DE102023123306A1 - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit innerer Verbrennung und Fremdzündung mit einem im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer (2) und mit einem Abgasturbolader (4), der mit einer elektrischen Maschine (12) in Verbindung steht. Ein hoher Wirkungsgrad kann dadurch erreicht werden, dass im integrierten Abgaskrümmer (2) eine Wärmeisolation vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft auch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine (1) und ein Verfahren zur Regelung eines derartigen Antriebssystems.The invention relates to an internal combustion engine (1) with internal combustion and spark ignition, with an exhaust manifold (2) integrated in the cylinder head and with an exhaust gas turbocharger (4), which is connected to an electric machine (12). High efficiency can be achieved by providing thermal insulation in the integrated exhaust manifold (2). The invention also relates to a drive system for a motor vehicle with such an internal combustion engine (1) and a method for controlling such a drive system.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und Fremdzündung mit einem im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer und mit einem Abgasturbolader, der mit einer elektrischen Maschine in Verbindung steht.The invention relates to an internal combustion engine with spark ignition with an exhaust manifold integrated in the cylinder head and with an exhaust gas turbocharger which is connected to an electrical machine.
Es ist seit langer Zeit bekannt, dass der Wirkungsgrad und die Leistung von Brennkraftmaschinen durch Aufladung mit einem Abgasturbolader verbessert werden können. Bei der Auslegung solcher Abgasturbolader besteht typischerweise ein Zielkonflikt zwischen hohem Wirkungsgrad und großer Leistung auf einer Seite und schnellem Ansprechverhalten auf der anderen Seite. Eine Möglichkeit, eine Verbesserung in beiden Aspekten zu bewirken besteht darin, einen so genannten E-Turbo einzusetzen. Dabei ist eine elektrische Maschine vorgesehen, die bei Bedarf den Abgasturbolader antreibt, wenn nicht ausreichend Leistung an der Turbine zur Verfügung steht. Umgekehrt kann bei höheren Drehzahlen elektrische Maschine als Generator betrieben werden, um Strom zur Aufladung einer Batterie zu erzeugen.It has long been known that the efficiency and performance of internal combustion engines can be improved by charging with an exhaust gas turbocharger. When designing such exhaust gas turbochargers, there is typically a conflict of objectives between high efficiency and high performance on the one hand and fast response behavior on the other. One way to improve both aspects is to use a so-called E-Turbo. An electric machine is provided that drives the exhaust gas turbocharger when necessary if there is not enough power available at the turbine. Conversely, at higher speeds, an electrical machine can be operated as a generator to generate electricity to charge a battery.
Aus der
Die vorliegende Erfindung geht von einer Brennkraftmaschine der oben beschriebenen Art aus. Solche Brennkraftmaschinen haben ein sehr gutes Ansprechverhalten, werden aber immer noch als verbesserungsfähig im Hinblick auf ihre Effizienz wahrgenommen. Insbesondere ist es schwierig, in einem gesamten Fahrzyklus eine ausreichende Menge an elektrischer Energie zu erzeugen, um den Verbrauch während des motorischen Betriebs auszugleichen. The present invention is based on an internal combustion engine of the type described above. Such internal combustion engines have a very good response, but are still perceived as having room for improvement in terms of their efficiency. In particular, it is difficult to generate a sufficient amount of electrical energy in an entire driving cycle to compensate for consumption during engine operation.
Ein im Zylinderkopf integrierter Abgaskrümmer bedeutet, dass die Auslasskanäle mehrerer Zylinder direkt, insbesondere ohne Zwischenschaltung eines separaten Sammlerbauteils in den Eintrittsbereich eines Turboladers münden.An exhaust manifold integrated into the cylinder head means that the exhaust ports of several cylinders open directly into the inlet area of a turbocharger, in particular without the interposition of a separate collector component.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Brennkraftmaschine anzugeben, die eine hohe Effizienz aufweist und deren elektrische Maschine gleichzeitig über einen typischen Fahrzyklus hinweg mindestens so viel elektrischen Strom erzeugt wie verbraucht. Die Brennkraftmaschine soll insbesondere für Hybridantriebe besonders geeignet sein und einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit denen ein E-Turbo optimal eingesetzt werden kann.The object of the present invention is to avoid these disadvantages and to provide an internal combustion engine which has high efficiency and whose electric machine simultaneously generates at least as much electrical power as it consumes over a typical driving cycle. The internal combustion engine should be particularly suitable for hybrid drives and have a simple and inexpensive structure. A further object of the present invention is to provide a drive system for a motor vehicle with high efficiency. In addition, a further task is to provide a method for operating an internal combustion engine with which an e-turbo can be used optimally.
