DE112008002128T5 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Turbo-Compound-Systems - Google Patents

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John Anthony Lyons
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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Turbo-Compound-Systems, wobei das System Folgendes umfasst: einen Turbolader, der in Fluidverbindung mit einem Kolbenmotor angeordnet ist, und einen Turbogenerator, der in Fluidverbindung mit einer Turbine des Turboladers angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet:
Abrufen von Daten über den Motorzustand aus dem Steuergerät des Motors;
Abrufen einer optimalen Turbogenerator-Drehzahl für diesen Motorzustand aus einem Satz von Turbinenwirkungsgraddaten;
Einstellen einer gewünschten Turbogenerator-Solldrehzahl auf der Basis des Motorzustands und einer Drehzahl, bei der der Wirkungsgrad der Turbine als optimal angesehen wird;
Messen einer Ausgangsspannung des Turbogenerators, Vergleichen der gemessenen Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsbereich und, wenn die gemessene Spannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt, Justieren der Turbogenerator-Solldrehzahl, um die Ausgangsspannung so zu verringern oder zu erhöhen, dass sie in den vorbestimmten Spannungsbereich fällt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Turbo-Compound-Systems sowie ein rechnerlesbares Medium mit Befehlen zum Ausführen desselben. Ein elektrisches Turbo-Compound-System umfasst einen Turbogenerator, der zum Gewinnen von Leistung aus Abgas eines traditionellen Kolbenmotors verwendet wird. Die durch den Auspuff ausgestoßene Wärmeenergie wird in mechanische Leistung umgewandelt, die wiederum einen Stromgenerator zum Erzeugen von elektrischer Leistung antreibt. Die elektrische Leistung kann zum Versorgen von elektrischen Lasten oder zum direkten Antreiben der Kurbelwelle des Motors verwendet werden, was erhebliche Leistungserhöhungen und Kraftstoffersparnisse mit sich bringt.
  • Elektrische Turbo-Compound-Systeme können unter den Ansprüchen vieler im Konflikt stehender Anforderungen wie zum Beispiel der Notwendigkeit arbeiten, die Leistung und die Kraftstoffveinsparung zu maximieren und dabei gleichzeitig Emissionen zu minimieren. Es ist wichtig, dass das System sicher arbeitet. Ferner kann es wünschenswert sein, das System so zu betreiben, dass der Wirkungsgrad der Turbomaschine optimiert wird. Darüber hinaus bedeutet der Einsatz des Systems in verschiedenen Fahrzeugen oder Anwendungen, dass je nach der spezifischen Anwendung bestimmte Parameter wichtiger werden als andere. Folglich kann ein Spannungsausgang des Turbogenerators unter dem Einfluss der verschiedenen Parameter variieren und kann, wenn er unüberwacht bleibt, zu einem unsicheren Betrieb und zu einem möglichen Ausfall des Systems und/oder zu einer unwirtschaftlichen Leistung des Systems führen.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die im Konflikt stehenden Anforderungen zu verwalten und den Betrieb des elektrischen Turbo-Compound-Systems auf einfache und doch wirksame Weise zu steuern, um von dem System eine sichere und optimierte Leistung gemäß den jeweiligen spezifischen Anforderungen zu erhalten. Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Optionale Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dazu dargelegt.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Turbo-Compound-Systems bereitgestellt, wobei das System Folgendes umfasst: einen Turbolader, der in Fluidverbindung mit einem Kolbenmotor angeordnet ist, und einen Turbogenerator, der in Fluidverbindung mit einer Turbine des Turboladers angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Abrufen von Daten über den Motorzustand aus dem Steuergerät (ECU, electronic control unit) des Motors; Abrufen einer optimalen Turbogenerator-Drehzahl bei diesem Motorzustand aus einem Satz von Turbinenwirkungsgraddaten; Einstellen einer gewünschten Turbogenerator-Drehzahl auf der Basis des Motorzustands und einer Drehzahl, bei der der Wirkungsgrad der Turbine als optimal angesehen wird; Messen einer Ausgangsspannung des Turbogenerators, Vergleichen der gemessenen Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsbereich und, wenn die gemessene Spannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt, Justieren der eingestellten Turbogenerator-Drehzahl, um die Ausgangsspannung so zu verringern oder zu erhöhen, dass sie in den vorbestimmten Spannungsbereich fällt.
  • Auf diese Weise kann das System sicher und doch optimal mit Bezug auf die aktuellen Motorlaufbedingungen betrieben werden, wobei der Leistungsausgang des Motors durch Justieren eines einzelnen Parameters, der Turbogenerator-Solldrehzahl, als Reaktion auf die verschiedenen Ansprüche des Systems maximiert wird. Die Turbogenerator-Solldrehzahl ist als eine gewünschte Drehzahl definiert, bei der der Turbogenerator mit Bezug auf die aktuellen Laufbedingungen arbeiten sollte.
