DE102023120950A1 - Drive device for providing a torque and method for operating such a drive device and computer program product for carrying out such a method - Google Patents

Drive device for providing a torque and method for operating such a drive device and computer program product for carrying out such a method Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Antriebsvorrichtung (10) zum Bereitstellen eines Drehmoments, umfassend einen Verbrennungsmotor (12), eine Zuführeinheit zum Zuführen von Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor (12), eine Abführeinheit (22) zum Abführen der im Verbrennungsmotor (12) erzeugten Abgase, einen ersten Turbolader (30) zum Verdichten der zum Verbrennungsmotor (12) zugeführten Verbrennungsluft, einen zweiten Turbolader (36) zum Verdichten der zum Verbrennungsmotor (12) zugeführten Verbrennungsluft, und eine Ansteuerungseinheit (66), mit welcher das zweite Abführkanal-Schließelement (52) und der zweite Elektromotor (58) ansteuerbar sind. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung und ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Figure DE102023120950A1_0000
The present invention relates to a drive device (10) for providing torque, comprising an internal combustion engine (12), a supply unit for supplying combustion air to the internal combustion engine (12), a discharge unit (22) for discharging the exhaust gases generated in the internal combustion engine (12), a first Turbocharger (30) for compressing the combustion air supplied to the internal combustion engine (12), a second turbocharger (36) for compressing the combustion air supplied to the internal combustion engine (12), and a control unit (66) with which the second discharge channel closing element (52) and the second electric motor (58) can be controlled. The present invention further relates to a method for operating such a drive device and a computer program product for carrying out such a method.
Figure DE102023120950A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Bereitstellen eines Drehmoments. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung und ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.The present invention relates to a drive device for providing torque. The present invention further relates to a method for operating such a drive device and a computer program product for carrying out such a method.

Die Antriebsvorrichtungen, auf welche sich die Erfindung bezieht, weisen Verbrennungsmotoren auf, in welchen chemische Energie, die in den verwendeten Brenn- oder Kraftstoffen gespeichert ist, in mechanische Energie in Form eines Drehmoments umgewandelt wird. Um die Leistung des Verbrennungsmotors zu steigern, werden häufig Turbolader eingesetzt, mit welchen die Verbrennungsluft verdichtet und der für die Verbrennung zur Verfügung stehende Sauerstoffanteil erhöht werden. Turbolader haben jedoch die Eigenschaft, dass die Verdichtung der Verbrennungsluft von ihrer Drehzahl abhängt. Bei geringem vom Motor abgegebenen Drehmoment reicht der Abgasstrom nicht, um die Abgasturbine des Turboladers auf eine ausreichend hohe Drehzahl zu bringen, um die Verbrennungsluft so weit zu verdichten, dass das vom Verbrennungsmotor abgegebene Drehmoment spürbar erhöht wird. Erst bei einem höheren abgegebenen Drehmoment steigt der Abgasstrom so weit an, dass die Drehzahl des Turboladers soweit erhöht werden kann, dass das abgegebene Drehmoment des Verbrennungsmotors spürbar erhöht wird. Dieser Effekt wird auch als Turboloch bezeichnet,The drive devices to which the invention relates have internal combustion engines in which chemical energy stored in the fuels used is converted into mechanical energy in the form of torque. In order to increase the performance of the internal combustion engine, turbochargers are often used, which compress the combustion air and increase the proportion of oxygen available for combustion. However, turbochargers have the property that the compression of the combustion air depends on their speed. If the torque delivered by the engine is low, the exhaust gas flow is not sufficient to bring the exhaust gas turbine of the turbocharger to a sufficiently high speed in order to compress the combustion air to such an extent that the torque delivered by the combustion engine is noticeably increased. Only when the torque output is higher does the exhaust gas flow increase to such an extent that the speed of the turbocharger can be increased to such an extent that the torque output of the combustion engine is noticeably increased. This effect is also known as turbo lag,

Insbesondere Großmotoren, die für den Antrieb von Schiffen oder von Generatoren verwendet werden, weisen häufig zwei oder mehr als zwei parallel geschaltete Turbolader auf. Im Ausgangszustand ist üblicherweise ein erster Turbolader aktiv. Je nach angefordertem Drehmoment wird der zweite Turbolader mittels einer entsprechenden öffnenden Ansteuerung einer Klappe in der Zuführeinheit, mit welcher die Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor geführt wird, zugeschaltet, so dass dann zwei Turbolader aktiv sind. Sofern mehr als zwei Turbolader vorhanden sind, werden diese entsprechend nach und nach zugeschaltet. Sinkt die Drehmomentanforderung, so erfolgt eine entsprechende Abschaltung der Turbolader, wozu die betreffenden Klappen geschlossen werden. Der erste Turbolader bleibt aber üblicherweise immer aktiv.In particular, large engines that are used to drive ships or generators often have two or more than two turbochargers connected in parallel. In the initial state, a first turbocharger is usually active. Depending on the requested torque, the second turbocharger is switched on by means of a corresponding opening control of a flap in the supply unit, with which the combustion air is fed to the internal combustion engine, so that two turbochargers are then active. If there are more than two turbochargers, they will be switched on gradually. If the torque requirement drops, the turbochargers are switched off accordingly, for which the relevant flaps are closed. However, the first turbocharger usually always remains active.

Im Zeitpunkt des Zuschaltens des zweiten Turboladers und, sofern vorhanden, der weiteren Turbolader tritt aber ein dem oben beschriebenen Turboloch ähnlicher Effekt auf. Der zweite Turbolader steht zum Zeitpunkt des Zuschaltens still und muss erst auf eine ausreichend hohe Drehzahl beschleunigt werden, damit er zur Steigerung des vom Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments beitragen kann. Beim Zuschalten des zweiten Turboladers halbiert sich der am ersten Turbolader zur Verfügung stehende Abgasstrom, so dass am ersten Turbolader ein Enthalpieverlust anliegt und seine Drehzahl sinkt. Infolgedessen kommt es zu einem Abfall des vom Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments.However, at the time the second turbocharger and, if present, the additional turbocharger are switched on, an effect similar to the turbo lag described above occurs. The second turbocharger is at a standstill at the time of switching on and must first be accelerated to a sufficiently high speed so that it can contribute to increasing the torque delivered by the combustion engine. When the second turbocharger is switched on, the exhaust gas flow available at the first turbocharger is halved, so that there is an enthalpy loss at the first turbocharger and its speed drops. As a result, there is a drop in the torque delivered by the internal combustion engine.

Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung zum Bereitstellen eines Drehmoments vorzuschlagen, mit welchem es möglich ist, eine Abhilfe für die oben genannten Nachteile zu schaffen. Insbesondere soll es möglich sein, den Abfall des vom Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments beim Zuschalten eines weiteren Turboladers zu verringern. Des Weiteren liegt einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem eine solche Antriebsvorrichtung betrieben werden kann. Darüber hinaus liegt einer Ausgestaltung der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen dieses Verfahrens bereitzustellen.The object of an embodiment of the present invention is to propose a drive device for providing a torque with which it is possible to remedy the above-mentioned disadvantages. In particular, it should be possible to reduce the drop in torque delivered by the internal combustion engine when another turbocharger is switched on. Furthermore, one embodiment of the present invention is based on the object of creating a method with which such a drive device can be operated. In addition, one embodiment of the invention is based on the object of providing a computer program product for carrying out this method.

Diese Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen 1, 6 und 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.This task is solved with the features specified in claims 1, 6 and 7. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims.