Erfindungsgemäß ist im integrierten Abgaskrümmer eine Wärmeisolation vorgesehen. Es ist auf diese Weise möglich, aufgrund der höheren Temperaturen des Abgases in weiten Bereichen des Kennfelds eine höhere Energieausbeute an der Turbine des Abgasturboladers zu erzielen, ohne den Ladungswechsel des Motors dabei unzulässig nachteilig zu belasten.According to the invention, thermal insulation is provided in the integrated exhaust manifold. In this way, it is possible to achieve a higher energy yield on the turbine of the exhaust gas turbocharger due to the higher temperatures of the exhaust gas in wide areas of the map, without impermissibly detrimentally loading the engine's charge cycle.
Gleichzeitig ermöglicht es der integrierte Abgaskrümmer, die Strömungswege des Abgases sehr kurz zu halten, was vorteilhaft sowohl für den Wärmeverlust als auch für das Ansprechverhalten des Turboladers und damit der Brennkraftmaschine ist.At the same time, the integrated exhaust manifold makes it possible to keep the flow paths of the exhaust gas very short, which is advantageous both for heat loss and for the response behavior of the turbocharger and thus of the internal combustion engine.
Es ist an sich bekannt, eine thermische Isolation an einem Abgaskrümmer vorzusehen, um die Temperatur am Abgasturbolader zu erhöhen. Eine solche Lösung wird beispielsweise in der
Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch bewusst die Abkühlung der Abgase durch das Kühlmedium im Zylinderkopf stark reduziert, wobei jedoch gleichzeitig eine Überhitzung der Abgasturbine durch verschiedene temperatursenkende Maßnahmen der Motorsteuerung und Regelung vermieden wird. Eine typische Reduktion der ansonsten bei einem integrierten Abgaskrümmer üblichen Wärmeabgabe an das Kühlmittel liegt in einem Bereich zwischen 20% bis 50%. In the present invention, however, the cooling of the exhaust gases by the cooling medium in the cylinder head is deliberately greatly reduced, but at the same time overheating of the exhaust gas turbine is avoided by various temperature-reducing measures of the engine control and regulation. A typical reduction in the heat release to the coolant that is otherwise usual with an integrated exhaust manifold is in a range between 20% and 50%.
Eine solche temperatursenkende Maßnahme ist eine abgesenkte Volllastlinie, was bedeutet, dass der effektive Mitteldruck in Abhängigkeit von der Motordrehzahl gegenüber einem theoretisch möglichen Wert auf einen geringeren Grenzwert begrenzt wird. Dies verringert zwar die Höchstleistung der Brennkraftmaschine, ist aber insbesondere bei sogenannten Dedicated Hybrid Engines, also dezidierten Hybridmotoren tolerierbar ist.One such temperature-reducing measure is a lowered full load line, which means that the effective mean pressure is limited to a lower limit depending on the engine speed compared to a theoretically possible value. Although this reduces the maximum performance of the internal combustion engine, it is particularly tolerable in so-called dedicated hybrid engines.