  • In einer Ausgestaltung können die Daten in Bezug auf den Motorzustand Daten in Bezug auf Drehmoment, Motordrehzahl und Massenfluss durch den Motor beinhalten. Das Verfahren kann den Schritt des Justierens einer Turbogenerator-Istdrehzahl gemäß – d. h. so gut wie möglich übereinstimmend mit – der Turbogenerator-Solldrehzahl beinhalten.
  • In einer Ausgestaltung wird der Schritt des Justierens der Turbogenerator-Istdrehzahl durch Justieren der Last auf einer Kurbelwelle des Turbogenerators ausgeführt. Das Erhöhen des Drehmoments auf der Kurbelwelle reduziert die Drehzahl des Turbogenerators, während eine Verringerung des auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmoments eine Erhöhung der Turbogenerator-Drehzahl ergibt. In einer Ausgestaltung wird nach einer Änderung des auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmoments die Reaktion des Turbogenerators überwacht, z. B. seine Beschleunigung und seine Istdrehzahl. Wenn die Turbogenerator-Istdrehzahl von der Solldrehzahl abweicht, kann die Last auf der Kurbelwelle entsprechend neu justiert werden, bis die Istdrehzahl und die Solldrehzahl besser miteinander übereinstimmen.
  • Das Verfahren kann vor dem Justieren der Turbogenerator-Solldrehzahl zum Verringern/Erhöhen der Ausgangsspannung auf einen Wert innerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs den weiteren Schritt des Prüfens beinhalten, dass die vorgeschlagene Turbogenerator-Solldrehzahl keine kritische Drehzahl eines Rotors des Turbogenerators ist. Dieser Schritt gewährleistet, dass der Turbogenerator nicht mit einer Drehzahl betrieben wird, die die mechanische Integrität des Rotors beeinträchtigen könnte. Wenn in dieser Stufe gefunden wird, dass die Turbogenerator-Solldrehzahl eine kritische Drehzahl des Rotors ist, dann kann die Solldrehzahl von der kritischen Drehzahl weg justiert werden.
  • Das Verfahren kann nach dem Schritt des Einstellens der Turbogenerator-Drehzahl auf der Basis des Motorzustands ferner den Schritt des Prüfens auf eine plötzliche Erhöhung des Drehzahlbedarfs am Motor und, falls eine plötzliche Erhöhung des Drehzahlbedarfs erfasst wird, des Verringerns der Turbogenerator-Solldrehzahl beinhalten. Dies hat den Vorteil, dass das Druckverhältnis über die Turbinenstufen erhöht wird. Durch eine Reduzierung der Turbogenerator-Drehzahl wird der Effekt eines Druckverhältnisses über die Turbogenerator-Turbine reduziert, so dass das Druckverhältnis über die Turbine des Turboladers erhöht wird.
  • Das System kann eine Abgasrückführungsleitung zwischen einem Luftansaugkanal und einem Abgassystem des Kolbenmotors aufweisen. Das Verfahren kann nach dem Schritt des Einstellens der Turbogenerator-Solldrehzahl auf der Basis des Motorzustands ferner den Schritt des Prüfens auf einen zusätzlichen Abgasrückführungsbedarf und falls ein unzureichender Massenfluss durch die Abgasrückführungsleitung erfasst wird, des Erhöhens der Turbogenerator-Solldrehzahl beinhalten. Dadurch wird der Druck vor der Turbogenerator-Turbine erhöht, wodurch der Druck im Abgassystem erhöht wird, um mehr Abgas durch die Abgasrückführungsleitung zu treiben.
  • Alternativ kann das Verfahren nach dem Schritt des Einstellens der Turbogenerator-Drehzahl auf der Basis des Motorzustands einen weiteren Schritt des Prüfens auf einen zusätzlichen Abgasrückführungsbedarf und, falls überschüssiger Massenfluss durch die Abgasrückführung erfasst wird, des Reduzierens der eingestellten Turbogenerator- Drehzahl beinhalten. Dadurch wird das Ausdehungsverhältnis über die Turbine reduziert, wodurch der Druck im Abgassystem reduziert wird.
  • Der vorbestimmte Spannungsbereich kann anhand der Höchstleistungsgrenze eines Drehstromgenerators des Turbogenerators und anhand des maximalen Betriebsstroms des Turbogenerators bestimmt werden. Auf diese Weise wird das elektrische Turbo-Compound-System innerhalb sicherer elektrischer Grenzen gefahren.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein rechnerlesbares Medium (z. B. eine Datenträgerdiskette oder ein Trägersignal) mit Rechner-ausführbaren Befehlen bereitgestellt, die bei Betrieb auf einem Computer (z. B. einer Steuerung oder Steuergerät) die Ausführung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bewirken. Das rechnerlesbare Medium kann sich in dem Steuergerät des Kolbenmotors befinden und/oder kann sich in einer Turbogenerator-Steuerung wie z. B. einer Motorantriebssteuerung der Kurbelwelle des Turbogenerators befinden.
