werden, geben Listen mit Elementen, die durch Bindewörter (z. B. „und“) getrennt werden und denen des Weiteren die Formulierung „eines oder mehrere von“ oder „mindestens eines von“ vorangestellt ist, insofern sie nicht anderweitig beschränkt oder modifiziert werden, Konfigurationen oder Anordnungen an, die möglicherweise einzelne Elemente der Liste oder eine beliebige Kombination daraus umfassen. Beispielsweise geben „mindestens eines von A, B und C“ oder „eines oder mehrere von A, B und C“ die Möglichkeiten von lediglich A, lediglich B, lediglich C oder eine beliebige Kombination aus zwei oder mehr von A, B und C (z. B. A und B; B und C; A und C; oder A, B und C) an.
Des Weiteren werden die folgenden Beispiele bereitgestellt, die zur leichteren Bezugnahme nummeriert sind.
1. Antriebssystem für ein Arbeitsfahrzeug, das Folgendes umfasst: einen Motor, der eine oder mehrere Kolben-Zylinder-Anordnungen, einen Einlasskrümmer, der zum Empfangen und Leiten von Einlassluft in die eine oder die mehreren Kolben-Zylinder-Anordnungen zur dahingehenden Verbrennung, Abgas zu erzeugen, konfiguriert ist, und einen Auslasskrümmer, der zum Empfangen des Motorabgases von der einen oder den mehreren Kolben-Zylinder-Anordnungen konfiguriert ist, umfasst; ein Abgasrückführungs(AGR)-System, das zum Empfangen eines ersten Teils des Motorabgases von dem Auslasskrümmer, zum Vermischen des ersten Teils des Motorabgases mit Frischluft als Einlassluft und zum Leiten der Einlassluft in den Einlasskrümmer des Motors konfiguriert ist; einen Turbinengenerator, der mit dem Auslasskrümmer in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, von einem zweiten Teil des Motorabgases von dem Auslasskrümmer zur Erzeugung elektrischer Leistung angetrieben zu werden; ein Leistungsnetz, das mindestens eine Batterie zur Speicherung der elektrischen Leistung, die von dem Turbinengenerator erzeugt wird, umfasst; und einen elektrischen Verdichter, der mit dem Einlasskrümmer in Strömungsverbindung steht und dazu konfiguriert ist, von der elektrischen Leistung von der mindestens einen Batterie des Leistungsnetzes mit Leistung versorgt zu werden und mindestens einen Teil der Einlassluft für den Motor zu verdichten.
2. Antriebssystem von Beispiel 1, wobei das AGR-System eine AGR-Pumpe umfasst, die mit dem Auslasskrümmer in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, den ersten Teil des Motorabgases aus dem Auslasskrümmer zu dem Einlasskrümmer zu pumpen.
3. Antriebssystem nach Beispiel 2, wobei die AGR-Pumpe eine elektrische AGR-Pumpe ist, die mit der elektrischen Leistung von der mindestens einen Batterie des Leistungsnetzes versorgt wird.
4. Antriebssystem nach Beispiel 2, wobei das AGR-System ferner einen AGR-Kühler zum Kühlen des ersten Teils des Motorabgases umfasst.
5. Antriebssystem nach Beispiel 1, das ferner einen Motor/Generator umfasst, der mit dem Motor gekoppelt und dazu konfiguriert ist, abwechselnd von dem Motor angetrieben zu werden oder den Motor anzutreiben.
6. Antriebssystem nach Beispiel 5, wobei der Motor/Generator dazu konfiguriert ist, wenn er von dem Motor angetrieben wird, zusätzliche elektrische Leistung zu erzeugen, die dann auch in der mindestens einen Batterie des Leistungsnetzes gespeichert wird, und dazu konfiguriert ist, wenn er den Motor antreibt, mit der elektrischen Leistung, die von der mindestens einen Batterie des Leistungsnetzes gespeichert wird, versorgt zu werden.
7. Antriebssystem nach Beispiel 1, das ferner eine Steuerung umfasst, die mit dem Leistungsnetz gekoppelt und dazu konfiguriert ist, die Verteilung der elektrischen Leistung zwischen dem Turbinengenerator und dem elektrischen Verdichter zu steuern.
