DE10332043B4 - Antriebssystem für Turbolader mit elektrischer Maschine - Google Patents

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Abstract

Antriebssystem für einen Turbolader, der in einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise mit einem elektrischen Ventiltrieb ohne Drosselklappe, für Kraftfahrzeuge eingebaut ist, mit einer elektrischen Maschine, die abhängig von vorgegebenen ersten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine aktive Drehmomenterhöhung des Turboladers vornimmt, dadurch gekennzeichnet dass die elektrische Maschine (11a; 11b) abhängig von vorgegebenen zweiten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) eine aktive Drehmomentreduzierung des Turboladers vornimmt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für einen Turbolader nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Brennkraftmaschinen mit Turboladern sind in der Kraftfahrzeug- und Schwerlastwagenindustrie seit langem bekannt. Typische Turbolader nutzen Abgasenergie (Abgas-Turbolader), um die Brennkraftmaschine mit Luft aufzuladen. Eine solche Vorverdichtung bzw. Aufladung führt zu einer erhöhten Motorleistung gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen. Allerdings besteht bei derartig aufgeladenen Brennkraftmaschinen das Problem des sog. Turbolochs, das insbesondere beim Anfahren und Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen des Fahrzeuges, also wenn die Brennkraftmaschine rasch in Bereiche höherer Leistung beschleunigt werden soll, auftritt. Hierbei liegt zu wenig Luft im Ansaugtrakt vor.
  • Zur Vermeidung dieses Turbolochs sind verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, wie z. B. das Verwenden einer elektrischen Maschine. So offenbart die EP 0 217 537 A1 einen Turbolader, der eine rotierende Welle aufweist, an der eine elektrische Maschine angebracht ist. Wenn z. B. die Brennkraftmaschine bei einer geringen Fahrzeuggeschwindigkeit läuft, während sie mit einer hohen Last betrieben wird, treibt die elektrische Maschine zusätzlich die rotierende Welle an. Die Drehung der rotierenden Welle des Turboladers, die bei einem Abgas-Turbolader durch die Energie der Abgase von der Brennkraftmaschine bewirkt wird, wird in Form einer Drehmomenterhöhung unterstützt. Somit kann das Turboloch verringert werden.
  • Die DE 101 56 704 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Abgasturboladers für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei der Abgasturbolader zusätzlich zum Antrieb von einer Abgasturbine durch einen Elektromaschine angetrieben werden kann. Bei bestimmten Betriebsbedingungen kann die Elektromaschine auch im Generatorbetrieb betrieben werden, wodurch der Turbolader passiv abgebremst wird.
  • Schließlich wird noch auf die DE 198 24 476 A1 verwiesen, in der ein Einsatz von unabhängig voneinander angesteuerten Ventilen in einer Brennkraftmaschine mit Turboaufladung offenbart ist.
  • In dem Artikel „Elektronisch unterstützte Turboauflader, Einfluss auf Downsizing und Übergangsdrehmoment" aus der MTZ 9/2002 wird noch ein weiteres elektronisch unterstütztes Turboladersystem, e-Charger genannt, beschrieben. Beim e-Charger handelt es sich um einen elektrisch betriebenen Verdichter, der mit einem konventionellen Turbolader mit Ladedruck-Regelventil oder mit einem Turbolader mit variabler Turbinengeometrie in Reihe geschalten ist.
  • Neben dem Turboloch, bei dem beim Übergang von niedriger Last bzw. Drehzahl auf eine hohe Last bzw. Drehzahl zu wenig Luft im Ansaugtrakt vorliegt, kann beim Übergang von hoher Last bzw. Drehzahl auf niedrige Last bzw. Drehzahl zu viel Luft am Ansaugtrakt anliegen. Bei einer Brenn kraftmaschine mit einem Drosselklappensystem wird die Luft durch teilweises Schließen der Drosselklappen vom Ansaugtrakt ferngehalten. Dadurch können allerdings hohe Druckunterschiede vor und nach der Drosselklappe auftreten. Bei Brennkraftmaschinen ohne Drosselklappen liegt der Druck direkt an den Ventilen an.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist, ein Antriebsystem für einen Turbolader zur Verbesserung des Übergangsdrehmoments bei Instationärvorgängen anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche, insbesondere eine Verwendung nach Patentanspruch 5.
  • Das erfindungsgemäße Antriebssystem für einen Turbolader, der in einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise mit einem elektrischen Ventiltrieb ohne Drosselklappe, für Kraftfahrzeuge eingebaut ist, mit einer elektrischen Maschine, die abhängig von vorgegebenen ersten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine aktive Drehmomenterhöhung des Turboladers vornimmt, zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Maschine abhängig von vorgegebenen zweiten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine aktive Drehmomentreduzierung des Turboladers vornimmt.