  • Es wird nun eine Ausgestaltung eines elektrischen Turbo-Compound-Systems gemäß der Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
  • 1 eine schematische Skizze eines elektrischen Turbo-Compound-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Ablaufdiagramm, das die Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 3 ein Beispiel für ein Kennfeld des Turbogenerator-Wirkungsgrades mit Bezug auf Drehzahl, Leistung und Ausgangsspannung des Turbogenerators.
  • 1 zeigt eine typische Anordnung eines elektrischen Turbo-Compound-Systems. Das System umfasst einen Turbolader mit einem Kompressor 10 und einer Turbine 20, die jeweils auf einem gemeinsamen Rotor 25 montiert sind. Der Kompressor 10 umfasst einen Einlass 12 auf seiner Niederdruckseite und der Einlass 12 ist mit einer Luftversorgung 5 verbunden. Ein Auslass 15 auf der Hochdruckseite des Kompressors 10 ist in Fluidverbindung mit einem Lufteinlass 30 eines Kolbenmotors 1. Der Kolbenmotor 1 kann ein Benzin- oder ein Dieselmotor sein, wobei wenigstens ein Zylinder mit dem Lufteinlass 30 und einem Abgasauslass 42 einer Abgasleitung 40 verbunden ist. Der Kolbenmotor 1 beinhaltet eine Motorsteuereinheit (ECU, electronic control unit) 100.
  • Die Abgasleitung 40 des Kolbenmotors 1 ist in Fluidverbindung mit einem Einlass 45 der Turbine 20. Zwischen dem Lufteinlass 30 und der Abgasleitung 40 befindet sich eine Abgasrückführungsleitung 50 in Fluidverbindung jeweils mit dem Lufteinlass 30 und der Abgasleitung 40. Ein Auslass 55 der Turbine 20 des Turboladers ist in Fluidverbindung mit einem Einlass 60 einer zweiten Turbine 70 eines Turbogenerators. Der Turbogenerator umfasst die zweite Turbine 70 und einen Drehstromgenerator 80. Der Drehstromgenerator 80 ist an der Welle 75 der Turbine 70 montiert und dient als Mittel zum Erzeugen von elektrischem Strom vom Energieausgang der Turbinenwelle 75. Die vom Turbogenerator erzeugte Elektrizität wird von einer Motorgenerator-Antriebssteuerung 108 verwaltet, die die Turbogenerator-Drehzahl durch Justieren der Last zum Motorgenerator 230 regelt und die Leistung zu einem DC-Bus 200 regelt, von dem sie zu anderen zusätzlichen elektrischen Lasten 210 verteilt werden kann. Die zusätzlichen Lasten könnten z. B. Klimaanlage, Lüfter oder Kühlmittelpumpen sein.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Betriebs des elektrischen Turbo-Compound-Systems. Der Betrieb beinhaltet Schritte, die das rechnerlesbare Medium 105 der Steuerung 108 befiehlt, um eine gewünschte Turbogenerator-Drehzahl zu ermitteln, die als Solldrehzahl bekannt ist. Die Turbogenerator-Drehzahl wird im normalen Betrieb je nach der Last auf dem Drehstromgenerator 80 geregelt. Die Regelung erfolgt durch die Motorgenerator-Antriebssteuerung 108 des Turbogenerators. Die Motorgenerator-Antriebssteuerung 108 kommuniziert elektronisch mit dem Steuergerät des Motors und kennt die Turbogenerator-Drehzahl. Wenn der Turbogenerator über seine Solldrehzahl hinaus beschleunigt, dann wird mehr Drehmoment auf die Kurbelwelle aufgebracht und die zusätzliche Last auf dem Turbogenerator hält die Drehzahl konstant. Ebenso wird, wenn der Turbogenerator unter seine Solldrehzahl hinab abbremst, das auf die Kurbelwelle wirkende Drehmoment reduziert. Je nach den spezifischen Erfordernissen des Turbo-Compound-Systems können mehrere Faktoren beim Auswählen der Turbogenerator-Solldrehzahl berücksichtigt werden. Zu diesen Merkmalen gehören die aktuellen Motorlaufbedingungen, das Halten des gleichgerichteten Spannungsausgangs des Gleichspannungszwischenkreises des Turbogenerators innerhalb zuvor vereinbarter Grenzen, das Optimieren des Wirkungsgrades der Turbomaschine, das Optimieren des Wirkungsgrades des Systems, die Notwendigkeit zum Reduzieren des Turbolochs am Turbolader, das Regeln der Abgasrückführung und die Vermeidung von kritischen Drehzahlen. Das vorgeschlagene Verfahren der Erfindung berücksichtigt eines oder mehrere dieser Merkmale je nach den spezifischen Erfordernissen des Motors.