8. Antriebssystem nach Beispiel 7, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, den Turbinengenerator und den elektrischen Verdichter unabhängig anzusteuern.
9. Antriebssystem nach Beispiel 1, das ferner ein in Strömungsverbindung stehendes Abgasbehandlungssystem zum Empfangen und Behandeln des zweiten Teils des Motorabgases stromabwärts des Turbinengenerators umfasst.
10. Antriebssystem nach Beispiel 1, wobei der elektrische Verdichter ein erster elektrischer Verdichter ist, der dazu konfiguriert ist, mindestens einen ersten Teil der Einlassluft zu verdichten, und das Antriebssystem ferner einen zweiten elektrischen Verdichter umfasst, der mit dem Einlasskrümmer in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, mindestens einen zweiten Teil der Einlassluft für den Motor zu verdichten.
11. Antriebssystem nach Beispiel 10, wobei der erste elektrische Verdichter und der zweite elektrische Verdichter in Reihe angeordnet sind, so dass der zweite Teil der Einlassluft auch der erste Teil der Einlassluft ist.
12. Antriebssystem nach Anspruch 10, wobei der erste elektrische Verdichter und der zweite elektrische Verdichter parallel angeordnet sind, so dass sich der zweite Teil der Einlassluft von dem ersten Teil der Einlassluft unterscheidet.
13. Antriebssystem nach Beispiel 1, wobei der Turbinengenerator ein erster Turbinengenerator ist und das Antriebssystem ferner einen zweiten Turbinengenerator umfasst, der mit dem Auslasskrümmer in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, von dem zweiten Teil des Abgases angetrieben zu werden.
14. Antriebssystem nach Beispiel 13, wobei der erste Turbinengenerator und der zweite Turbinengenerator in Reihe angeordnet sind.
15. Antriebssystem nach Beispiel 13, wobei der erste Turbinengenerator und der zweite Turbinengenerator parallel angeordnet sind.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist zur Veranschaulichung und Beschreibung dargelegt worden, soll für die Offenbarung in der offenbarten Form aber nicht erschöpfend oder einschränkend sein. Für den Durchschnittsfachmann sind viele Modifikationen und Variationen ohne Abweichung von dem Schutzbereich und Wesen der Offenbarung ersichtlich. Hier explizit angeführte Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Grundzüge der Offenbarung und ihre praktische Anwendung am besten zu erläutern und um anderen Durchschnittsfachmännern zu ermöglichen, die Offenbarung zu verstehen und viele Alternativen, Modifikationen und Variationen des bzw. der beschriebenen Beispiele zu erkennen. Demgemäß liegen verschiedene andere Ausführungsformen und Implementierungen als die explizit beschriebenen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche.

Claims

Antriebssystem (108) für ein Arbeitsfahrzeug (100), das Folgendes umfasst: einen Motor (120), der eine oder mehrere Kolben-Zylinder-Anordnungen (122), einen Einlasskrümmer (154), der zum Empfangen und Leiten von Einlassluft in die eine oder die mehreren Kolben-Zylinder-Anordnungen (122) zur dahingehenden Verbrennung, Abgas zu erzeugen, konfiguriert ist, und einen Auslasskrümmer (162), der zum Empfangen des Motorabgases von der einen oder den mehreren Kolben-Zylinder-Anordnungen (122) konfiguriert ist, umfasst; ein Abgasrückführungs(AGR)-System (170), das zum Empfangen eines ersten Teils des Motorabgases von dem Auslasskrümmer (162), zum Vermischen des ersten Teils des Motorabgases mit Frischluft als Einlassluft und zum Leiten der Einlassluft in den Einlasskrümmer (154) des Motors (120) konfiguriert ist; einen Turbinengenerator (180, 182), der mit dem Auslasskrümmer (162) in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, von einem zweiten Teil des Motorabgases von dem Auslasskrümmer (162) zur Erzeugung elektrischer Leistung angetrieben zu werden; ein Leistungsnetz (192), das mindestens eine Batterie (194) zur Speicherung der elektrischen Leistung, die von dem Turbinengenerator (180, 182) erzeugt wird, umfasst; und einen elektrischen Verdichter (140, 142), der mit dem Einlasskrümmer (154) in Strömungsverbindung steht und dazu konfiguriert ist, von der elektrischen Leistung von der mindestens einen Batterie (194) des Leistungsnetzes (192) mit Leistung versorgt zu werden und mindestens einen Teil der Einlassluft für den Motor (120) zu verdichten.
