DE112013001678T5

DE112013001678T5 - Verfahren und Systeme für eine Kraftmaschine

Info

Publication number: DE112013001678T5
Application number: DE112013001678.8T
Authority: DE
Inventors: James Robert Michler; Roy Primus
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2015-03-19
Also published as: US20130247562A1; US9157352B2; WO2013148046A1

Abstract

Geschaffen sind verschiedene Verfahren und Systeme für ein Kraftmaschinensystem für ein Fahrzeug. In einem Beispiel enthält das Kraftmaschinensystem einen Turbolader mit einer Turbine, wobei der Turbolader dazu eingerichtet ist, während eines Turboladermodus durch ein Abgas von einer Kraftmaschine und während eines Aufladermodus durch das Abgas von der Kraftmaschine und durch mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben zu werden. Das Kraftmaschinensystem enthält ferner ein Bypasssteuerelement, um in einem Regenerationsbetriebsmodus eine Energiemenge, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, zu verringern, und während eines Nicht-Regenerationsbetriebsmodus eine Energiemenge, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, zu erhöhen, und ein Nachbehandlungssystem, das stromabwärts des Turboladers angeordnet ist und einen Partikelfilter enthält.

Description

GEBIET
Ausführungsbeispiele des hierin beschriebenen Gegenstandes betreffen Systeme und Verfahren für eine Kraftmaschine mit einem Turbolader und einer Abgasbehandlungsvorrichtung.
HINTERGRUND
Im Betrieb erzeugen Verbrennungskraftmaschinen vielfältige Verbrennungsnebenprodukte, die von der Kraftmaschine in einem Abgasstrom ausgegeben werden. An sich können unterschiedliche Ansätze genutzt werden, um gesetzlich beschränkte Emissionen zu reduzieren. In einigen Beispielen können Partikelemissionen durch Verwenden eines Nachbehandlungssystem mit einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem Partikelfilter, in einem Abgaskanal der Kraftmaschine reduziert werden. Darüber hinaus können Turbolader in einem Kraftmaschinensystem genutzt werden, um einen Druck von Luft zu erhöhen, die der Kraftmaschine zur Verbrennung zugeführt wird. In einem Beispiel enthält der Turbolader eine Turbine, die in einem Abgaskanal der Kraftmaschine angeschlossen ist und die über eine Welle zumindest teilweise einen Verdichter antreibt, um den Druck der Ansaugluft zu steigern.
Im Laufe der Zeit kann eine Partikelbelastung des Partikelfilters zunehmen, so dass eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden muss, um den Partikelfilter zu reinigen, so dass sich beispielsweise ein Gegendruck auf die Kraftmaschine nicht erhöht. Die Erfinder haben hier erkannt, dass, wenn der Partikelfilter stromabwärts der Turbine des Turboladers in dem Abgaskanal angeordnet ist, eine Abgastemperatur stromaufwärts des Partikelfilters und stromabwärts der Turbine möglicherweise nicht ausreichend hoch ist, um den Partikelfilter passiv zu regenerieren. Daher kann eine aktive Regeneration durchgeführt werden, indem beispielsweise stromaufwärts des Partikelfilters Kraftstoff injiziert wird oder der Partikelfilter mittels einer Heizvorrichtung erwärmt wird. In einem solchen Ansatz kann der Wirkungsgrad des Systems aufgrund des erhöhten Kraftstoffverbrauchs möglicherweise reduziert sein und/oder die Kosten des Systems können aufgrund der Hinzufügung von Bauteilen, wie der Heizvorrichtung, steigen.