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung verwendet das Verfahren drei Sätze von Eingangsdaten zum Ermitteln der Turbogenerator-Solldrehzahl. Die drei Datensätze beziehen sich auf den Motorzustand (Schritt 101), auf den Wirkungsgrad der Turbine (Schritt 110) und auf einen gemessenen Spannungsausgang des Turbogenerators (Schritt 115). In Schritt 101 von 2 liefert das Steuergerät des Motors Daten über den Motorzustand während des Laufs des Motors an das rechnerlesbare Medium, wobei solche Daten den Drehmomentbedarf des Motors, die Motordrehzahl, den Massenluftfluss durch den Motor und die Frage der Notwendigkeit eines zusätzlichen Abgasrückführungsbedarfs beinhalten. Dies kann dann der Fall sein, wenn zu irgendeinem Zeitpunkt während des Laufs des Motors ein Überschuss oder Mangel an Luft in der Abgasrückführungsleitung 50 erfasst wird. Die von der dem Steuergerät gelieferten Daten werden von dem in dem Steuergerät befindlichen rechnerlesbaren Medium 105 gewonnen. Alternativ ist das rechnerlesbare Medium 105 in einer Motorgenerator-Antriebssteuerung 108 der Kurbelwelle des Turbogenerators vorgesehen. Das rechnerlesbare Medium 105 berechnet anhand der Daten eine optimale Turbogenerator-Drehzahl, auf der der Turbogenerator arbeiten muss, um eine optimale Motorleistung zu erzielen (Schritt 140). Die gewünschte Turbogenerator-Drehzahl ist als die Turbogenerator-Solldrehzahl bekannt.
  • Eine Ausgangsspannung des Turbogenerators wird in Schritt 115 gemessen und in Schritt 150 in ein Kennfeld einer „sicheren Hüllkurve“ eingegeben, wobei die sichere Hüllkurve so ausgelegt ist, dass die Spannung innerhalb bestimmter Grenzen gehalten wird. Ein Beispiel für einen zuvor vereinbarten Ausgangsspannungsbereich ist auf einer Übersicht in 3 dargestellt.
  • Der gleichgerichtete Spannungsausgang des Gleichspannungszwischenkreises kann durch die folgenden Faktoren beeinflusst werden: die Turbogenerator-Last (die Spannung sinkt, wenn die Last zunimmt), die Betriebstemperatur des Turbogenerator-Magnets (die Spannung sinkt, wenn die Temperatur steigt), Herstellungstoleranzen des Turbogenerators und die Turbogenerator-Drehzahl (die Spannung steigt, wenn die Drehzahl steigt). Mit dem Variieren der ersten drei dieser Faktoren justiert die Steuerung 108 die Turbogenerator-Solldrehzahl, um die Spannung zu kompensieren und innerhalb des vereinbarten Bereichs zu halten.
  • In Schritt 150 prüft das rechnerlesbare Medium 105, ob die Turbogenerator-Solldrehzahl in die „sichere Hüllkurve” von Drehzahlen für den/die jeweils verwendete(n) Drehstromgenerator und Turbomaschine fällt. Das in 3 gezeigte Kennfeld zeigt an, wie der gleichgerichtete Spannungsausgang des Gleichspannungszwischenkreises der Turbomaschine mit Leistung und Turbogenerator-Drehzahl für ein spezielles Turbogenerator-Design variiert. Die Kurven zeigen mögliche typische Spannungen für eine Maschine, die bei normalen Betriebstemperaturen läuft. Die Spannung wird wahrscheinlich von Faktoren wie Maschinentoleranz und auch von der Temperatur der Turbogenerator-Magneten abhängig sein. Das Kennfeld zeigt den bevorzugten Betriebsspannungsbereich und die maximale Leistung und die maximalen Stromgrenzlinien, ermittelt anhand der elektrischen Eigenschaften des Drehstromgenerators 80. Man kann sehen, dass die betriebliche „sichere Hüllkurve” innerhalb der Grenzen liegt, die durch maximale Leistung, den maximalen Strom und den vereinbarten Spannungsbereich bestimmt werden. Der vereinbarte Spannungsbereich hängt von dem verwendeten Gerät ab und variiert von Anwendung zu Anwendung. Das Kennfeld beinhaltet Angaben zu einer Turbogenerator-Drehzahl von 120, die verwendet werden können, wo die Turbogenerator-Solldrehzahl in die „sichere Hüllkurve” fällt. Wenn nach einem Vergleich mit der „sicheren Hüllkurve” ermittelt wird, dass die in Schritt 140 berechnete Turbogenerator-Solldrehzahl in die Hüllkurve fällt, dann braucht die Solldrehzahl in Schritt 150 nicht justiert zu werden. Liegt jedoch die Turbogenerator-Solldrehzahl außerhalb der „sicheren Hüllkurve”, dann muss die Turbogenerator-Solldrehzahl in Schritt 150 so weit verstellt werden, dass sie in die „sichere Hüllkurve” fällt.