Eine andere sehr wirkungsvolle Maßnahme ist es, ein besonders hohes Verdichtungsverhältnis in Zusammenhang mit einem alternativen Verbrennungsverfahren vorzusehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bieten sich hierbei insbesondere der Miller-Zyklus und der Atkinson-Zyklus an. Beim Miller-Zyklus wird das Einlassventil im Ansaugtakt vor Erreichen des unteren Totpunkts geschlossen, so dass die Ladeluftmenge begrenzt wird. Dadurch kann die Brennkraftmaschine mit einem als Expansionsverhältnis voll wirksamen sehr hohen geometrischen Verdichtungsverhältnis betrieben werden, ohne während der Gemischverdichtung die Klopfgrenze zu erreichen. Beim Atkinson-Zyklus wird das Einlassventil erst nach dem unteren Totpunkt geschlossen, wodurch ein Teil der Zylinderladung wieder in den Ansaugtrakt zurückfließt, was im Endeffekt eine ähnliche Wirkung hat. Die außerordentlich hohe Expansion im Verbrennungs- und Arbeitstakt äußert sich durch eine vergleichsweise niedrige End-bzw. Abgastemperatur.Another very effective measure is a particularly high compression ratio in connection with an alternative combustion process. In the context of the present invention, the Miller cycle and the Atkinson cycle are particularly suitable. In the Miller cycle, the intake valve is closed in the intake stroke before bottom dead center is reached, so that the amount of charge air is limited. This allows the internal combustion engine to be operated with a very high geometric compression ratio that is fully effective as an expansion ratio, without reaching the knock limit during mixture compression. In the Atkinson cycle, the intake valve is only closed after bottom dead center, causing some of the cylinder charge to flow back into the intake tract, which ultimately has a similar effect. The extraordinarily high expansion in the combustion and work cycle is reflected in a comparatively low final or. Exhaust gas temperature.
Eine weitere Maßnahme in diesem Zusammenhang ist eine externe Abgasrückführung, die vorzugsweise als Niederdruckabgasrückführung ausgebildet ist.A further measure in this context is external exhaust gas recirculation, which is preferably designed as a low-pressure exhaust gas recirculation.
Bevorzugt werden diese Maßnahmen miteinander kombiniert und miteinander abgestimmt. So kann beispielsweise die Menge des rückgeführten Abgases bei der Ventilverstellung berücksichtigt werden. Insbesondere beim Miller-Zyklus und beim Atkinson-Zyklus kann dabei die Zylinderfüllung gut eingestellt werden.These measures are preferably combined and coordinated with one another. For example, the amount of recirculated exhaust gas can be taken into account when adjusting the valve. The cylinder filling can be easily adjusted, particularly with the Miller cycle and the Atkinson cycle.
Insgesamt hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Vorsehen eines relativ großen Abgasturboladers bewährt, da auf diese Weise ein Verdichterwirkungsgrad von mehr als 70% bis etwa 75% erzielt werden kann.Overall, in the context of the present invention, the provision of a relatively large exhaust gas turbocharger has proven successful, since a compressor efficiency of more than 70% to approximately 75% can be achieved in this way.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist die Wärmeisolation als isolierende Beschichtung ausgeführt. Eine solche Beschichtung beispielsweise aus einem geeigneten Keramikmaterial hergestellt werden. Die Schicht kann aufgespritzt sein, als Email- oder Schlickerschicht aufgebracht sein oder auch als vorgefertigte Schalenstruktur vor oder nach dem Gießprozess eingebracht sein, beispielsweise in der Form von Prepregs.In a first preferred embodiment variant of the present invention, the thermal insulation is designed as an insulating coating. Such a coating can be made, for example, from a suitable ceramic material. The layer can be sprayed on, applied as an enamel or slip layer, or introduced as a prefabricated shell structure before or after the casting process, for example in the form of prepregs.
Eine alternative Ausführungsvariante vor, dass die Wärmeisolation als isolierender Einsatz ausgeführt ist. Ein sich über den Großteil der Länge des Einsatzes erstreckender Luftspalt isoliert das Abgas gegenüber dem gekühlten Zylinderkopf. Es kann ein isolierender Einsatz auch nur in einem Teil der Kanäle des Krümmers vorgesehen sein, auch wenn dadurch die erzielte Wirkung beschränkt ist.An alternative embodiment variant proposes that the thermal insulation is designed as an insulating insert. An air gap extending most of the length of the insert isolates the exhaust gas from the cooled cylinder head. An insulating insert can also be provided in only part of the manifold channels, even if this limits the effect achieved.