KURZBESCHREIBUNG
Folglich enthält ein Kraftmaschinensystem für ein Fahrzeug in einem Ausführungsbeispiel einen Turbolader, der eine Turbine aufweist. Der Turbolader ist dazu eingerichtet, während eines Turboladermodus mittels eines Abgases von einer Kraftmaschine und während eines Auflademodus mittels des Abgases von der Kraftmaschine und mittels mechanischer Ausgangsleistung aus der Kraftmaschine angetrieben zu werden. Das Kraftmaschinensystem enthält zudem ein Bypasssteuerelement, das betreibbar ist, um in einem Regenerationsbetriebsmodus eine Energiemenge zu verringern, die von dem die Turbine durchströmenden Abgasstrom entzogen wird, und während eines Nicht-Regenerationsbetriebsmodus eine Energiemenge zu erhöhen, die von dem die Turbine durchströmenden Abgasstrom entzogen wird, und ein Nachbehandlungssystem, das stromabwärts des Turboladers angeordnet ist und einen Partikelfilter enthält. Die Energiemenge, die entnommen wird, wird beispielsweise reduziert, indem Abgas an der Turbine vorbei und durch einen Bypass hindurch geleitet wird. Desgleichen wird die Energiemenge, die entnommen wird, erhöht, indem Abgas durch die Turbine geleitet wird. Alternativ kann, wenn die Turbine eine Turbine mit variabler Geometrie ist, die Energiemenge, die entnommen wird, durch Einstellen eines Längen- und Seitenverhältnisses der Turbine variiert werden.
Indem unter Bedingungen, in denen eine Regeneration des Partikelfilters gewünscht ist, dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom (beispielsweise durch Umgehung der Turbine) weniger Energie entzogen wird, kann eine Abgastemperatur stromabwärts des Turboladers und stromaufwärts des Partikelfilters gesteigert werden, so dass eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden kann. Da der Turbolader während des Regenerationsbetriebsmodus durch mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben werden kann, kann der Ladedruck, der der Kraftmaschine von dem Turbolader bereitgestellt wird, während der Regeneration des Partikelfilters aufrechterhalten werden, so dass dadurch ein Wirkungsgrad des Systems erhalten bleibt.
Es versteht sich, dass die obige Kurzbeschreibung gegeben ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben sind. Es ist nicht beabsichtigt, wichtige oder unentbehrliche Merkmale der vorliegenden Erfindung festzulegen, deren Schutzumfang einzig durch die Ansprüche definiert ist, die der detaillierten Beschreibung folgen. Weiter ist der Anspruchgegenstand nicht auf Ausführungen beschränkt, die im Vorausgehenden oder in anderen Abschnitten dieser Beschreibung erwähnte Nachteile lösen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nach dem Lesen der folgenden Beschreibung nicht beschränkender Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, worin:
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftmaschinensystems, das einen Turbolader mit einem Bypass enthält, wobei das Kraftmaschinensystem in einem Schienenfahrzeug angeordnet ist.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Kraftmaschinensystems von 1 in einem Nicht-Regenerationsbetriebsmodus, wobei sich der Turbolader in einem Auflademodus befindet.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Kraftmaschinensystems von 1 in einem Nicht-Regenerationsbetriebsmodus, mit dem Turbolader in einem Turboladermodus.
4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Kraftmaschinensystems von 1 in einem Regenerationsbetriebsmodus.
5 veranschaulicht in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Betreiben des Turboladers von 1–4.
6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftmaschinensystems, das einen Turbolader mit einer Turbine mit variabler Geometrie enthält.
7 veranschaulicht in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Betreiben des Turboladers von 6.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung betrifft unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Verfahren und Systemen für ein Kraftmaschinensystem, das einen Turbolader und ein Nachbehandlungssystem enthält. In einem Ausführungsbeispiel enthält ein Kraftmaschinensystem einen Turbolader mit einer Turbine, wobei der Turbolader dazu eingerichtet ist, während eines Turboladermodus mittels Abgases von einer Kraftmaschine und während eines Aufladermodus mittels des Abgases von der Kraftmaschine und mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben zu werden. Das Kraftmaschinensystem enthält zudem ein Bypasssteuerelement, das in einem Bypass um die Turbine des Turboladers herum angeordnet ist und das betrieben werden kann, um in einem Regenerationsbetriebsmodus Abgas an der Turbine vorbei zu leiten und während eines Nicht-Regenerationsbetriebsmodus das Abgas durch die Turbine zu leiten, und ein Nachbehandlungssystem, das stromabwärts des Turboladers angeordnet ist und einen Partikelfilter enthält. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann das Abgas während des Regenerationsbetriebsmodus anstatt durch die Turbine hindurch an der Turbine vorbei geleitet werden, so dass eine Temperatur des Partikelfilters durch das Abgas gesteigert werden kann und eine passive Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden kann. Da die Energie, die dem Turbolader von dem Abgas während des Regenerationsbetriebsmodus zugeführt wird, verringert ist, kann der Turbolader beispielsweise mittels mechanischer Ausgangsleistung von der Kraftmaschine angetrieben werden, so dass der Ladedruck aufrechterhalten werden kann.