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Bereitstellen eines Drehmoments, umfassend

  • - einen Verbrennungsmotor,
  • - eine Zuführeinheit zum Zuführen von Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor, umfassend
    • ◯ einen ersten Zuführkanal und
    • ◯ einen zweiten Zuführkanal, der in den ersten Zuführkanal mündet,
  • - eine Abführeinheit zum Abführen der im Verbrennungsmotor erzeugten Abgase, umfassend
    • ◯ einen ersten Abführkanal und
    • ◯ einen zweiten Abführkanal, der aus dem ersten Abführkanal abzweigt, wobei im zweiten Abführkanal ein ansteuerbares zweites Abführkanal-Schließelement angeordnet ist,
  • - einen ersten Turbolader zum Verdichten der zum Verbrennungsmotor zugeführten Verbrennungsluft, wobei der erste Turbolader
    • ◯ einen im ersten Zuführkanal angeordneten ersten Verdichter und
    • ◯ eine im ersten Abführkanal angeordnete erste Turbine umfasst,
  • - einen zweiten Turbolader zum Verdichten der zum Verbrennungsmotor zugeführten Verbrennungsluft, wobei der zweite Turbolader
    • ◯ einen im zweiten Zuführeinheit angeordneten zweiten Verdichter und
    • ◯ eine im zweiten Abführkanal angeordnete zweite Turbine umfasst, und
    • ◯ einen zweiten Elektromotor zum Antreiben des zweiten Verdichters aufweist, und
  • - eine Ansteuerungseinheit, mit welcher das zweite Abführkanal-Schließelement und der zweite Elektromotor ansteuerbar sind.
One embodiment of the invention relates to a drive device for providing a torque, comprising
  • - an internal combustion engine,
  • - a supply unit for supplying combustion air to the internal combustion engine, comprising
    • ◯ a first feed channel and
    • ◯ a second feed channel which opens into the first feed channel,
  • - a discharge unit for discharging the exhaust gases generated in the internal combustion engine
    • ◯ a first discharge channel and
    • ◯ a second discharge channel which branches off from the first discharge channel, a controllable second discharge channel closing element being arranged in the second discharge channel,
  • - a first turbocharger for compressing the combustion air supplied to the internal combustion engine, the first turbocharger
    • ◯ a first compressor arranged in the first feed channel and
    • ◯ comprises a first turbine arranged in the first discharge channel,
  • - a second turbocharger for compressing the combustion air supplied to the internal combustion engine, the second turbocharger
    • ◯ a second compressor arranged in the second feed unit and
    • ◯ comprises a second turbine arranged in the second discharge channel, and
    • ◯ has a second electric motor for driving the second compressor, and
  • - A control unit with which the second discharge channel closing element and the second electric motor can be controlled.

Aufgrund der Tatsache, dass der zweite Verdichter des zuschaltbaren zweiten Turboladers mit dem zweiten Elektromotor angetrieben werden kann, kann dieser schneller auf die gewünschte Drehzahl beschleunigt werden als für den Fall, dass der zweite Verdichter ausschließlich mit der mit dem Abgasstrom beaufschlagten zweiten Turbine angetrieben wird. Der zuvor beschriebene Abfall des vom Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments beim Zuschalten des zweiten Turboladers wird folglich vermindert. Dabei kann der zweite Elektromotor nach dem Zuschalten des zweiten Turboladers aktiviert werden. Es ist aber auch möglich, den zweiten Elektromotor bereits vor dem Zuschalten des zweiten Turboladers mit der Ansteuerungseinheit zu aktivieren. Zum Zeitpunkt des Zuschaltens dreht der zweite Turbolader folglich schon mit einer bestimmten Drehzahl und muss vom zweiten Elektromotor nicht erst vom Stillstand auf die gewünschte Drehzahl gebracht werden. Hierdurch kann der Abfall des vom Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments gering gehalten werden.Due to the fact that the second compressor of the switchable second turbocharger can be driven with the second electric motor, it can be accelerated to the desired speed more quickly than in the case where the second compressor is driven exclusively by the second turbine supplied with the exhaust gas flow. The previously described drop in torque delivered by the internal combustion engine when the second turbocharger is switched on is consequently reduced. The second electric motor can be activated after the second turbocharger has been switched on. However, it is also possible to activate the second electric motor with the control unit before the second turbocharger is switched on. At the time of switching on, the second turbocharger is already rotating at a certain speed and does not have to be brought from a standstill to the desired speed by the second electric motor. As a result, the drop in torque delivered by the internal combustion engine can be kept low.

Es können über den zweiten Turbolader hinaus noch weitere, entsprechend ausgebildete Turbolader vorgesehen sein. Sämtliche Turbolader sind parallel geschaltet. Die betreffenden Ausführungen zum zweiten Turbolader gelten sinngemäß auch für die weiteren Turbolader. Dabei sind die Turbolader vorzugsweise gleich dimensioniert, wobei aber nicht ausgeschlossen ist, dass sie nicht baugleich sind.In addition to the second turbocharger, further, appropriately designed turbochargers can be provided. All turbochargers are connected in parallel. The relevant comments on the second turbocharger also apply mutatis mutandis to the other turbochargers. The turbochargers are preferably of the same dimensions, although it cannot be ruled out that they are not identical in construction.

Der Begriff „Ansteuerungseinheit“ ist nicht so zu verstehen, dass ausschließlich eine Steuerung der Antriebsvorrichtung vorgenommen werden kann. Vielmehr kann die Ansteuerungseinheit auch eine Regelung vornehmen oder auf eine andere Weise auf die Antriebsvorrichtung einwirken.The term “control unit” is not to be understood to mean that only the drive device can be controlled. Rather, the control unit can also carry out regulation or act on the drive device in another way.

Der Verbrennungsmotor kann als ein Ottomotor oder Dieselmotor ausgestaltet sein und mit fossilen Brennstoffen wie Benzin oder Erdgas oder mit anderen Energieträgern wie Wasserstoff betrieben werden. Die Bauart, beispielsweise Reihen- oder V-Motor sowie die Anzahl der Zylinder kann beliebig gewählt werden.The internal combustion engine can be designed as a gasoline engine or diesel engine and can be operated with fossil fuels such as gasoline or natural gas or with other energy sources such as hydrogen. The design, for example in-line or V-engine, as well as the number of cylinders can be chosen arbitrarily.

Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform können

  • - der erste Turbolader einen ersten Drehzahlmesser zum Bestimmen der Drehzahl des ersten Turboladers und
  • - der zweite Turbolader einen zweiten Drehzahlmesser zum Bestimmen der Drehzahl des zweiten Turboladers aufweisen, wobei
  • - die bestimmten Drehzahlen der Ansteuerungseinheit zugeführt werden können.
According to another embodiment, you can
  • - the first turbocharger has a first tachometer for determining the speed of the first turbocharger and
  • - the second turbocharger has a second tachometer for determining the speed of the second turbocharger, wherein
  • - the specific speeds can be supplied to the control unit.

Die Drehzahlen können beispielsweise in Umdrehungen pro Minute angegeben werden. Für das vom Verbrennungsmotor abgegebene Drehmoment ist die Drehzahl der Verdichter relevant. Es soll im Folgenden angenommen werden, dass die Verdichter und die Turbinen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, ohne dass ein Unter- oder Übersetzungsgetriebe zwischengeschaltet ist. Infolgedessen drehen der Verdichter und die Turbine eines Turboladers mit derselben Drehzahl, so dass im Folgenden auch von der Drehzahl des betrachteten Turboladers gesprochen werden kann.The speeds can be specified, for example, in revolutions per minute. The speed of the compressor is relevant for the torque delivered by the combustion engine. It will be assumed below that the compressors and the turbines are arranged on a common shaft without a sub-gear or transmission gear being interposed. As a result, the compressor and the turbine of a turbocharger rotate at the same speed, so that in the following we can also speak of the speed of the turbocharger under consideration.

