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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
wird nun eine Ausgestaltung eines elektrischen Turbo-Compound-Systems
gemäß der Erfindung
beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Skizze eines elektrischen Turbo-Compound-Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
Ablaufdiagramm, das die Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt; und
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3 ein
Beispiel für
ein Kennfeld des Turbogenerator-Wirkungsgrades mit Bezug auf Drehzahl,
Leistung und Ausgangsspannung des Turbogenerators.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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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.