  • Wie bereits erwähnt, wird zur Reduzierung eines Turbolochs, das z. B. bei einem Übergang von einer Niedrig-Last-Anforderung auf eine Volllast-Anforderung der Brennkraftmaschine auftritt, eine elektrische Maschine zur Drehmomenterhöhung verwendet. Vorgegebene erste Betriebsparameter sind bspw. ein Unterschreiten einer ersten Drehzahlschwelle und/oder ein Überschreiten einer ersten Lastanforderungsschwelle der Brennkraftmaschine. Wird anhand der Betriebsparameter erkannt, dass eine Drehmomenterhöhung erforderlich ist und der Turbolader alleine diese Drehmomenterhöhung nicht aufbringen kann, wird eine elektrische Maschine verwendet. Diese wird derart eingesetzt und betrieben, dass sie eine aktive Drehmomenterhöhung vornimmt. Kann der Turbolader wieder aus eigener Kraft, also über die Energie des Abgasstroms das angeforderte Drehmoment zur Verfügung stellen, wird die elektrische Maschine wieder abgeschalten.
  • Bei einem schnellen Übergang von hoher Last bzw. Drehzahl auf eine niedrige Last bzw. Drehzahl, würde der Turbolader ohne eine elektrische Maschine ein zu großes Luftvolumen in Richtung Brennkraftmaschine transpor tieren. Erfindungsgemäß wird nun bei einem schnellen Übergang von z. B. einer Volllast-Anforderung auf eine Niedrig-Last-Anforderung ebenfalls die elektrische Maschine, allerdings in einer anderen Betriebsart eingesetzt, um eine aktive Drehmomentreduzierung, z. B. durch Abbremsen der rotierenden Welle des Turboladers, vorzunehmen. Vorgegebene zweite Betriebsparameter sind bspw. ein Überschreiten einer zweiten Drehzahlschwelle und/oder ein Unterschreiten einer ersten Lastanforderungsschwelle der Brennkraftmaschine. Dadurch wird eine deutlich schnellere Reduzierung der Turbolader-Drehzahl erreicht und somit das Instationärverhalten, das beim Übergang von Volllast auf Niedrig-Last auftritt, deutlich verbessert. Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist besonders für den elektromagnetischen Ventiltrieb bzw. für entdrosselte Brennkraftmaschinen geeignet.
  • Diese Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine ein Elektromotor ist, der an einer rotierenden Welle des Turboladers angebracht ist. Bei einer schnellen Lastanforderung, die der Turbolader alleine nicht bewältigen kann, kann der Elektromotor derart angesteuert werden, dass er die rotierende Welle des Turboladers beschleunigt. Dadurch wird das zweite Schaufelrad des Turboladers, das im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist, schneller gedreht, wodurch der Brennkraftmaschine ein größeres Luftvolumen zur Verfügung gestellt werden kann. Bei einem schnellen Übergang von hoher Last bzw. Drehzahl auf eine niedrige Last bzw. Drehzahl kann der Elektromotor bspw. durch Umpolung die rotierenden Welle abbremsen, wodurch sich die Rotationsgeschwindigkeit des zweiten Schaufelrads des Turboladers, das im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist, reduziert. Das Drehmoment kann mittels Elektromotor aktiv reduziert werden. Dadurch wird weniger Luft in Richtung der Brennkraftmaschine befördert, der Druck auf die Drosselklappe oder die Ventile selbst wird erniedrigt.
  • Vorteilhafterweise kann der Elektromotor abhängig von vorgegebenen dritten Betriebsparametern ein Generator sein. Wird der Elektromotor weder zur aktiven Drehmomenterhöhung noch zur aktiven Drehmomentreduzierung verwendet, kann er als Generator, insbesondere bei konstantem Betrieb, aus der Rotation der drehenden Welle elektrische Energie gewinnen.
  • Vorteilhafterweise kann eine Verwendung des Antriebsystems bei einer Brennkraftmaschine mit unabhängig voneinander angesteuerten Ventilen vorgenommen werden. Dies kann bspw. ein elektromagnetischer Ventiltrieb, ein elektrohydraulischer Ventiltrieb oder ein pneumatisch angesteuerter Ventiltrieb sein. Da bei einer Brennkraftmaschine mit derartigen Ventiltrieben eine Ladungswechselsteuerung nicht mehr durch eine Drosselklappe durchgeführt wird, sondern mittels einer Steuerung der Ventilsteuerzeiten, würde ohne ein derartiges Antriebsystem kurzfristig ein zu großer Luftdruck im Ansaugtrakt bzw. direkt an den Ventilen anliegen, der zudem sehr stark variieren würde. Mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem kann der Luftdruck im Ansaugtrakt gesteuert bzw. geregelt werden.
    •
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
  • 1 ein Antriebsystem mit einem Elektromotor als elektrische Maschine und
  • 2 ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Ansteuerung der elektrischen Maschine.