Die Werte der ermittelten aktuellen Drehzahlen des ersten Turboladers und des zweiten Turboladers werden der Ansteuerungseinheit zugeführt. Die Ansteuerungseinheit kann dabei die Drehzahlen des ersten Turboladers und des zweiten Turboladers miteinander vergleichen. Sobald der zweite Turbolader die Drehzahl des ersten Turboladers erreicht oder annähernd erreicht hat, kann der zweite Elektromotor deaktiviert werden. Der zweite Elektromotor kann daher nur so lange betrieben werden, wie es notwendig ist, um den Abfall des vom Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments zu verringern. Unnötige Laufzeiten des zweiten Elektromotors und der diesbezügliche Energieverbrauch werden minimiert. Zudem lassen sich auffällige Abweichungen der Drehzahlen des ersten Turboladers und des zweiten Turboladers identifizieren, die auf Beschädigungen in der Antriebsvorrichtung hindeuten können.The values of the determined current speeds of the first turbocharger and the second turbocharger are fed to the control unit. The control unit can compare the speeds of the first turbocharger and the second turbocharger with each other. As soon as the second turbocharger has reached or approximately reached the speed of the first turbocharger, the second electric motor can be deactivated. The second electric motor can therefore only be operated for as long as is necessary to reduce the drop in torque output by the internal combustion engine. Unnecessary running times of the second electric motor and the associated energy consumption are minimized. In addition, noticeable deviations in the speeds of the first turbocharger and the second turbocharger can be identified, which can indicate damage to the drive device.

In einer weitergebildeten Ausführungsform kann

  • - im ersten Zuführkanal ein Drucksensor zum Bestimmen des Drucks der zugeführten Verbrennungsluft angeordnet sein, wobei
  • - der bestimmte Druck der Ansteuerungseinheit zugeführt werden kann.
In a further developed embodiment can
  • - A pressure sensor for determining the pressure of the supplied combustion air can be arranged in the first supply channel, whereby
  • - the specific pressure can be supplied to the control unit.

Mit dem Drucksensor kann der Druck der verdichteten Verbrennungsluft, die dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, bestimmt werden. Hieraus lässt sich das Verdichterdruckverhältnis bestimmen, dem der aktuelle Betriebspunkt des Verbrennungsmotors abgeleitet und entschieden werden kann, ob der zweite Turbolader zugeschaltet oder wieder abgeschaltet werden kann.The pressure sensor can be used to determine the pressure of the compressed combustion air supplied to the internal combustion engine. From this the compressor pressure ratio can be determined, from which the current operating point of the internal combustion engine can be derived and a decision can be made as to whether the second turbocharger can be switched on or switched off again.

Bei einer weitergebildeten Ausführungsform kann im zweiten Zuführkanal ein zweites Zuführkanal-Schließelement angeordnet sein, welches mit der Ansteuerungseinheit ansteuerbar ist. Wie erwähnt, ist die zweite Turbine im zweiten Abführkanal angeordnet, wo sich auch das zweite Abführkanal-Schließelement befindet. Da der zweite Verdichter mit der zweiten Turbine angetrieben wird, kann mit dem Öffnen und Schließen des zweiten Abführkanal-Schließelements der zweite Turbolader aktiviert und deaktiviert werden. Zum Erreichen der eingangs genannten technischen Effekte ist es daher nicht zwingend notwendig, im zweiten Zuführkanal das zweite Zuführ-Schließelement vorzusehen. Da aber der Druck der verdichteten Verbrennungsluft aufgrund der Parallelschaltung des ersten Verdichters und des zweiten Verdichters ohne das zweite Zuführkanal-Schließelement auch am Ausgang des zweiten Verdichters anliegen würde, bestünde die Gefahr, den zweiten Verdichter jenseits der Pumpgrenze und damit in einem instabilen Bereich zu betreiben. Durch Schließen des zweiten Zuführkanal-Schließelements kann der zweite Verdichter vom Druck in der übrigen Zuführeinheit entkoppelt werden, so dass instabile Betriebszustände vermieden werden. Wenn der zweite Turbolader zugeschaltet wird, wird das zweite Zuführkanal-Schließelement geöffnet und beim Abschalten geschlossen. Zur Vermeidung der beschriebenen instabilen Betriebszustände kann es vorgesehen sein, das zweite Zuführkanal-Schließelement zeitversetzt zum zweiten Abführkanal-Schließelement zu betätigen.In a further developed embodiment, a second feed channel closing element can be arranged in the second feed channel, which can be controlled with the control unit. As mentioned, the second turbine is arranged in the second discharge channel, where the second discharge channel closing element is also located. Since the second compressor is driven by the second turbine, the second turbocharger can be activated and deactivated by opening and closing the second discharge channel closing element. In order to achieve the technical effects mentioned at the beginning, it is therefore not absolutely necessary to provide the second feed closing element in the second feed channel. However, since the pressure of the compressed combustion air would also be present at the outlet of the second compressor due to the parallel connection of the first compressor and the second compressor without the second supply channel closing element, there would be a risk of operating the second compressor beyond the surge limit and thus in an unstable area . By closing the second feed channel closing element, the second compressor can be decoupled from the pressure in the remaining feed unit, so that unstable operating states are avoided. When the second turbocharger is switched on, the second feed channel closing element is opened and closed when switched off. In order to avoid the unstable operating states described, it can be provided that the second feed channel closing element is actuated at a time offset from the second discharge channel closing element.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann der erste Turbolader einen ersten Elektromotor zum Antreiben des ersten Verdichters aufweisen. Wie erwähnt, ist der erste Turbolader üblicherweise ständig aktiv, so dass im Betrieb der Antriebsvorrichtung das eingangs beschriebene Turboloch auftritt. Mit dem ersten Elektromotor kann die Drehzahl des ersten Turboladers auch bei geringem Abgasstrom erhöht werden, so dass das Turboloch gering gehalten werden kann.In a further embodiment, the first turbocharger may have a first electric motor for driving the first compressor. As mentioned, the first turbocharger is usually constantly active, so that the turbo lag described above occurs during operation of the drive device. With the first electric motor, the speed of the first turbocharger can be increased even when the exhaust gas flow is low, so that the turbo lag can be kept low.

Eine Ausbildung der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach einer der zuvor erläuterten Ausführungsformen, umfassend die folgenden Schritte:

  • - Bestimmen der Drehzahl des ersten Turboladers mittels des ersten Drehzahlmessers und Zuführen der bestimmten Drehzahl zur Ansteuerungseinheit,
  • - Bestimmen des Drucks der zugeführten Verbrennungsluft im ersten Zuführkanal mit dem Drucksensor und Zuführen des bestimmten Drucks zur Ansteuerungseinheit,
  • - Festlegen eines Schalt-Betriebspunkts des Verbrennungsmotors, zu dem das zweite Zuführkanal-Schließelement zum Zuschalten des zweiten Turboladers geöffnet werden soll und Festlegen einer Drehzahl, mit welcher der zweite Turbolader am Schalt-Betriebspunkt drehen soll, mittels der Ansteuerungseinheit,
  • - Bestimmen des aktuellen Betriebspunkts des Verbrennungsmotors unter Verwendung der bestimmten Drehzahl des ersten Turboladers und des bestimmten Drucks der zugeführten Verbrennungsluft und unter Berücksichtigung eines auf der Ansteuerungseinheit hinterlegten Verdichterkennlinienfeldes,
  • - Vergleichen des aktuellen Betriebspunkts mit dem Schalt-betriebspunkt, und
  • - Entsprechendes Ansteuern des zweiten Zuführkanal-Schließelements und des zweiten Elektromotors mittels der Ansteuerungseinheit, wenn der aktuelle Betriebspunkt dem Schalt-Betriebspunkt entspricht.
One embodiment of the invention relates to a method for operating a drive device according to one of the previously explained embodiments, comprising the following steps:
  • - Determining the speed of the first turbocharger using the first tachometer and supplying the specific speed to the control unit,
  • - Determining the pressure of the supplied combustion air in the first supply channel with the pressure sensor and supplying the specific pressure to the control unit,
  • - Determining a switching operating point of the internal combustion engine at which the second feed channel closing element should be opened to switch on the second turbocharger and determining a speed at which the second turbocharger should rotate at the switching operating point by means of the control unit,
  • - Determining the current operating point of the internal combustion engine using the specific speed of the first turbocharger and the specific pressure of the combustion air supplied and taking into account a compressor characteristic field stored on the control unit,
  • - Comparing the current operating point with the switching operating point, and
  • - Corresponding control of the second feed channel closing element and the second electric motor by means of the control unit when the current operating point corresponds to the switching operating point.