  • Die Höchstleistungsgrenze wird anhand des Designs des Drehstromgenerators 80 und auch anhand der Betriebsbedingungen wie z. B. dem zugeführten Kühlmittel usw. ermittelt. Wenn die Motorbedingungen derart sind, dass die Turbomaschine Leistung oberhalb der Höchstleistung produziert, dann könnte sich der Turbogenerator eventuell irgendwann aufheizen und ein Motorminderungssignal zum Steuergerät auslösen. Der maximale Strom wird so eingestellt, dass eine übermäßige Erhitzung der elektrischen Anschlüsse und Kabel verhütet wird. Die Magnettemperatur beeinflusst den Spannungsausgang während des Hochfahrens des Turbogenerators, wenn es wahrscheinlich ist, dass die Magnete ihre normale Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben und der Spannungsausgang höher als erwartet sein wird. Das rechnerlesbare Medium 105 kann so konfiguriert werden, dass es die Magnettemperatur berücksichtigt, und kann die Turbogenerator-Drehzahl kompensieren, wenn der Turbogenerator warmläuft, um die Spannung innerhalb der „sicheren Hüllkurve” zu halten. Die Steuerung kann auch so konfiguriert werden, dass sie die Turbogenerator-Solldrehzahl justiert, um normale Herstellungstoleranzen in Bezug auf Magnetstärke, -größe und -ort zu kompensieren. Das Halten der Ausgangsspannung innerhalb der Grenzen der „sicheren Hüllkurve” ist der wichtigste Faktor beim Ermitteln der Turbogenerator-Solldrehzahl. Während jedoch die Ausgangsspannung innerhalb der Grenzen der „sicheren Hüllkurve” gehalten wird, steht eine Reihe von Drehzahlen zur Verfügung. Es können weitere Faktoren berücksichtigt werden, um die Turbogenerator-Solldrehzahl für verschiedene Laufbedingungen weiter zu optimieren.
  • Ein wichtiger Faktor zum Maximieren des Systemleistungsausgangs ist, die Turbogenerator-Drehzahl zu bestimmen, die einen optimalen Wirkungsgrad des Turbogenerators ergibt. Die Steuerung 108 hält die Spannung in dieser Ausgestaltung innerhalb der sicheren Hüllkurve, während sie die Turbogenerator-Solldrehzahl so einstellt, dass ein optimaler Turbinenwirkungsgrad des Turbogenerators erzielt wird. Die zum Einstellen der Drehzahl benötigten Daten können passiv sein, d. h. aus einer vorbestimmten Nachschlagetabelle, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird, oder sie können aktiv durch Messen der Turbineneingangsbedingungen und Berechnen der Drehzahl für einen optimalen Wirkungsgrad in Schritt 110 ermittelt werden. Das rechnerlesbare Medium 105 nutzt die Maschinenzustandsdaten von dem Steuergerät 101 in Bezug auf Drehmoment, Drehzahl und Massenfluss und gibt sie in eine Datenübersicht über den Wirkungsgrad des Turbogenerators ein. Aus 3 ist ersichtlich, dass der optimale Wirkungsgrad (WG) der Turbine durch Reduzieren der Drehzahl des Turbogenerators bei zurückgehender Turbinenleistung erzielt werden kann. Die Linie des optimalen Wirkungsgrads kann dann verfolgt werden, bis die Mindestspannung erreicht ist, bei der die Spannungslinie mit reduzierter Turbinenleistung erreicht ist.
  • Die Nachschlagetabelle der Turbinenwirkungsgraddaten basiert in einer Ausgestaltung auf Leistungstestdaten des Systems und kann z. B. Daten beinhalten, die zum Turbinenwirkungsgrad bei unterschiedlichen Werten von Motordrehmoment und Motordrehzahl gehören. Die Nachschlagetabelle kann auch die Form einer Konturübersicht haben. Welches Format auch verwendet wird, die Turbinenwirkungsgraddaten werden in der Turbogenerator-Steuerung 108 gespeichert.