Die Erfindung betrifft auch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine der oben beschriebenen Art und mindestens einer weiteren elektrischen Maschine, die das Kraftfahrzeug alternativ oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine antreibt. Es handelt sich also um ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, bei dem die Brennkraftmaschine in den allermeisten Betriebspunkten in einem verbrauchsoptimalen Bereich betrieben oder eben ganz weggeschaltet werden kann. Insbesondere ermöglicht es das Hybridkonzept, eine abgesenkte Volllastkennlinie des Verbrennungsmotors zu realisieren, was wiederum für eine wirkungsgradgünstige Maximierung des Verdichtungsverhältnisses förderlich ist. Auf diese Weise können die bei der Aufladung erzielten Verbrauchsvorteile tatsächlich realisiert werden und gleichzeitig kann eine thermische Überbeanspruchung des Abgasturboladers vermieden werden.The invention also relates to a drive system for a motor vehicle with an internal combustion engine of the type described above and at least one further electrical machine that drives the motor vehicle alternatively or in addition to the internal combustion engine. It is therefore a motor vehicle with a hybrid drive in which the internal combustion engine can be operated in a consumption-optimal range in most operating points or can be switched off completely. In particular, the hybrid concept makes it possible to achieve a reduced full-load characteristic curve of the internal combustion engine, which in turn is beneficial for maximizing the compression ratio in an efficient manner. In this way, the consumption advantages achieved during charging can actually be realized and at the same time thermal overstressing of the exhaust gas turbocharger can be avoided.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Regelung eines oben beschriebenen Antriebssystems mit einer Brennkraftmaschine, bei dem die Leistung der elektrischen Maschine primär aufgrund einer Differenz zwischen einer Turboladersolldrehzahl und einer Turboladeristdrehzahl bestimmt wird.In addition, the invention also relates to a method for controlling a drive system described above with an internal combustion engine, in which the power of the electric machine is determined primarily based on a difference between a target turbocharger speed and an actual turbocharger speed.
Primär soll in diesem Zusammenhang bedeuten, dass es für die Leistung der elektrischen Maschine auch andere Einflussgrößen geben kann, wie etwa den Ladezustand der Batterie, und dass selbstverständlich Randbedingungen eingehalten werden müssen, wie eine maximal zulässige Leistung der elektrischen Maschine. Als Leistung der elektrischen Maschine wird hier sowohl die Antriebsleistung im Fall des Motorbetriebs als auch die Bremsleistung im Fall des Generatorbetriebs verstanden.In this context, primary means that there can also be other influencing factors for the performance of the electrical machine, such as the state of charge of the battery, and that of course boundary conditions must be met, such as the maximum permissible power of the electrical machine. The power of the electric machine here is understood to mean both the drive power in the case of engine operation and the braking power in the case of generator operation.
Es hat sich herausgestellt, dass ein solches Regelkonzept besonders gut geeignet ist, hocheffiziente Hybridmaschinen mit elektrischem Turbolader zu betreiben. Dabei wird die jeweilige Turboladersolldrehzahl bevorzugt aus einem Kennfeld primär in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und vom Sollladedruck bestimmt. Auch hier kann es neben dem erwähnten Kennfeld weitere Faktoren geben, nämlich insbesondere im längerfristigen Bereich, um beispielsweise einen dauerhaften Betrieb der elektrischen Maschine mit hoher Leistung zu vermeiden.It has been shown that such a control concept is particularly well suited to operating highly efficient hybrid machines with electric turbochargers. The respective turbocharger target speed is preferably determined from a map primarily as a function of the speed of the internal combustion engine and the target boost pressure. Here, too, there may be other factors in addition to the map mentioned, particularly in the long-term range, for example to avoid long-term operation of the electrical machine at high power.