Die technischen Effekte und Vorteile, die sich mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren erreichen lassen, entsprechen denjenigen, die für die vorliegende Antriebsvorrichtung erörtert worden sind. Zusammenfassend sei auf Folgendes hingewiesen: Aufgrund der Tatsache, dass der zweite Verdichter des zuschaltbaren zweiten Turboladers mit dem zweiten Elektromotor angetrieben werden kann, kann dieser schneller auf die gewünschte Drehzahl beschleunigt werden als für den Fall, dass der zweite Verdichter ausschließlich mit der mit dem Abgasstrom beaufschlagten zweiten Turbine angetrieben wird. Der zuvor beschriebene Abfall des vom Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments beim Zuschalten des zweiten Turboladers wird folglich vermindert. Dabei kann der Drehzahlmesser auch in Form eines Frequenzumrichters des Elektromotors ausgestaltet sein.The technical effects and advantages that can be achieved with the proposed method correspond to those that have been discussed for the present drive device. In summary, the following should be noted: Due to the fact that the second compressor of the switchable second turbocharger can be driven with the second electric motor, it can be accelerated to the desired speed more quickly than in the case where the second compressor operates exclusively with the exhaust gas flow loaded second turbine is driven. The previously described drop in torque delivered by the internal combustion engine when the second turbocharger is switched on is consequently reduced. The tachometer can also be designed in the form of a frequency converter of the electric motor.

Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zum Durchführen des Verfahrens nach einer der zuvor diskutierten Ausbildung.One embodiment of the invention relates to a computer program product with a program code that is stored on a computer-readable medium for carrying out the method according to one of the previously discussed embodiments.

Die technischen Effekte und Vorteile, die sich mit dem vorschlagsgemäßen Computerprogrammprodukt erreichen lassen, entsprechen denjenigen, die für die vorliegende Antriebsvorrichtung erörtert worden sind.The technical effects and advantages that can be achieved with the proposed computer program product correspond to those that have been discussed for the present drive device.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, jeweils anhand einer prinzipiellen Darstellung, und
  • 3 ein Verdichterkennlinienfeld, welches zum Betreiben der Antriebsvorrichtung verwendet werden kann.
Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the attached drawings are explained in more detail. Show it
  • 1 a first embodiment of a drive device according to the present invention,
  • 2 a second exemplary embodiment of a drive device according to the present invention, each based on a basic representation, and
  • 3 a compressor characteristic field that can be used to operate the drive device.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 101 zum Bereitstellen eines Drehmoments, welche beispielsweise zum Antreiben eines Schiffs oder eines Generators verwendet werden kann. Die Antriebsvorrichtung 101 ist mit einem Verbrennungsmotor 12 ausgestattet, der mittels einer Zuführeinheit 14 mit Verbrennungsluft beaufschlagt werden kann. Die Zuführeinheit 14 umfasst einen ersten Zuführkanal 16, einen zweiten Zuführkanal 18 und einen dritten Zuführkanal 20, wobei der zweite Zuführkanal 18 und der dritte Zuführkanal 20 in den ersten Zuführkanal 16 münden. 1 shows a first exemplary embodiment of a drive device 10 1 according to the invention for providing a torque, which can be used, for example, to drive a ship or a generator. The drive device 10 1 is equipped with an internal combustion engine 12, which can be supplied with combustion air by means of a supply unit 14. The feed unit 14 comprises a first feed channel 16, a second feed channel 18 and a third feed channel 20, the second feed channel 18 and the third feed channel 20 opening into the first feed channel 16.

Die im Verbrennungsmotor 12 erzeugten Abgase können mittels einer Abführeinheit 22 abgeführt werden. Die Abführeinheit 22 weist einen ersten Abführkanal 24, einen zweiten Abführkanal 26 und einen dritten Abführkanal 28 auf. Der zweite Abführkanal 26 und der dritte Abführkanal 28 zweigen vom ersten Abführkanal 24 ab.The exhaust gases generated in the internal combustion engine 12 can be removed by means of a discharge unit 22. The discharge unit 22 has a first discharge channel 24, a second discharge channel 26 and a third discharge channel 28. The second discharge channel 26 and the third discharge channel 28 branch off from the first discharge channel 24.

Zur besseren graphischen Unterscheidung sind der erste Zuführkanal 16, der zweite Zuführkanal 18 und der dritte Zuführkanal 20 gestrichelt dargestellt.For better graphical differentiation, the first feed channel 16, the second feed channel 18 and the third feed channel 20 are shown in dashed lines.

Ferner weist die Antriebsvorrichtung 101 einen ersten Turbolader 30 auf, der einen im ersten Zuführkanal 16 angeordneten ersten Verdichter 32 und eine im ersten Abführkanal 24 angeordnete erste Turbine 34 aufweist. Ein zweiter Turbolader 36 umfasst einen im zweiten Zuführkanal 18 angeordneten zweiten Verdichter 38 und eine im zweiten Abführkanal 26 angeordnete zweite Turbine 40 auf. Ein dritter Turbolader 42 umfasst einen im dritten Zuführkanal 20 angeordneten dritten Verdichter 44 und eine im dritten Abführkanal 28 angeordnete dritte Turbine 46 auf.Furthermore, the drive device 10 1 has a first turbocharger 30, which has a first compressor 32 arranged in the first supply channel 16 and a first turbine 34 arranged in the first discharge channel 24. A second turbocharger 36 includes a second compressor 38 arranged in the second supply channel 18 and a second turbine 40 arranged in the second discharge channel 26. A third turbocharger 42 includes a third compressor 44 arranged in the third supply channel 20 and a third turbine 46 arranged in the third discharge channel 28.

Zwischen dem zweiten Verdichter 38 und dem ersten Zuführkanal 16 ist ein zweites Zuführkanal-Schließelement 48 im zweiten Zuführkanal 18 angeordnet. Entsprechend ist zwischen dem dritten Verdichter 44 und dem ersten Zuführkanal 16 ein drittes Zuführkanal-Schließelement 50 im dritten Zuführkanal 20 angeordnet.A second feed channel closing element 48 is arranged in the second feed channel 18 between the second compressor 38 and the first feed channel 16. Accordingly, a third feed channel closing element 50 is arranged in the third feed channel 20 between the third compressor 44 and the first feed channel 16.

Zwischen dem ersten Abführkanal 24 und der zweiten Turbine 40 ist im zweiten Abführkanal 26 ein zweites Abführkanal-Schließelement 52 angeordnet. Entsprechend ist zwischen dem ersten Abführkanal 24 und der dritten Turbine 46 ein drittes Abführkanal-Schließelement 54 im dritten Abführkanal 28 angeordnet.A second discharge channel closing element 52 is arranged in the second discharge channel 26 between the first discharge channel 24 and the second turbine 40. Accordingly, a third discharge channel closing element 54 is arranged in the third discharge channel 28 between the first discharge channel 24 and the third turbine 46.

Weiterhin ist der erste Turbolader 30 mit einem ersten Elektromotor 56 ausgestattet, mit welcher der erste Turbolader 30 und insbesondere der erste Verdichter 32 angetrieben werden kann. Entsprechend sind der zweite Turbolader 36 mit einem zweiten Elektromotor 58 und der dritte Turbolader 42 mit einem dritten Elektromotor 60 versehen. Es können noch weitere Turbolader vorgesehen sein (nicht dargestellt).Furthermore, the first turbocharger 30 is equipped with a first electric motor 56, with which the first turbocharger 30 and in particular the first compressor 32 can be driven. Accordingly, the second turbocharger 36 is provided with a second electric motor 58 and the third turbocharger 42 is provided with a third electric motor 60. Additional turbochargers can be provided (not shown).

Ferner ist im ersten Zuführkanal 16 ein Ladeluftkühler 62 vorgesehen. Der Verbrennungsmotor 12 ist im dargestellten Beispiel als ein V16-Motor ausgestaltet, so dass sich der erste Zuführkanal 16 entsprechend verzweigt, um die Verbrennungsluft in jeden der 16 Zylinder 64 führen zu können. Der erste Abführkanal 24 weist eine entsprechende Verzweigung auf, um das Abgas aus jedem der 16 Zylinder 64 abführen zu können.Furthermore, an intercooler 62 is provided in the first feed channel 16. In the example shown, the internal combustion engine 12 is designed as a V16 engine, so that the first supply channel 16 branches accordingly in order to be able to guide the combustion air into each of the 16 cylinders 64. The first discharge channel 24 has a corresponding branch in order to be able to discharge the exhaust gas from each of the 16 cylinders 64.