  • Ein weiterer wichtiger Faktor, der berücksichtigt werden kann, ist die Justierung der Turbogenerator-Solldrehzahl, um den Wirkungsgrad des elektrischen Turbo-Compound-Systems zu optimieren. Der Wirkungsgrad des Systems kann dann ‚aktiv’ gemessen werden, während das System in Gebrauch ist. In einer Ausgestaltung werden Daten über die Kraftstoffersparnis des Motors aus dem Steuergerät 101 abgerufen. Die Kraftstoffersparnis wird in Gramm pro Kilowattstunden (g/kWh) gemessen. In einer alternativen Ausgestaltung wird die Kraftstoffersparnis mit einem Sensor 5a bestimmt, der sich am Kolbenmotor 1 befindet, wie in 1 nur schematisch dargestellt ist. Der Sensor 5a befindet sich in der Kraftstoffleitung zu den Kraftstoffeinspritzdüsen (nicht dargestellt) und hat die Aufgabe, den Kraftstoffverbrauch des Motors in Gramm pro Sekunde (g/s) zu messen. Diese Daten werden mit Motorzustandsdaten von dem Steuergerät in Bezug auf Motordrehmoment und -drehzahl kombiniert, um eine Anzeige für den Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Systems zu erzeugen, gemessen in Gramm pro Kilowattstunden (g/kWh). In beiden Ausgestaltungen soll der Kraftstoffersparnis maximiert (d. h. der Wert in g/kWh) minimiert werden, um den höchstmöglichen Systemwirkungsgrad zu erhalten. Ein Unterprogramm des Computerprogramms überwacht den Kraftstoffverbrauchanzeiger in Schritt 200, wie in 2 zu sehen ist, und übermittelt den Wert an die Steuerung. Die Steuerung 108 justiert die Turbogenerator-Drehzahl, um zu versuchen, den Wert des Anzeigers zu minimieren. Wenn das Steuergerät nicht so konfiguriert ist, dass sie die Daten in Bezug auf Motordrehmoment und -drehzahl bereitstellt, dann können weitere Sensoren 5b und 5c am Kolbenmotor vorgesehen werden, um diese Werte zu messen. Der Sensor 5b ist auf der Motorkurbelwelle so angeordnet und hat die Aufgabe, das Drehmoment des Motors zu messen. Der Sensor 5c ist ebenfalls auf der Kurbelwelle angeordnet und hat die Aufgabe, die Drehzahl der Kurbelwelle zu messen.
  • Ein weiterer Faktor, der beim Einstellen der Turbogenerator-Solldrehzahl berücksichtigt werden kann, ist in 2 bei Schritt 120 schematisch dargestellt. In dieser Phase des Verfahrens prüft das rechnerlesbare Medium auf ein hohes Drehmoment in Bezug auf Zeit, mit anderen Worten, auf eine plötzliche Beschleunigung des Motors. Sollte eine plötzliche Beschleunigung erfasst werden, dann kann die Turbogenerator-Solldrehzahl reduziert werden, um das Turboloch zu reduzieren. Ein Turboloch beschreibt das Verhalten von Turboladern, die an einem Kolbenmotor installiert sind. Da die Systeme durch ein Fluid (Luft und Abgas) miteinander gekoppelt sind, ist die Reaktion des Turboladers im Vergleich zum Motor verzögert. Wenn der Motor schnell beschleunigt wird oder wenn eine plötzliche Lasterhöhung auftritt, dann kommt es zu einer Verzögerung, bevor die Turbolader auf die neuen Bedingungen beschleunigt und sich dort eingespielt haben. Um die Zeit zu verkürzen, die die Turbolader zum Einstellen auf neue Motorbedingungen brauchen, kann die Leistung zur Turbine 20 des Turboladers durch Verringern des Druckverhältnisses über die Turbogenerator-Turbine 70 durch Reduzieren der Drehzahl des Turbogenerators erhöht werden. Durch das Reduzieren der Drehzahl des Turbogenerators wird das effektive Druckverhältnis über die Turbine 70 des Turbogenerators reduziert, so dass das Druckverhältnis über die Turbine 20 ansteigt.
  • Ein weiterer Faktor, der beim Einstellen der Turbogenerator-Solldrehzahl berücksichtigt werden kann, ist die Steuerung der Abgasrückführung (AGR) durch die Abgasrückführungsleitung 50. In Schritt 130 prüft das rechnerlesbare Medium 105, ob ein zusätzlicher AGR-Bedarf erfasst wurde. So könnte zum Beispiel der AGR-Pegel je nach dem Abgasflusspegel durch die Leitung 50 erhöht oder verringert werden müssen. Falls ein zusätzlicher AGR-Bedarf erfasst wird, kann die Turbogenerator-Solldrehzahl erhöht oder verringert werden. Wird die Turbogenerator-Solldrehzahl erhöht, dann wird das effektive Ausdehnungsverhältnis erhöht und der Druck oberhalb der Turbine 20 nimmt zu. Dieser Effekt kann genutzt werden, um den Druck weiter oben im Abgassystem 40 zu erhöhen, um mehr Abgas durch die AGR-Leitung 50 zu treiben. Umgekehrt kann, wenn der AGR-Pegel verringert werden muss, das rechnerlesbare Medium die Steuerung 108 veranlassen, die Turbogenerator-Solldrehzahl zu verringern und somit den Druck oberhalb der Turbine 20 zu reduzieren, so dass der Druck in der Abgasanlage 40 reduziert wird. Dies ergibt einen reduzierten AGR-Fluss.