Es ist auch vorteilhaft, wenn eine VTG-Stellung aus einem Kennfeld primär in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und vom Sollladedruck bestimmt wird. Es kann aber auch die VTG-Stellung zur Durchführung von längerfristigen Korrekturen benutzt werden, um die Lade/Entlade-Bilanz der Batterie z.B. durch den generatorischen Betrieb des elektrifizierten Abgasturboladers im Gleichgewicht zu halten.It is also advantageous if a VTG position is determined from a map primarily as a function of the speed of the internal combustion engine and the target boost pressure. However, the VTG position can also be used to carry out longer-term corrections in order to improve the charge/discharge balance of the battery, for example through the generator To keep the operation of the electrified exhaust gas turbocharger in balance.
Durch die besondere Ausgestaltung des Antriebssystems ist es insbesondere möglich, eine Optimierung des Gesamtwirkungsgrads dadurch zu erreichen, dass der Ladezustand der Hybridbatterie bei der Regelung des Abgasturboladers berücksichtigt wird. Ist beispielsweise der aktuelle Ladezustand über einem bestimmten Grenzwert, dann kann eine erhöhte Drehmomentanforderung primär über die weitere elektrische Maschine des Hybridantriebs erfolgen und es ist nicht erforderlich, den Abgasturbolader elektrisch zu beschleunigen. Bei geringem Ladezustand kann hingegen durch entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine des Abgasturboladers schnell Drehmoment aufgebaut werden.Due to the special design of the drive system, it is possible in particular to achieve an optimization of the overall efficiency by taking the state of charge of the hybrid battery into account when controlling the exhaust gas turbocharger. For example, if the current state of charge is above a certain limit value, then an increased torque request can be made primarily via the additional electric machine of the hybrid drive and it is not necessary to accelerate the exhaust gas turbocharger electrically. When the charge level is low, however, torque can be built up quickly by appropriately controlling the electric machine of the exhaust gas turbocharger.
Zusätzlich dazu ist es auch vorteilhaft, wenn bei der Regelung der elektrischen Maschine der Ladzustand einer elektrischen Batterie berücksichtigt wird, die die elektrische Maschine versorgt.In addition, it is also advantageous if the charge state of an electric battery that supplies the electric machine is taken into account when controlling the electric machine.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Turbine des Abgasturboladers ständig mit dem Vollstrom des Abgases betrieben wird. Damit sind keine Regelungsorgane für die abgasseitige Beaufschlagung der Turbine erforderlich und die Leistungsregelung des Abgasturboladers obliegt allein der motorisch und generatorisch arbeitenden Elektromaschine des Abgasturboladers, was den Aufwand verringert.In one embodiment variant of the method according to the invention it is provided that the turbine of the exhaust gas turbocharger is constantly operated with the full flow of the exhaust gas. This means that no control organs are required for the exhaust-side loading of the turbine and the output control of the exhaust gas turbocharger is solely the responsibility of the electric machine of the exhaust gas turbocharger, which operates as a motor and generator, which reduces the effort.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Leistung der Turbine des Abgasturboladers über ein VTG-System oder über ein Wastegate gesteuert wird. Die Steuerung erfolgt über Kennfelder und nicht über einen geschlossenen Regelkreis, d.h., dass über die Kennfelder jedem Betriebspunkt eine bestimmte Stellung des Wastegates oder der Leitschaufeln des VTG-Mechanismus zugewiesen wird. Damit kann eine erhöhte Flexibilität bei der Auslegung der Komponenten und eine wesentlich erleichterte Abstimmung der Regelung erreicht werden, da auf diese Weise nur die Leistung der elektrischen Maschine des Abgasturboladers geregelt wird und nicht zwei parallele Regelkreise vorgesehen sind, die gemeinsam abgestimmt werden müssen.Alternatively, it can be provided that the power of the turbine of the exhaust gas turbocharger is controlled via a VTG system or via a wastegate. The control is carried out via maps and not via a closed control loop, i.e. a specific position of the wastegate or the guide vanes of the VTG mechanism is assigned to each operating point via the maps. This means that increased flexibility in the design of the components and a much easier coordination of the control can be achieved, since in this way only the power of the electric machine of the exhaust gas turbocharger is regulated and two parallel control loops are not provided that have to be coordinated together.