Darüber hinaus ist die Antriebsvorrichtung 101 mit einer Ansteuerungseinheit 66 ausgestattet, welche mit nicht dargestellten Steuerleitungen mit dem ersten Elektromotor 56, dem zweiten Elektromotor 58, dem dritten Elektromotor 60, dem zweiten Zuführkanal-Schließelement 48, dem dritten Zuführkanal-Schließelement 50, dem zweiten Abführkanal-Schließelement 52 und dem dritten Abführkanal-Schließelement 54 verbunden ist.In addition, the drive device 10 1 is equipped with a control unit 66, which has control lines (not shown) with the first electric motor 56, the second electric motor 58, the third electric motor 60, the second feed channel closing element 48, the third feed channel closing element 50, the second Discharge channel closing element 52 and the third discharge channel closing element 54 is connected.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 102, welche im Wesentlichen genauso aufgebaut ist wie die Antriebsvorrichtung 101 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Daher wird im Folgenden nur auf die wichtigsten Unterschiede eingegangen. 2 shows a second exemplary embodiment of the drive device 10 2 according to the invention, which is constructed essentially in the same way as the drive device 10 1 according to the first exemplary embodiment. Therefore, only the most important differences will be discussed below.

Ein Unterschied ist, dass die Antriebsvorrichtung 102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel einen Drucksensor 68 aufweist, der im ersten Zuführkanal 16 angeordnet ist. Dieser Drucksensor 68 ist auf nicht gezeigte Weise mit der Ansteuerungseinheit 66 verbunden. Ferner weist der erste Turbolader 30 einen ersten Drehzahlmesser 70, der zweite Turbolader 36 einen zweiten Drehzahlmesser 72 und der dritte Turbolader 46 einen dritten Drehzahlmesser 74 auf, mit welchen ihre Drehzahl bestimmt werden kann. Der erste Drehzahlmesser 70, der zweite Drehzahlmesser 72 und der dritte Drehzahlmesser 74 sind auf nicht gezeigte Weise mit der Ansteuerungseinheit 66 verbunden.One difference is that the drive device 10 2 according to the second exemplary embodiment has a pressure sensor 68 which is arranged in the first feed channel 16. This pressure sensor 68 is connected to the control unit 66 in a manner not shown. Furthermore, the first turbocharger 30 has a first tachometer 70, the second turbocharger 36 has a second tachometer 72 and the third turbocharger 46 has a third tachometer 74, with which their speed can be determined. The first tachometer 70, the second tachometer 72 and the third tachometer 74 are connected to the control unit 66 in a manner not shown.

In 3 ist ein Verdichterkennlinienfeld 76 dargestellt, anhand dessen ein Verfahren erörtert werden soll, mit welchem die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 101, 102 nach dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel betrieben werden kann.In 3 a compressor characteristic field 76 is shown, based on which a method will be discussed with which the drive device 10 1 , 10 2 according to the invention can be operated according to the first exemplary embodiment and the second exemplary embodiment.

Im Verdichterkennlinienfeld 76 ist das vom ersten Verdichter 32 bereitgestellte Verdichterdruckverhältnis π über den Massestrom m durch den ersten Verdichter 32 aufgetragen. Das Verdichterdruckverhältnis π beschreibt dabei den Druck der Verbrennungsluft am Ausgang des ersten Verdichters 32 bezogen auf den Druck am Eingang. Das Verdichterdruckverhältnis π liegt dabei folglich bei 1 oder höher und steigt mit zunehmender Verdichtung der Verbrennungsluft.In the compressor characteristic field 76, the compressor pressure ratio π provided by the first compressor 32 is plotted against the mass flow m through the first compressor 32. The compressor pressure ratio π describes the pressure of the combustion air at the outlet of the first compressor 32 based on the pressure at the inlet. The compressor pressure ratio π is therefore 1 or higher and increases with increasing compression of the combustion air.

Eine Pumpgrenze P begrenzt den linken Rand des dargestellten Verdichterkennlinienfeldes 76. Im Bereich links der Pumpgrenze P liegen kleine Masseströme m bei hohen Verdichterdruckverhältnissen π vor, wodurch sich die Strömung von den Verdichterschaufeln des ersten Verdichters 32 lösen kann. Der Fördervorgang wird dadurch unterbrochen und es stellt sich ein instabiler Betriebszustand des ersten Verdichters 32 ein.A surge limit P limits the left edge of the illustrated compressor characteristic curve field 76. In the area to the left of the surge limit P there are small mass flows m at high compressor pressure ratios π, whereby the flow can separate from the compressor blades of the first compressor 32. The delivery process is thereby interrupted and an unstable operating state of the first compressor 32 occurs.

Weiterhin sind im Verdichterkennlinienfeld 76 Linien gleicher Drehzahl nconst und Linien gleichen Wirkungsgrades ηconst eingezeichnet. Die Drehzahlen n beziehen sich primär auf den ersten Verdichter 32. Da aber der erste Verdichter 32 und die erste Turbine 34 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, ohne dass eine Übersetzung oder Untersetzung mittels eines Getriebes vorgenommen wird, ist die dargestellte Drehzahl des ersten Verdichters 32 auch gleich der Drehzahl der ersten Turbine 34. Eine weitergehende Unterscheidung ist nicht notwendig, so dass auch von einer Drehzahl des Turboladers gesprochen werden kann.Furthermore, 76 lines of the same speed n const and lines of the same efficiency η const are drawn in the compressor characteristic curve field. The speeds n refer primarily to the first compressor 32. However, since the first compressor 32 and the first turbine 34 are arranged on a common shaft without any translation or reduction being carried out by means of a gear, the speed shown is the speed of the first compressor 32 also equal to the speed of the first turbine 34. A further distinction is not necessary, so that one can also speak of a speed of the turbocharger.

Die Drehzahlen n steigen von links nach rechts. Bei einer Stopfgrenze S liegt eine maximale Drehzahl n vor, die insbesondere aufgrund von strömungstechnischen Gründen und/oder aufgrund von Belastungsgrenzen infolge der auf den ersten Verdichter 32 wirkenden Fliehkräften nicht überschritten werden kann. Infolgedessen kann der erste Verdichter 32 innerhalb des von der Pumpgrenze P und der Stopfgrenze S begrenzten Bereichs des Verdichterkennlinienfeldes 76 stabil betrieben werden.The speeds n increase from left to right. At a stuffing limit S, there is a maximum speed n, which cannot be exceeded, in particular due to fluidic reasons and/or due to load limits as a result of the centrifugal forces acting on the first compressor 32. As a result, the first compressor 32 can be operated stably within the area of the compressor characteristic field 76 limited by the surge limit P and the stuffing limit S.

Der Wirkungsgrad η des ersten Verdichters 76 steigt zur Mitte hin an und erreicht innerhalb des mit ηopt bezeichneten Bereichs ein Optimum.The efficiency η of the first compressor 76 increases towards the middle and reaches an optimum within the range designated η opt .

Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Antriebsvorrichtung 101, 102 sind insgesamt vier Betriebspunkte B1 bis B4 des Verbrennungsmotors 12 Antriebsvorrichtung in das Verdichterkennlinienfeld 76 eingezeichnet. Die Linien, mit denen die Betriebspunkte B1 bis B4 verbunden sind, geben das vom Verbrennungsmotor 12 abgegebene Drehmoment M an. Es ist aber genauso gut möglich, die Linien als die vom Verbrennungsmotor 12 abgegebene Leistung aufzufassen, ohne dass sich an der Gültigkeit der folgenden Ausführungen etwas Wesentliches ändern würde.To illustrate the method according to the invention for operating the drive device 10 1 , 10 2 , a total of four operating points B1 to B4 of the internal combustion engine 12 drive device are shown in the compressor characteristic curve field 76. The lines with which the operating points B1 to B4 are connected indicate the torque M delivered by the internal combustion engine 12. However, it is just as possible to interpret the lines as the power delivered by the internal combustion engine 12 without significantly changing the validity of the following statements.