In einem anderen Ausführungsbeispiel enthält der Turbolader des Kraftmaschinensystems eine Turbine mit variabler Geometrie. Das Kraftmaschinensystem enthält zusätzlich ein Bypasssteuerelement, das betreibbar ist, um ein Längen- und Seitenverhältnis der Turbine mit variabler Geometrie einzustellen, um dadurch die Energiemenge einzustellen, die aus dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird. Speziell wird das Bypasssteuerelement betätigt, um das Längen- und Seitenverhältnis der Turbine während eines Regenerationsbetriebsmodus zu erhöhen und um das Längen- und Seitenverhältnis der Turbine während eines Nicht-Regenerationsbetriebsmodus zu verringern. In einem solchen Ausführungsbeispiel wird dem durch die Turbine strömenden Abgas während des Regenerationsbetriebsmodus weniger Energie entzogen, so dass eine Temperatur von Abgas, das durch den Partikelfilter strömt, durch das Hindurchströmen des Abgases erhöht wird und eine passive Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden kann. Da die Energie, die dem Turbolader während des Regenerationsbetriebsmodus von dem Abgasstrom zugeführt wird, vermindert ist, kann der Turbolader beispielsweise mittels mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben werden, so dass der Ladedruck aufrechterhalten werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Turbolader mit einer Kraftmaschine bzw. einem Motor in einem Fahrzeug verbunden sein. Ein Lokomotivensystem wird als Beispiel dazu verwendet, eine der Fahrzeugarten zu erläutern, die Kraftmaschinen bzw. Motoren aufweisen, an denen der Turbolader angebracht sein kann. Andere Fahrzeugarten können Straßenfahrzeuge und sich von Lokomotiven oder sonstigen Schienenfahrzeugen unterscheidende geländegängige Fahrzeuge, z. B. Bergbauausrüstung und Schiffsfahrzeuge, beinhalten. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung können für Turbolader genutzt werden, die mit stationären Kraftmaschinen verbunden sind. Die Kraftmaschine kann ein Dieselmotor sein oder kann einen sonstigen Kraftstoff oder eine Kombination von Kraftstoffen verbrennen. Solche alternativen Kraftstoffe können Benzin, Kerosin, Biodiesel, Erdgas und Ethanol beinhalten. Geeignete Kraftmaschinen können Kompressionszündung und/oder Funkenzündung verwenden.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugsystems 100, das hier als eine Lokomotive oder ein sonstiges Schienenfahrzeug 106 dargestellt und dazu eingerichtet ist, auf mehreren Rädern 112 auf einer Schiene 102 zu fahren. Wie dargestellt, enthält das Schienenfahrzeug 106 ein Kraftmaschinensystem 101 mit einer Kraftmaschine 104, z. B. mit einem Verbrennungsmotor. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Kraftmaschine 104 ein Zweitaktmotor sein, der einen Verbrennungszyklus über eine einzige Umdrehung (von beispielsweise 360 Grad) einer Kurbelwelle 108 vollendet. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kraftmaschine 104 ein Viertaktmotor sein, der den Verbrennungszyklus über zwei Umdrehungen (z. B. über eine Drehung von 720 Grad) der Kurbelwelle 108 vollendet. Darüber hinaus kann die Kraftmaschine 104 in einigen Beispielen ein V12-Motor mit zwölf Zylindern sein. In anderen Beispielen kann der Motor ein V6, V8, V10, V16, I4, I6, I8, Gegenkolben-4 oder ein sonstiger Motortyp sein.