Antriebssystem (108) von Anspruch 1, wobei das AGR-System (170) eine AGR-Pumpe (174) umfasst, die mit dem Auslasskrümmer (162) in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, den ersten Teil des Motorabgases aus dem Auslasskrümmer (162) zu dem Einlasskrümmer (154) zu pumpen.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 2, wobei die AGR-Pumpe (174) eine elektrische AGR-Pumpe ist, die mit der elektrischen Leistung von der mindestens einen Batterie (194) des Leistungsnetzes (192) versorgt wird.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 2, wobei das AGR-System (170) ferner einen AGR-Kühler (172) zum Kühlen des ersten Teils des Motorabgases umfasst.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, das ferner einen Motor/Generator (190) umfasst, der mit dem Motor (120) gekoppelt und dazu konfiguriert ist, abwechselnd von dem Motor (120) angetrieben zu werden oder den Motor (120) anzutreiben.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 5, wobei der Motor/Generator (190) dazu konfiguriert ist, wenn er von dem Motor (120) angetrieben wird, zusätzliche elektrische Leistung zu erzeugen, die dann auch in der mindestens einen Batterie (194) des Leistungsnetzes (192) gespeichert wird, und dazu konfiguriert ist, wenn er den Motor (120) antreibt, mit der elektrischen Leistung, die von der mindestens einen Batterie (194) des Leistungsnetzes (192) gespeichert wird, versorgt zu werden.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, das ferner eine Steuerung (110) umfasst, die mit dem Leistungsnetz (192) gekoppelt und dazu konfiguriert ist, die Verteilung der elektrischen Leistung zwischen dem Turbinengenerator (180, 182) und dem elektrischen Verdichter (140, 142) zu steuern.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 7, wobei die Steuerung (110) dazu konfiguriert ist, den Turbinengenerator (180, 182) und den elektrischen Verdichter (140, 142) unabhängig anzusteuern.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, das ferner ein in Strömungsverbindung stehendes Abgasbehandlungssystem (184) zum Empfangen und Behandeln des zweiten Teils des Motorabgases stromabwärts des Turbinengenerators (180, 182) umfasst.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, wobei der elektrische Verdichter (140, 142) ein erster elektrischer Verdichter (140) ist, der dazu konfiguriert ist, mindestens einen ersten Teil der Einlassluft zu verdichten, und das Antriebssystem ferner einen zweiten elektrischen Verdichter (142) umfasst, der mit dem Einlasskrümmer (154) in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, mindestens einen zweiten Teil der Einlassluft für den Motor (120) zu verdichten.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 10, wobei der erste elektrische Verdichter (140) und der zweite elektrische Verdichter (142) in Reihe angeordnet sind, so dass der zweite Teil der Einlassluft auch der erste Teil der Einlassluft ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 10, wobei der erste elektrische Verdichter (140) und der zweite elektrische Verdichter (142) parallel angeordnet sind, so dass sich der zweite Teil der Einlassluft von dem ersten Teil der Einlassluft unterscheidet.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, wobei der Turbinengenerator (180, 182) ein erster Turbinengenerator (180) ist und das Antriebssystem ferner einen zweiten Turbinengenerator (182) umfasst, der mit dem Auslasskrümmer (162) in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, von dem zweiten Teil des Abgases angetrieben zu werden.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 13, wobei der erste Turbinengenerator (180) und der zweite Turbinengenerator (182) in Reihe angeordnet sind.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 13, wobei der erste Turbinengenerator (180) und der zweite Turbinengenerator (182) parallel angeordnet sind.