Die Antriebsvorrichtung 101, 102 wird auf folgende Weise betrieben: Im ersten Betriebspunkt B1 ist der Verbrennungsmotor 12 ausgestellt und sind das zweite Zuführkanal-Schließelement 48, das dritte Zuführkanal-Schließelement 50, das zweiten Abführkanal-Schließelement 52 und das dritte Abführkanal-Schließelement 54 geschlossen. Der Verbrennungsmotor 12 wird mittels einer hier nicht dargestellten Anlassereinheit angelassen, infolgedessen die hier nicht gesondert gezeigten Kolben in den Zylindern 64 eine Hin- und Herbewegung durchführen. Aufgrund dieser Bewegung wird Verbrennungsluft aus der Umgebung durch den ersten Zuführkanal 16 in die Zylinderräume gesaugt. Gleichzeitig wird der verwendete Brenn- oder Kraftstoff in die Zylinderräume eingespritzt. Je nach Art des Verbrennungsmotors 12 wird das komprimierte Verbrennungsluft-Kraftstoffgemisch mittels einer Zündkerze gezündet oder es entzündet sich selbst. Das infolge dieser Verbrennung entstehende Abgas wird durch den ersten Abführkanal 24 abgeführt, wobei es die erste Turbine 34 durchströmt. Infolge dieser Durchströmung wird die erste Turbine 34 in Drehung versetzt und treibt den ersten Verdichter 32 an, welcher die Verbrennungsluft im ersten Zuführkanal 16 verdichtet.The drive device 10 1 , 10 2 is operated in the following manner: In the first operating point B1, the internal combustion engine 12 is turned off and the second feed channel closing element 48, the third feed channel closing element 50, the second discharge channel closing element 52 and the third discharge channel closing element 54 closed. The internal combustion engine 12 is started by means of a starter unit, not shown here, as a result of which the pistons, not shown separately here, perform a back and forth movement in the cylinders 64. Due to this movement, combustion air from the environment is sucked into the cylinder spaces through the first supply channel 16. At the same time, the fuel used is injected into the cylinder chambers. Depending on the type of internal combustion engine 12, the compressed combustion air-fuel mixture is ignited by means of a spark plug or it ignites itself. The exhaust gas resulting from this combustion is discharged through the first discharge channel 24, flowing through the first turbine 34. As a result of this flow, the first turbine 34 is set in rotation and drives the first compressor 32, which compresses the combustion air in the first supply channel 16.

Wie erwähnt, ist der erste Turbolader 30 mit dem ersten Elektromotor 56 versehen. Mithilfe des ersten Elektromotors 56 wird der erste Turbolader 30 auf die gewünschte Drehzahl gebracht und solange auf dieser Drehzahl gehalten, bis dass der Abgasstrom ausreichend groß ist, um ohne die Unterstützung des ersten Elektromotors 56 den ersten Turbolader 30 auf der gewünschten Drehzahl zu halten. Der erste Elektromotor 56 kann dann abgeschaltet werden. Die gewünschte Drehzahl des ersten Elektromotors 56 kann von der Ansteuerungseinheit 66 vorgegeben werden. Die Ist-Drehzahl kann aus dem Frequenzumrichter des ersten Elektromotors 56 entnommen werden. Je nachdem, ob der erste Elektromotor 56 direkt mit dem ersten Turbolader 30 zusammenwirkt oder ein Getriebe zwischengeschaltet ist, kann entweder direkt oder mittels eines entsprechenden Korrekturfaktors auf die Drehzahl des ersten Turboladers 30 geschlossen werden.As mentioned, the first turbocharger 30 is provided with the first electric motor 56. With the help of the first electric motor 56, the first turbocharger 30 is brought to the desired speed and kept at this speed until the exhaust gas flow is sufficiently large to keep the first turbocharger 30 at the desired speed without the support of the first electric motor 56. The first electric motor 56 can then be switched off. The desired speed of the first electric motor 56 can be specified by the control unit 66. The actual speed can be taken from the frequency converter of the first electric motor 56. Depending on whether the first electric motor 56 interacts directly with the first turbocharger 30 or whether a transmission is interposed, the speed of the first turbocharger 30 can be inferred either directly or by means of a corresponding correction factor.

Generell steigt das Verdichterdruckverhältnis π der Verbrennungsluft mit steigender Drehzahl des ersten Verdichters 32 an. Mit zunehmender Verdichtung kann eine größere Menge an Sauerstoff in den Zylinderraum geführt werden, infolgedessen das abgegebene Drehmoment M des Verbrennungsmotors 12 gesteigert werden kann. Dies äußert sich in einer ansteigenden Verbindungslinie zwischen dem ersten Betriebspunkt B1 und dem zweiten Betriebspunkt B2.In general, the compressor pressure ratio π of the combustion air increases as the speed of the first compressor 32 increases. With increasing compression, a larger amount of oxygen can be introduced into the cylinder space, as a result of which the torque M delivered by the internal combustion engine 12 can be increased. This is expressed in a rising connecting line between the first operating point B1 and the second operating point B2.

Aus dem Verdichterkennlinienfeld 76 ist zu entnehmen, dass entlang der Verbindungslinie ausgehend vom ersten Betriebspunkt B1 zum zweiten Betriebspunkt B2 hin die Drehzahl n steigt und der Wirkungsgrad η des ersten Verdichters 32 sinkt. Im dargestellten Verdichterkennlinienfeld 76 werden im zweiten Betriebspunkt B2 des Verbrennungsmotors 12 das zweite Zuführkanal-Schließelement 48 und das zweite Abführkanal-Schließelement 52 infolge einer entsprechenden Ansteuerung der Ansteuerungseinheit 66 geöffnet, wodurch der zweite Turbolader 36 zugeschaltet wird. Der zweite Betriebspunkt B2 ist daher auch ein Schalt-Betriebspunkt. Entweder zeitgleich oder vor dem Erreichen des zweiten Betriebspunkts B2 wird der zweite Elektromotor 58 von der Ansteuerungseinheit 66 aktiviert, welcher den zweiten Turbolader 36 und insbesondere den zweiten Verdichter 38 antreibt. Der zweite Elektromotor 58 bleibt so lange aktiviert, bis dass der zweite Turbolader 36 eine Drehzahl n erreicht hat, welche der Drehzahl n des ersten Turboladers 30 entspricht oder annähernd entspricht. Ist dies der Fall, wird der zweite Elektromotor 58 ausgeschaltet. Das beim zweiten Betriebspunkt B2 anliegende Verdichterdruckverhältnis π kann nun vom ersten Turbolader 30 und vom zweiten Turbolader 36 bereitgestellt werden. Der Verbrennungsmotor 12 befindet sich nun im dritten Betriebspunkt B3. Das Zuschalten des zweiten Elektromotors 58 kann so durchgeführt werden, dass das Verdichterdruckverhältnis π beim Übergang vom zweiten Betriebspunkt B2 zum dritten Betriebspunkt B3 konstant bleibt oder nur unwesentlich sinkt. Bleibt das Verdichterdruckverhältnis π konstant, wie in 3 dargestellt, bleibt auch das vom Verbrennungsmotor abgegebene Drehmoment M konstant. Die Verbindungslinie zwischen dem zweiten Betriebspunkt B2 und dem dritten Betriebspunkt B3 verläuft daher parallel zur x-Achse. Man erkennt weiter, dass sich infolge des Zuschaltens des zweiten Turboladers 36 der Massestrom m durch den ersten Verdichter 32 halbiert und die Drehzahl n des ersten Verdichters 76 sinkt.From the compressor characteristic field 76 it can be seen that along the connecting line starting from the first operating point B1 to the second operating point B2, the speed n increases and the efficiency η of the first compressor 32 decreases. In the compressor characteristic field 76 shown, in the second operating point B2 of the internal combustion engine 12, the second supply channel closing element 48 and the second discharge channel closing element 52 are opened as a result of a corresponding activation of the control unit 66, whereby the second turbocharger 36 is switched on. The second operating point B2 is therefore also a switching operating point. Either at the same time or before reaching the second operating point B2, the second electric motor 58 is activated by the control unit 66, which drives the second turbocharger 36 and in particular the second compressor 38. The second electric motor 58 remains activated until the second turbocharger 36 has reached a speed n which corresponds or approximately corresponds to the speed n of the first turbocharger 30. If this is the case, the second electric motor 58 is switched off. The compressor pressure ratio π present at the second operating point B2 can now be provided by the first turbocharger 30 and the second turbocharger 36. The internal combustion engine 12 is now in the third operating point B3. The second electric motor 58 can be switched on in such a way that the compressor pressure ratio π remains constant or only decreases slightly during the transition from the second operating point B2 to the third operating point B3. If the compressor pressure ratio π remains constant, as in 3 shown, the torque M delivered by the internal combustion engine also remains constant. The connecting line between the second operating point B2 and the third operating point B3 therefore runs parallel to the x-axis. It can also be seen that as a result of switching on the second turbocharger 36, the mass flow m through the first compressor 32 is halved and the speed n of the first compressor 76 drops.