Der Motor 104 nimmt von einem Einlass, z. B. von einem Ansaugkrümmer 115, Ansaugluft zur Verbrennung auf. Der Einlass kann eine beliebige geeignete Leitung oder mehrere Leitungen sein, durch die Gase strömen, um in den Motor einzutreten. Beispielsweise kann der Einlass den Ansaugkrümmer 115, einen Ansaugkanal 114 und dergleichen enthalten. Der Einlasskanal 114 nimmt Umgebungsluft von einem (nicht gezeigten) Luftfilter auf, der von außerhalb des Schienenfahrzeugs 106 stammende Luft filtert. Durch die Verbrennung in dem Motor 104 entstehendes Abgas wird einem Auslass, z. B. einem Abgaskanal 116, zugeführt. Der Auslass kann eine beliebige geeignete Leitung sein, durch die von dem Motor stammende Gase strömen. Beispielsweise kann der Auslass einen Auslasskrümmer 117, den Abgaskanal 116 und dergleichen aufweisen. Das Abgas strömt durch den Abgaskanal 116 und entweicht aus einem Schornstein des Schienenfahrzeugs 106.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel strömt Ansaugluft durch einen Wärmetauscher, z. B. durch einen Zwischenkühler 110, um die Temperatur der Ansaugluft zu verringern (diese z. B. zu kühlen), bevor sie zur Verbrennung in die Kraftmaschine 104 eintritt. Der Zwischenkühler 110 kann beispielsweise ein Luft-Luft- oder ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher sein.
Wie in 1 dargestellt, enthält das Fahrzeugsystem 100 zudem einen Turbolader 120, der zwischen dem Einlasskanal 114 und dem Abgaskanal 116 angeordnet ist. Der Turbolader 120 steigert die Luftaufladung mit Umgebungsluft, die in den Einlasskanal 114 angesaugt wird, um eine größere Ladedichte während der Verbrennung bereitzustellen, so dass die Ausgangsleistung und/oder der Motorbetriebswirkungsgrad erhöht wird/werden. Wie dargestellt, enthält der Turbolader 120 eine Turbine 122, die einen Verdichter 124 über eine Welle 126 antreibt, die die Turbine 122 und den Verdichter 124 mechanisch verbindet.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält das Fahrzeugsystem 100 zudem einen Kupplungsmechanismus 128 (oder eine andere Art eines selektiven mechanischen Kupplungsmechanismus), der den Turbolader 120 mechanisch mit der Kurbelwelle 108 der Kraftmaschine 104 verbindet. Beispielsweise kann der Kupplungsmechanismus 128 betätigt werden, so dass der Turbolader in zwei verschiedenen Modi arbeitet: einem Turboladermodus und einem Aufladermodus. In dem Turboladermodus ist der Kupplungsmechanismus 128 ausgerückt, so dass die Kurbelwelle 108 mit der Welle 126 des Turboladers 120 nicht mechanisch verbunden ist. Dementsprechend wird der Turbolader 120 mittels des Abgases der Kraftmaschine 104 angetrieben. Beispielsweise läuft die Turbine 122, während das Abgas die Turbine 122 durchquert, um, und sie treibt den Verdichter 124 über die Welle an. In dem Aufladermodus ist der Kupplungsmechanismus 128 eingerückt, so dass die Kurbelwelle 108 mit der Welle 126 des Turboladers 120 mechanisch verbunden ist. Dementsprechend wird der Turbolader 120 durch mechanische Ausgangsleistung aus der Kraftmaschine 104 und zusätzlich durch Abgas aus der Kraftmaschine angetrieben. Während sich die Kurbelwelle 108 beispielsweise dreht, wird die Turboladerwelle 126 gedreht, um den Verdichter 124 anzutreiben. Darüber hinaus kann sämtliches durch die Turbine 122 strömendes Abgas in dem Aufladermodus weiter die Turbine 122 drehen und die Welle 126 antreiben.