  • In Schritt 140 des Ablaufdiagrammes von 2 wird jeder der gewünschten zusätzlichen Faktoren berücksichtigt, um die nominelle Turbogenerator-Solldrehzahl zu berechnen. Die in Schritt 140 berechnete nominelle Turbogenerator-Solldrehzahl ist eine einfache Vereinigung der einzelnen Eingänge aus den Schritten 110, 120 und 130. Diese nominelle Solldrehzahl wird dann anhand der oben erörteten „sicheren Hüllkurve” geprüft und in Schritt 150 nach Bedarf justiert.
  • Wenn ermittelt wurde, dass die gewünschte Turbogenerator-Solldrehzahl in die „sichere Hüllkurve” fällt, dann kann eine weitere optionale Prüfung vom rechnerlesbaren Medium durchgeführt werden, um zu ermitteln, ob die Solldrehzahl nahe genug an einer kritischen Drehzahl des Turbogenerator-Rotors liegt, so dass ein Betrieb der Turbomaschine bei dieser Drehzahl die Lebensdauer der Turbomaschine beeinträchtigen könnte. So ruft das rechnerlesbare Medium in Schritt 160 aus einer Lookup-Tabelle einen Satz von Drehzahlbereichen ab, die vermieden werden müssen. Je nachdem, ob die Turbogenerator-Drehzahl erhöht oder verringert werden muss, kann die Turbogenerator-Solldrehzahl jeweils herauf oder herunter gesetzt werden, um die kritischen Drehzahlen des Rotors zu vermeiden.
  • Wenn alle relevanten Prüfungen durchgeführt sind, kann ermittelt werden, ob die Turbogenerator-Istdrehzahl erhöht oder verringert werden muss, damit sie der gewünschten Turbogenerator-Solldrehzahl entspricht. Dieser Schritt erfolgt in Schritt 170 wie in 2 gezeigt. Sollte die Turbogenerator-Istdrehzahl erhöht werden müssen, dann wird das auf die Kurbelwelle aufgebrachte Drehmoment reduziert. Ebenso wird, wenn die Turbogenerator-Istdrehzahl reduziert werden muss, um die gewünschte Turbogenerator-Solldrehzahl zu erhalten, die Last auf die Kurbelwelle erhöht. In Schritt 190 überwacht das rechnerlesbare Medium die Reaktion vom Turbogenerator, wenn die Lastjustage angewandt wurde. Die Reaktion kann die Beschleunigungs- oder Verlangsamungsrate oder die Istdrehzahl des Turbogenerators beeinträchtigen. Wenn eine Differenz zwischen der Turbogenerator-Istdrehzahl und der gewünschten Turbogenerator-Solldrehzahl gemessen wird, dann wird eine Rückführungsschleife wirksam, um die Last auf der Turbogenerator-Kurbelwelle in Schritt 180 weiter zu justieren. Falls jedoch die Turbogenerator-Istdrehzahl der gewünschten Turbogenerator-Solldrehzahl entspricht, wird die Turbogenerator-Drehzahl gehalten, bis sich die Motorbedingungen ändern, so dass eine justierte Turbogenerator-Drehzahl notwendig wird. Das rechnerlesbare Medium 105 überwacht ständig die Motorbedingungen auf Anzeichen dafür, dass die Turbogenerator-Solldrehzahl möglicherweise neu justiert werden müsste.
  • Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen an der/dem hierin offenbarten Vorrichtung und Verfahren vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der begleitenden Ansprüche abzuweichen.