Da aber das vom Verbrennungsmotor 12 abgegebene Drehmoment M weiter gesteigert werden soll, muss auch das Verdichterdruckverhältnis π weiter steigen, weshalb die Drehzahl n des ersten Turboladers 30 wieder ansteigt. Auch die Drehzahl n des zweiten Turboladers 36 steigt entsprechend an. Wenn der erste Turbolader 30 und der zweite Turbolader 36 baugleich sind und mit demselben Abgasstrom beaufschlagt werden, gleichen sich ihre Drehzahlen n mehr oder weniger rasch an. Im Betriebszustand B4 wird dann der dritte Turbolader 42 auf dieselbe Weise zugeschaltet wie der zweite Turbolader 36. Hierzu werden das dritte Zuführkanal-Schließelement 50 und das dritte Abführkanal-Schließelement 54 geöffnet (zeichnerisch nicht dargestellt). Es kann eine maximale Drehzahl n definiert werden, mit der die drei Verdichter maximal drehen sollen. Bei dieser Drehzahl n ist das Verdichterdruckverhältnis π maximal hoch und der Verbrennungsmotor 12 gibt sein vorgesehenes maximales Drehmoment M ab.However, since the torque M delivered by the internal combustion engine 12 is to be further increased, the compressor pressure ratio π must also continue to increase, which is why the speed n of the first turbocharger 30 increases again. The speed n of the second turbocharger 36 also increases accordingly. If the first turbocharger 30 and the second turbocharger 36 are identical in construction and are subjected to the same exhaust gas flow, their speeds n equalize more or less quickly. In the operating state B4, the third turbocharger 42 is then switched on in the same way as the second turbocharger 36. For this purpose, the third feed channel closing element 50 and the third discharge channel closing element 54 are opened (not shown in the drawing). A maximum speed n can be defined at which the three compressors should rotate at their maximum. At this speed n, the compressor pressure ratio π is maximally high and the internal combustion engine 12 outputs its intended maximum torque M.

Sinkt das angeforderte Drehmoment M so weit ab, dass das hierzu benötigte Verdichterdruckverhältnis π mit dem ersten Turbolader 30 und dem zweiten Turbolader 36 bereitgestellt werden kann, wird der dritte Turbolader 42 abgeschaltet, wozu das dritte Zuführkanal-Schließelement 50 und das dritte Abführkanal-Schließelement 54 geschlossen werden.If the requested torque M drops to such an extent that the compressor pressure ratio π required for this can be provided with the first turbocharger 30 and the second turbocharger 36, the third turbocharger 42 is switched off, for which purpose the third supply channel closing element 50 and the third discharge channel closing element 54 getting closed.

Die Antriebsvorrichtung 102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel wird im Wesentlichen auf dieselbe Weise betrieben, welche für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist. Um den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 12 im Verdichterkennlininenfeld 76 bestimmen zu können, müssen zwei der drei Größen Massestrom ṁ, Drehzahl n und Verdichterdruckverhältnis π bekannt sein. Aufgrund der Tatsache, dass sowohl der Druck mit dem Drucksensor 68 als auch die Drehzahlen n des ersten Turboladers 30, des zweiten Turboladers 36 und des dritten Turboladers 42 mit dem ersten Drehzahlmesser 70, dem zweiten Drehzahlmesser 72 und dem dritten Drehzahlmesser 74 bestimmt werden können, kann der aktuell vorliegenden Betriebspunkt, an welchem der Verbrennungsmotor 12 betrieben wird, auf relativ einfache Weise bestimmt werden.The drive device 10 2 according to the second exemplary embodiment is operated in essentially the same manner as that described for the first exemplary embodiment. In order to be able to determine the operating point of the internal combustion engine 12 in the compressor characteristic field 76, two of the three variables mass flow ṁ, speed n and compressor pressure ratio π must be known. Due to the fact that both the pressure with the pressure sensor 68 and the speeds n of the first turbocharger 30, the second turbocharger 36 and the third turbocharger 42 can be determined with the first tachometer 70, the second tachometer 72 and the third tachometer 74, The current operating point at which the internal combustion engine 12 is operated can be determined in a relatively simple manner.

Insbesondere können Soll-Istwert-Abgleiche beispielsweise der vom zweiten Elektromotor 58 eingestellten Drehzahl n des zweiten Turboladers 36 durchgeführt werden. Wenn der Sollwert mit dem Istwert übereinstimmt, kann der zweite Elektromotor 58 beispielsweise aus energetischen Gründen abgeschaltet werden. Wenn sich aber ergibt, dass der Abgasstrom wider Erwarten nicht ausreichen sollte, um den zweiten Turbolader 36 auf der Solldrehzahl zu halten, kann der zweite Elektromotor 58 wieder eingeschaltet werden. Im zweiten Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung 102 können zumindest einige Größen von der Ansteuerungseinheit 66 geregelt werden. Infolgedessen lässt sich die Antriebsvorrichtung 102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel exakt und nahezu wunschgemäß betreiben.In particular, target/actual value comparisons, for example of the speed n of the second turbocharger 36 set by the second electric motor 58, can be carried out. If the setpoint matches the actual value, the second electric motor 58 can be switched off, for example for energy reasons. However, if it turns out that, contrary to expectations, the exhaust gas flow is not sufficient to keep the second turbocharger 36 at the target speed, the second electric motor 58 can be switched on again. In the second exemplary embodiment of the drive device 10 2, at least some variables can be controlled by the control unit 66. As a result, the drive device 10 2 according to the second exemplary embodiment can be operated exactly and almost as desired.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010
AntriebsvorrichtungDrive device
101101
AntriebsvorrichtungDrive device
102102
AntriebsvorrichtungDrive device
1212
VerbrennungsmotorInternal combustion engine
1414
ZuführeinheitFeeding unit
1616
erster Zuführkanalfirst feed channel
1818
zweiter Zuführkanal second feed channel
2020
dritter Zuführkanalthird feed channel
2222
Abführeinheitdischarge unit
2424
erster Abführkanalfirst discharge channel
2626
zweiter Abführkanalsecond discharge channel
2828
dritter Abführkanal third drainage channel
3030
erster Turboladerfirst turbocharger
3232
erster Verdichterfirst compressor
3434
erste Turbinefirst turbine
3636
zweiter Turboladersecond turbocharger
3838
zweiter Verdichter second compressor
4040
zweite Turbinesecond turbine
4242
dritter Turboladerthird turbocharger
4444
dritter Verdichterthird compressor
4646
dritte Turbinethird turbine
4848
zweites Zuführkanal-Schließelement second feed channel closing element
5050
drittes Zuführkanal-Schließelementthird feed channel closing element
5252
zweites Abführkanal-Schließelementsecond discharge channel closing element
5454
drittes Abführkanal-Schließelementthird discharge channel closing element
5656
erster Elektromotorfirst electric motor
5858
zweiter Elektromotorsecond electric motor
6060
dritter Elektromotorthird electric motor
6262
Ladeluftkühlerintercooler
6464
Zylindercylinder
6666
AnsteuerungseinheitControl unit
6868
Drucksensor Pressure sensor
7070
erster Drehzahlmesserfirst tachometer
7272
zweiter Drehzahlmessersecond tachometer
7474
dritter Drehzahlmesserthird tachometer
7676
Verdichterkennlinienfeld Compressor characteristic field
B1-B4B1-B4
Betriebspunkte VerbrennungsmotorInternal combustion engine operating points
MM
DrehmomentTorque
mm
MassestromMass flow
nn
Drehzahlnumber of revolutions
PP
PumpgrenzeSurge limit
SS
Stopfgrenze stuffing limit
ηη
WirkungsgradEfficiency
nn
VerdichterdruckverhältnisCompressor pressure ratio