Das Fahrzeugsystem 100 enthält zudem einen Bypass 132 mit einem Bypasssteuerelement 134, beispielsweise einem Ladedruckregelventil (Wastegate), das geregelt/gesteuert werden kann, um den die Turbine 122 umgehenden Abgasstrom einzustellen. Durch Einstellen des die Turbine umströmenden (oder durchströmenden) Abgasstroms kann die Energiemenge, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, variiert werden. Beispielsweise ist das Bypasssteuerelement 134 betriebsmäßig mit dem Bypass 132 verbunden, so dass eine Stellung des Bypasssteuerelements 134 einen Grad bestimmt, bis zu dem der Bypass 132 für den Durchgang von Fluid, wie beispielsweise Abgas, geöffnet ist. Das Bypasssteuerelement 134 kann beispielsweise geöffnet werden, um den Abgasstrom von der Turbine 122 weg abzuzweigen. Auf diese Weise kann die Drehgeschwindigkeit des Verdichters 124 und somit der Ladedruck reguliert werden, der der Kraftmaschine 104 durch den Turbolader 120 bereitgestellt wird. Folglich wird die Energiemenge eingestellt, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom durch den Turbolader entzogen wird. Das Bypasssteuerelement 134 kann ein beliebiges Element sein, das sich steuern lässt, um einen Durchlass wahlweise teilweise oder vollständig zu sperren. Beispielsweise kann das Bypassventil ein Schieberventil, ein Klappenventil, ein Kugelventil, eine einstellbare Klappe oder dergleichen sein.
In weiteren Ausführungsbeispielen können die Motorzylinder in zwei Sätze unterteilt sein, wobei Abgas aus einem Satz von Zylindern immer durch die Turbine strömt und Abgas aus dem zweiten Satz wahlweise auf der Grundlage einer Stellung eines Bypasssteuerelements durch die Turbine strömt.
In einem Beispiel ist das System eingerichtet, damit das Bypasssteuerelement 134 eingestellt werden kann, um eine Energiemenge zu verringern, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, indem der durch die Turbine 122 strömende Abgasstrom während eines Betriebs, bei dem Partikelfilterregeneration gewünscht ist, reduziert wird (z. B. indem Abgas an der Turbine 132 vorbei und durch den Bypasskanal 132 geleitet wird). Beispielsweise enthält das System in einem Ausführungsbeispiel eine Steuereinheit, die eine weiter unten beschriebene Steuereinrichtung 180 beinhalten kann, die dazu eingerichtet ist, das Bypasssteuerelement 134 (beispielsweise durch Erzeugen eines oder mehrerer Steuersignale, auf die das Ventil anspricht) einzustellen, um in Reaktion auf eine Anzeige, dass eine Partikelbelastung eine Schwellenlast überschreitet, den durch die Turbine 122 strömenden Abgasstrom zu reduzieren. Auf diese Weise kann eine Abgastemperatur stromabwärts der Turbine 122 und stromaufwärts des Nachbehandlungssystems 130 erhöht werden, so dass der Partikelfilter regeneriert werden kann. Ein solches Beispiel wird im Folgenden eingehender mit Bezug auf 5 beschrieben.
In einem weiteren Beispiel ist das System dazu eingerichtet, damit das Bypasssteuerelement 134 eingestellt werden kann, um während eines Betriebs, bei dem Partikelfilterregeneration nicht gewünscht ist, eine Energiemenge, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, zu erhöhen, indem der Abgasstrom durch die Turbine 122 gesteigert wird. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 180 dazu eingerichtet, das Bypasssteuerelement 134 (beispielsweise durch Erzeugen eines oder mehrerer Steuersignale, auf die das Ventil anspricht) einzustellen, um in Reaktion auf eine Anzeige, dass eine Partikelbelastung geringer ist als eine Schwellenlast, den durch die Turbine 122 strömenden Abgasstrom zu steigern (und den über den Bypass an der Turbine vorbei geleiteten Strom zu verringern). Der Betrag der Steigerung des durch die Turbine strömenden Abgasstroms wird dann durch die Motorlastanforderung bestimmt. Hier wird eine Abgastemperatur stromabwärts der Turbine 122 und stromaufwärts des Nachbehandlungssystems 130 möglicherweise nicht erhöht, und das Partikelfilter kann nicht regeneriert werden. Ein solches Beispiel wird weiter unten mit Bezug auf 2–3 eingehender beschrieben.
Es wird als Vorteil erachtet, dass der Grad des Ladedrucks (und somit der Durchsatz in dem System) aufrechterhalten werden kann, wobei der Unterschied darin besteht, woher die Energie für den Antrieb des Verdichter stammt (speziell von der Motorkurbelwelle und/oder von der Expansion des die Turbine durchströmenden Gases).