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Turbo-Compound-Systems für einen Kolbenmotor umfasst die folgenden Schritte: Abrufen von Daten über den Motorzustand aus dem Steuergerät des Motors, Abrufen einer optimalen Turbogenerator-Drehzahl bei diesem Motorzustand aus einem Satz von Turbinenwirkungsgraddaten, Einstellen einer gewünschten Turbogenerator-Solldrehzahl auf der Basis des Motorzustands und einer Drehzahl, bei der der Wirkungsgrad der Turbine als optimal angesehen wird, Messen einer Ausgangsspannung des Turbogenerators, Vergleichen der gemessenen Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsbereich und, wenn die gemessene Spannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt, Justieren der Turbogenerator-Solldrehzahl, um die Ausgangsspannung so zu verringern oder zu erhöhen, dass sie in den vorbestimmten Spannungsbereich fällt.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Turbo-Compound-Systems, wobei das System Folgendes umfasst: einen Turbolader, der in Fluidverbindung mit einem Kolbenmotor angeordnet ist, und einen Turbogenerator, der in Fluidverbindung mit einer Turbine des Turboladers angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Abrufen von Daten über den Motorzustand aus dem Steuergerät des Motors; Abrufen einer optimalen Turbogenerator-Drehzahl für diesen Motorzustand aus einem Satz von Turbinenwirkungsgraddaten; Einstellen einer gewünschten Turbogenerator-Solldrehzahl auf der Basis des Motorzustands und einer Drehzahl, bei der der Wirkungsgrad der Turbine als optimal angesehen wird; Messen einer Ausgangsspannung des Turbogenerators, Vergleichen der gemessenen Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsbereich und, wenn die gemessene Spannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt, Justieren der Turbogenerator-Solldrehzahl, um die Ausgangsspannung so zu verringern oder zu erhöhen, dass sie in den vorbestimmten Spannungsbereich fällt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Justieren einer Turbogenerator-Istdrehzahl gemäß der Turbogenerator-Solldrehzahl beinhaltet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Justierens der Turbogenerator-Istdrehzahl das Justieren einer Last auf dem Turbogenerator beinhaltet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, das den weiteren Schritt des Überwachens der Reaktion des Turbogenerators auf die Lastjustierung, des Vergleichens der Turbogenerator-Istdrehzahl mit der Turbogenerator-Solldrehzahl und, wenn sich die Turbogenerator-Istdrehzahl von der Turbogenerator-Solldrehzahl unterscheidet, des erneuten Justierens der Last auf dem Turbogenerator beinhaltet.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Satz von Turbinenwirkungsgraddaten vorbestimmte Leistungstestdaten sind.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das vor dem Justieren der Turbogenerator-Solldrehzahl zum Reduzieren oder Erhöhen der Ausgangsspannung, so dass sie in den vorbestimmten Spannungsbereich fällt, ferner den Schritt des Abrufens von Daten in Bezug auf kritische Drehzahlen des Rotors des Turbogenerators aus dem Steuergerät und des Überprüfens beinhaltet, dass die Turbogenerator-Solldrehzahl keine kritische Drehzahl des Rotors des Turbogenerators ist.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das ferner nach dem Schritt des Einstellens der Turbogenerator-Solldrehzahl auf der Basis des Motorzustands den Schritt des Prüfens auf eine plötzliche Zunahme des Drehmomentbedarfs am Motor, und falls ein plötzlicher Anstieg des Drehmomentbedarfs erfasst wird, des Reduzierens der Turbogenerator-Solldrehzahl beinhaltet.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das System eine Abgasrückführungsleitung umfasst, die zwischen einem Lufteinlass und einer Abgasleitung des Kolbenmotors angeordnet ist, wobei das Verfahren nach dem Schritt des Einstellens der Turbogenerator-Solldrehzahl auf der Basis eines Motorzustands, ferner den Schritt des Prüfens auf einen zusätzlichen Abgasrückführungsbedarf und falls ein unzureichender Massenfluss durch die Abgasrückführungsleitung erfasst wird, des Erhöhens der Turbogenerator-Solldrehzahl beinhaltet.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das System eine Abgasrückführungsleitung umfasst, die zwischen einer Lufteinlassleitung und einem Abgassystem des Kolbenmotors angeordnet ist, wobei das Verfahren nach dem Schritt des Einstellens der Turbogenerator-Solldrehzahl auf der Basis des Motorzustands ferner den Schritt des Prüfens auf einen zusätzlichen Abgasrückführungsbedarf, und falls ein überschüssiger Massenfluss durch die Abgasrückführungsleitung erfasst wird, des Reduzierens der Turbogenerator-Solldrehzahl beinhaltet.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der vorbestimmte Spannungsbereich durch Faktoren, die die Höchstleistungsgrenze des Drehstromgenerators des Turbogenerators und der maximale Betriebsstrom des Turbogenerators umfassen wird.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das ferner den Schritt des Abrufens von Daten in Bezug auf die Kraftstoffeinsparung des Motors von dem Steuergerät des Motors und des Justierens der Turbogenerator-Solldrehzahl beinhaltet, um die Kraftstoffeinsparung des Motors zu maximieren und dadurch den Wirkungsgrad des elektrischen Turbo-Compound-Systems zu erhöhen.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Motorzustand Drehmoment, Motordrehzahl und/oder Massenflussrate durch den Kolbenmotor umfasst.
  13. Rechnerlesbares Medium mit Befehlen, die, wenn sie auf einem Computer abgeführt werden, die Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bewirken.
  14. Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 13, das sich in dem Steuergerät des Motors befindet.
  15. Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 13, das sich in einer Turbogenerator-Steuerung befindet.
  16. Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 13, bei dem sich ein Teil der Befehle in dem Steuergerät des Motors und ein Teil der Befehle in einer Turbogenerator-Steuerung befinden.
  17. Elektrisches Turbo-Compound-System, das einen Turbolader angeordnet in Fluidverbindung mit einem Kolbenmotor, einen Turbogenerator angeordnet in Fluidverbindung mit einer Turbine des Turboladers und ein rechnerlesbares Medium nach einem der Ansprüche 13 bis 16 umfasst.
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