Claims (7)

Antriebsvorrichtung (10) zum Bereitstellen eines Drehmoments, umfassend - einen Verbrennungsmotor (12), - eine Zuführeinheit zum Zuführen von Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor (12), umfassend o einen ersten Zuführkanal (16) und o einen zweiten Zuführkanal (18), der in den ersten Zuführkanal (16) mündet, - eine Abführeinheit (22) zum Abführen der im Verbrennungsmotor (12) erzeugten Abgase, umfassend o einen ersten Abführkanal (24) und o einen zweiten Abführkanal (26), der aus dem ersten Abführkanal (24) abzweigt, wobei im zweiten Abführkanal (26) ein ansteuerbares zweites Abführkanal-Schließelement (52) angeordnet ist, - einen ersten Turbolader (30) zum Verdichten der zum Verbrennungsmotor (12) zugeführten Verbrennungsluft, wobei der erste Turbolader (30) o einen im ersten Zuführkanal (16) angeordneten ersten Verdichter (32) und o eine im ersten Abführkanal (24) angeordnete erste Turbine (34) umfasst, und - einen zweiten Turbolader (36) zum Verdichten der zum Verbrennungsmotor (12) zugeführten Verbrennungsluft, wobei der zweite Turbolader (36) o einen im zweiten Zuführkanal (18) angeordneten zweiten Verdichter (38) und o eine im zweiten Abführkanal (26) angeordnete zweite Turbine (40) umfasst, und o einen zweiten Elektromotor (58) zum Antreiben des zweiten Verdichters (38) aufweist, und - eine Ansteuerungseinheit (66), mit welcher das zweite Abführkanal-Schließelement (52) und der zweite Elektromotor (58) ansteuerbar sind.Drive device (10) for providing a torque, comprising - an internal combustion engine (12), - a supply unit for supplying combustion air to the internal combustion engine (12), comprising o a first feed channel (16) and o a second feed channel (18) which opens into the first feed channel (16), - a discharge unit (22) for discharging the exhaust gases generated in the internal combustion engine (12). o a first discharge channel (24) and o a second discharge channel (26), which branches off from the first discharge channel (24), a controllable second discharge channel closing element (52) being arranged in the second discharge channel (26), - a first turbocharger (30) for compressing the combustion air supplied to the internal combustion engine (12), the first turbocharger (30) o a first compressor (32) arranged in the first feed channel (16) and o a first turbine (34) arranged in the first discharge channel (24), and - a second turbocharger (36) for compressing the combustion air supplied to the internal combustion engine (12), the second turbocharger (36) o a second compressor (38) arranged in the second feed channel (18) and o a second turbine (40) arranged in the second discharge channel (26), and o has a second electric motor (58) for driving the second compressor (38), and - A control unit (66) with which the second discharge channel closing element (52) and the second electric motor (58) can be controlled. Antriebsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Turbolader (30) einen ersten Drehzahlmesser (70) zu Bestimmen der Drehzahl des ersten Turboladers (30) und - der zweite Turbolader (36) einen zweiten Drehzahlmesser (72) zum Bestimmen der Drehzahl des zweiten Turboladers (36) aufweist, wobei - die bestimmten Drehzahlen der Ansteuerungseinheit (66) zugeführt werden können.Drive device (10). Claim 1 , characterized in that - the first turbocharger (30) has a first tachometer (70) for determining the speed of the first turbocharger (30) and - the second turbocharger (36) has a second tachometer (72) for determining the speed of the second turbocharger ( 36), whereby - the specific speeds can be supplied to the control unit (66). Antriebsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - im ersten Zuführkanal (16) ein Drucksensor (68) zum Bestimmen des Drucks der zugeführten Verbrennungsluft angeordnet ist, wobei - der bestimmte Druck der Ansteuerungseinheit (66) zugeführt werden kann.Drive device (10) according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that - in the first feed channel (16) a pressure sensor (68) is arranged to determine the pressure of the combustion air supplied, wherein - the specific pressure can be supplied to the control unit (66). Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zuführkanal (18) ein zweites Zuführkanal-Schließelement (48) angeordnet ist, welches mit der Ansteuerungseinheit (66) ansteuerbar ist.Drive device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a second feed channel closing element (48) is arranged in the second feed channel (18), which can be controlled with the control unit (66). Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Turbolader (30) einen ersten Elektromotor (56) zum Antreiben des ersten Verdichters (32) aufweist.Drive device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first turbocharger (30) has a first electric motor (56) for driving the first compressor (32). Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, umfassend die folgenden Schritte: - Bestimmen der Drehzahl des ersten Turboladers (30) mittels des ersten Drehzahlmessers (70) und Zuführen der bestimmten Drehzahl zur Ansteuerungseinheit (66), - Bestimmen des Drucks der zugeführten Verbrennungsluft im ersten Zuführkanal (16) mit dem Drucksensor (68) und Zuführen des bestimmten Drucks zur Ansteuerungseinheit (66), - Festlegen eines Schalt-Betriebspunkts des Verbrennungsmotors (12), zu dem das zweite Zuführkanal-Schließelement (48) zum Zuschalten des zweiten Turboladers (36) geöffnet werden soll und Festlegen einer Drehzahl, mit welcher der zweite Turbolader (36) am Schalt-Betriebspunkt drehen soll, mittels der Ansteuerungseinheit (66), - Bestimmen des aktuellen Betriebspunkts des Verbrennungsmotors (12) unter Verwendung der bestimmten Drehzahl des ersten Turboladers (30) und des bestimmten Drucks der zugeführten Verbrennungsluft und unter Berücksichtigung eines auf der Ansteuerungseinheit hinterlegten Verdichterkennlinienfeldes, - Vergleichen des aktuellen Betriebspunkts mit dem Schalt-Betriebspunkt, und - Entsprechendes Ansteuern des zweiten Zuführkanal-Schließelements (48) und des zweiten Elektromotors (58) mittels der Ansteuerungseinheit (66), wenn der aktuelle Betriebspunkt dem Schalt-Betriebspunkt entspricht.Method for operating a drive device (10) according to one of Claims 3 until 5 , comprising the following steps: - Determining the speed of the first turbocharger (30) by means of the first tachometer (70) and supplying the determined speed to the control unit (66), - Determining the pressure of the supplied combustion air in the first supply channel (16) with the pressure sensor (68) and supplying the specific pressure to the control unit (66), - determining a switching operating point of the internal combustion engine (12) at which the second feed channel closing element (48) should be opened to switch on the second turbocharger (36) and determining a Speed at which the second turbocharger (36) should rotate at the switching operating point, by means of the control unit (66), - determining the current operating point of the internal combustion engine (12) using the specific speed of the first turbocharger (30) and the specific pressure of the supplied combustion air and taking into account a compressor characteristic field stored on the control unit, - comparing the current operating point with the switching operating point, and - correspondingly controlling the second supply channel closing element (48) and the second electric motor (58) by means of the control unit (66), if the current operating point corresponds to the switching operating point. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 6.Computer program product with a program code stored on a computer-readable medium for carrying out the method Claim 6 .
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