Es ist auch günstig, wenn eine Abgasrückführung (AGR) vorgesehen ist, die vorzugsweise als Niederdruckabgasrückführung ausgebildet ist. Die AGR-Menge wird ebenfalls über Kennfelder bestimmt, insbesondere unter Berücksichtigung von Temperatur und Druck. Der Druck wird dabei vor und nach dem AGR-Ventil gemessen. Zusammen mit der Durchflusscharakteristik des AGR-Ventils kann die AGR-Menge an die Soll-AGR-Menge angepasst werden.It is also advantageous if exhaust gas recirculation (EGR) is provided, which is preferably designed as a low-pressure exhaust gas recirculation. The EGR quantity is also determined using maps, particularly taking temperature and pressure into account. The pressure is measured before and after the EGR valve. Together with the flow characteristics of the EGR valve, the EGR quantity can be adjusted to the target EGR quantity.
Bei Verwendung von Abgasrückführung steigt der Ladedruckbedarf. Insbesondere wird das Wastegate bzw. der VTG-Mechanismus so verstellt, dass der zusätzliche Ladedruckbedarf der AGR durch Schließen des Wastegates bzw. Schließen des VTG Verstellmechanismus berücksichtigt wird. Die Steuerzeit wird so verstellt, dass die Zylinderfüllung an den Bedarf bei AGR angepasst wird. Bei AGR wird im Fall eines Miller-Zyklus ein späterer Einlassschluss gewählt, bei einem Atkinson-Zyklus ein früherer. Auch eine Korrektur des gewünschten generatorischen bzw. motorischen Betriebs der elektrischen Maschine des Abgasturboladers kann so durchgeführt werden.When using exhaust gas recirculation, the boost pressure requirement increases. In particular, the wastegate or the VTG mechanism is adjusted in such a way that the additional boost pressure requirement of the EGR is taken into account by closing the wastegate or closing the VTG adjustment mechanism. The timing is adjusted so that the cylinder filling is adapted to the EGR requirements. With EGR, a later intake closure is selected in the case of a Miller cycle, and an earlier one in an Atkinson cycle. A correction of the desired generator or motor operation of the electric machine of the exhaust gas turbocharger can also be carried out in this way.
Um längerfristige Änderungen im Verhalten des Abgasturboladers oder anderer Komponenten auszugleichen, kann eine adaptive Regelung der elektrischen Maschine durch Messung mindestens einer Größe aus einer Gruppe vorgenommen werden, die die Drehzahl des Abgasturboladers, den Ladedruck, die Ladelufttemperatur und den Strom an der elektrischen Maschine sowie den Ladezustand einer Batterie im Antriebsstrang Hybridbatterie umfasst. Dabei werden über einen längeren Zeitraum bestehende Regelabweichungen erfasst und gegebenenfalls Regelparameter angepasst.In order to compensate for long-term changes in the behavior of the exhaust gas turbocharger or other components, an adaptive control of the electric machine can be carried out by measuring at least one variable from a group that includes the speed of the exhaust gas turbocharger, the boost pressure, the charge air temperature and the current on the electric machine as well as the Charge state of a battery in the drive train includes hybrid battery. Existing control deviations over a longer period of time are recorded and control parameters are adjusted if necessary.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- •
1 ein Diagramm, in dem die einzelnen Komponenten eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt sind; - •
2 und3 Kennfelder, die den Betrieb der Brennkraftmaschine samt Abgasturbolader erklären; und - •
4 ein Diagramm, das das Regelungsverhalten erklärt.
- •
1 a diagram in which the individual components of a drive system according to the invention are shown; - •
2 and3 Maps that explain the operation of the internal combustion engine including the exhaust gas turbocharger; and - •
4 a diagram that explains the control behavior.