  • Die 1 zeigt ein Antriebssystem für einen Turbolader mit einem Elektromotor 11a als elektrische Maschine. Von einer Brennkraftmaschine 1 gelangen von den 4 Zylindern 2a, 2b, 2c und 2d die Abgase durch einen Abgastrakt 3 zu einem ersten Schaufelrad 5 im Abgastrakt 3 eines Turboladers. Durch die Abgase wird das erste Schaufelrad 5 im Abgastrakt 3 in eine rotie rende Bewegung versetzt. Mit dem ersten Schaufelrad 5 im Abgastrakt 3 ist eine rotierende Welle 6 fest verbunden, an der ein Elektromotor 11a als elektrische Maschine angebracht ist. Weiter ist die rotierende Welle 6 mit einem zweiten Schaufelrad 7 im Ansaugtrakt 10 fest verbunden. Solange der Elektromotor 11a außer Betrieb ist, dreht sich das erste Schaufelrad 5 im Abgastrakt 3 umso schneller, je mehr Abgase im Abgastrakt 3 sind. Gleichzeitig dreht sich das mit dem ersten Schaufelrad 5 über die rotierenden Welle 6 verbundene zweite Schaufelrad 7 im Ansaugtrakt 10 ebenfalls schneller. Die Luft im Ansaugtrakt 10, die zu Beginn in einem Luftfilter 8 gereinigt wird, wird stärker verdichtet, wodurch eine bessere Verbrennung des Luftgas-Gemisches in der Brennkraftmaschine 1 vorgenommen werden kann. Reicht der Abgasstrom für eine schnellere Rotation der Schaufelräder 5 und 7 nicht aus, treibt der Elektromotor 11a zusätzlich die rotierende Welle 7 an, wodurch sich das zweite Schaufelrad 7 im Ansaugtrakt ebenfalls schneller dreht und dadurch eine größere Luftverdichtung im Ansaugtrakt 10 entsteht.
  • Erfindungsgemäß nimmt der Elektromotor 11a eine aktive Drehmomenterreduzierung vor, wenn vorgegebene zweite Betriebsparameter erfüllt sind. Dies ist z. B. der Fall, wenn durch einen hohen Abgasstrom die beiden Schaufelräder 5 und 7 sehr schnell rotieren, die Lastanforderung der Brennkraftmaschine allerdings unterhalb einer zweiten Schwelle liegt. Durch eine Gegenbestromung bzw. Umpolung des Elektromotors 11a wird die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Welle 6 reduziert oder umkehrt, wodurch auch die Drehbewegung des Schaufelrads 7 im Ansaugtrakt 10 und dadurch wiederum die Luftverdichtung im Ansaugtrakt 10 vermindert wird.
  • 2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm, wie die elektrische Maschine im Antriebssystem des Turboladers gesteuert bzw. geregelt wird. In einem ersten Schritt 101 werden die Betriebsparameter einer Brennkraftmaschine ausgewertet. Sind vorgegebene erste Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfüllt, nimmt die elektrische Maschine eine aktive Drehmomenterhö hung, bspw. eine Beschleunigung der rotierenden Welle, in einem Schritt 102 vor. Sind die vorgegebenen ersten Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine nicht erfüllt, wird in einem Schritt 103 überprüft, ob vorgegebene zweite Betriebsbedingen der Brennkraftmaschine erfüllt sind. Ist dies der Fall, nimmt in einem Schritt 104 die elektrische Maschine eine aktive Drehmomentreduzierung, bspw. ein Abbremsen bzw. eine Drehrichtungsumkehrung der rotierenden Welle durch Gegenbestromung der elektrischen Maschine, vor. Sind die vorgegebenen zweiten Betriebsparameter ebenfalls nicht erfüllt, können vorteilhafterweise in einem Schritt 105 noch dritte Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abgefragt werden. Sind diese erfüllt und handelt es sich bei der elektrischen Maschine um einen an der rotierenden Welle angebrachten Elektromotor, kann dieser in einem nächsten Schritt 106 als Generator die durch die Rotation der rotierenden Welle gelieferte mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
  • Es können eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend von obiger Beschreibung gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (4)

  1. Antriebssystem für einen Turbolader, der in einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise mit einem elektrischen Ventiltrieb ohne Drosselklappe, für Kraftfahrzeuge eingebaut ist, mit einer elektrischen Maschine, die abhängig von vorgegebenen ersten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine aktive Drehmomenterhöhung des Turboladers vornimmt, dadurch gekennzeichnet dass die elektrische Maschine (11a; 11b) abhängig von vorgegebenen zweiten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) eine aktive Drehmomentreduzierung des Turboladers vornimmt.
  2. Antriebssystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die elektrische Maschine ein Elektromotor (11a) ist, der an einer rotierenden Welle (6) des Turboladers angebracht ist.
  3. Antriebssystem nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die elektrische Maschine abhängig von vorgegebenen dritten Betriebsparametern als Generator (11a) betrieben wird.
  4. Verwendung des Antriebsystems gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4 bei einer Brennkraftmaschine (1) mit unabhängig voneinander angesteuerten Ventilen.
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