Die weitere elektrische Maschine 6 wird über eine Hybridbatterie 8 versorgt und lädt diese im Generatorbetrieb auf.The further
Der Abgasturbolader 4 besitzt einen Verdichter 9, der über einen Ladeluftkühler 10 Ansaugluft verdichtet der Brennkraftmaschine 1 zuführt. Eine Turbine 11 ist über die Abgasleitung 3 mit dem integrierten Abgaskrümmer 2verbunden. Die Abgasleitung 3 ist möglichst kurz ausgeführt und kann auch entfallen, wenn die Turbine direkt an den Zylinderkopf angebaut ist. Auf der Welle von Verdichter 9 und Turbine 11 ist auch eine elektrische Maschine 12 angeordnet, die den Abgasturbolader 4 wahlweise antreibt oder als Generator Strom erzeugt.The
Ein AGR-Kühler 13 und ein stromabwärts davon angeordnetes AGR-Ventil 14 ermöglichen es, Abgas aus einer Abgasleitung 15 stromabwärts der Turbine 11 in eine Ansaugleitung 16 stromaufwärts des Verdichters 9 einzuspeisen.An
Die elektrische Maschine 12 wird von einer elektrischen Batterie 17 mit Strom versorgt. Dabei kann es sich um eine 12 V oder 48 V Bordbatterie handeln, es ist aber auch möglich, die Funktionen der elektrischen Batterie 17 und der Hybridbatterie 8 in einer einzigen Batterie zu kombinieren.The
In
Auch die Drehzahl der als dezidierte Hybridmaschine ausgelegten Brennkraftmaschine 1 ist mit etwa 5000 1/min (Linie 25) gegenüber der technisch möglichen Drehzahl von 6000 1/min (Linie 24) begrenzt.The speed of the internal combustion engine 1, which is designed as a dedicated hybrid machine, is also limited to approximately 5000 rpm (line 25) compared to the technically possible speed of 6000 rpm (line 24).
Durch die Regelung des Hybridantriebs wird versucht, Betriebspunkte unterhalb des Bereichs mit dem besten Wirkungsgrad nach Möglichkeit zu vermeiden (Bereich 26, Pfeil 30).By regulating the hybrid drive, an attempt is made to avoid operating points below the range with the best efficiency if possible (
In
In
Im Ergebnis steigt letztlich die Last, also der effektive Mitteldruck (Kurve 37), während sich die Drehzahlen der weiteren elektrischen Maschine 6 (Turboladeristdrehzahl, Kurve 38) und die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 (Kurve 39) wenig verändern.As a result, the load ultimately increases, i.e. the effective mean pressure (curve 37), while the speeds of the further electrical machine 6 (actual turbocharger speed, curve 38) and the speed of the internal combustion engine 1 (curve 39) change little.
Genauer betrachtet steigt als Folge der erhöhten Drehmomentanforderung zunächst die Turboladersolldrehzahl (Kurve 40), der dann die Turboladeristdrehzahl (Kurve 41) durch die Regelung nachgeführt wird. Dies wird wiederum durch eine Steigerung der Leistung der elektrischen Maschine (Kurve 42) bewirkt.In more detail, as a result of the increased torque requirement, the turbocharger setpoint speed (curve 40) initially increases, and the actual turbocharger speed (curve 41) is then tracked by the control system. This in turn is caused by an increase in the power of the electrical machine (curve 42).
Aus dem Diagramm ist auch ersichtlich, dass der Sollladedruck (Kurve 43), stärker bzw. früher ansteigt als der Istladedruck (Kurve 44), was durch einen Korrekturfaktor (Kurve 45) berücksichtigt wird, der bei der Berechnung der erforderlichen Leistung der elektrischen Maschine (12) eingerechnet wird.It can also be seen from the diagram that the target charging pressure (curve 43) increases more strongly or earlier than the actual charging pressure (curve 44), which is taken into account by a correction factor (curve 45) that is used when calculating the required power of the electrical machine ( 12) is included.
Ein weiterer VTG-Korrekturwert, der durch die Kurve 46 angedeutet ist, ist dazu vorgesehen, durch eine Veränderung der VTG-Stellung (Kurve 47) die Leistung der elektrischen Maschine innerhalb eines gewünschten Korridors zu halten, der sich aus den Maximalleistungen für Motor- bzw. Generatorbetrieb und dem Ladezustand der Batterie ergibt. Bei der in
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Hybridantriebe mit besonders hohem Gesamtwirkungsgrad darzustellen.The present invention makes it possible to produce hybrid drives with particularly high overall efficiency.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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