Das Nachbehandlungssystem 130 ist in dem Abgaskanal eingebaut, um beispielsweise gesetzlich beschränkte Emissionen zu verringern. Wie in 1 dargestellt, ist das Nachbehandlungssystem 130 stromabwärts der Turbine 122 des Turboladers 120 angeordnet. In weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Nachbehandlungssystem zusätzlich oder alternativ stromaufwärts des Turboladers 120 angeordnet sein. Das Nachbehandlungssystem 130 kann eine oder mehrere Komponenten enthalten. Beispielsweise kann das Nachbehandlungssystem 130 einen oder mehrere Partikelfilter (PF), einen Oxidationskatalysator, einen selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Katalysator, einen Dreiwegekatalysator, einen NO_x-Abscheider und/oder vielfältige sonstige Emissionssteuereinrichtungen oder Kombinationen davon enthalten.
Das Schienenfahrzeug 106 enthält zudem die Steuerungseinheit 180, die vorgesehen und dazu eingerichtet ist, vielfältige Komponenten zu steuern, die dem Fahrzeugsystem 100 zugeordnet sind. In einem Beispiel enthält die Steuerungseinheit 180 ein Computersteuerungssystem. Die Steuereinheit 180 enthält außerdem (nicht gezeigte) nicht flüchtige, von einem Computer auslesbare Speichermedien, die einen Code aufweisen, um eine Bordüberwachung und Steuerung des Schienenfahrzeugbetriebs zu ermöglichen. Während die Steuerungseinheit 180 die Steuerung und Verwaltung des Fahrzeugsystems 100 beaufsichtigt, kann sie, wie im Vorliegenden näher erläutert, in der eingerichtet sein, um Signale von vielfältigen Motorsensoren aufnehmen, um Betriebsparameter und Betriebsbedingungen zu ermitteln und entsprechend vielfältige Kraftmaschinenaktuatoren einzustellen, um den Betrieb des Schienenfahrzeugs 106 zu steuern. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit 180 Signale von vielfältigen Motorsensoren aufnehmen, zu denen, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, gehören: Motordrehzahl, Motorlast, Ladedruck, Umgebungsdruck, Abgastemperatur, Abgasauslassdruck und dergleichen. In Entsprechung kann die Steuerungseinheit 180 das Fahrzeugsystem 100 steuern, indem sie an unterschiedliche Komponenten, beispielsweise Traktionsmotoren, Generatoren, Zylinderventile, Drosseln, Wärmetauscher, Abgasbypassregelventile oder sonstige Ventile oder Strömungssteuerungselemente etc., Steuerbefehle übermittelt.
2–4 veranschaulichen das oben mit Bezug auf 1 beschriebene Kraftmaschinensystem 101 in vielfältigen Betriebsarten. Speziell zeigen 2 und 3 das Kraftmaschinensystem 101 in einem Nicht-Regenerationsbetriebsmodus, in dem keine Regeneration einer Nachbehandlungsvorrichtung erfolgen kann. 4 zeigt das Kraftmaschinensystem 101 in einem Regenerationsbetriebsmodus, in dem eine Regeneration der Nachbehandlungsvorrichtung stattfinden kann.
Wie in dem Beispiel von 2 dargestellt, wird (durch Pfeile 201 und 202 angezeigte) Energie bereitgestellt, um den Verdichter 124 anhand von Abgas und mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine 104 drehend anzutreiben. In einem solchen Beispiel arbeitet die Kraftmaschine 104 möglicherweise bei einer geringen Motorlast. Dementsprechend führt das Abgas der Turbine 122 gegebenenfalls nicht genügend Energie zu, um den Verdichter 124 mit einer gewünschten Drehzahl zu drehen. Daher kann der Kupplungsmechanismus 128 eingerückt werden, so dass die Kurbelwelle mit der Welle 126 des Turboladers 120 mechanisch verbunden wird, und der Turbolader in dem Aufladermodus betrieben wird. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann bei relativ niedrigen Motorlasten das Abgas dem Turbolader 120 50 Prozent der Energie 201 zuführen, und die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine kann dem Turbolader 50 Prozent der Energie 202 zuführen. Wenn die Motorlast zunimmt, kann die von dem Abgas zugeführte Energie 201 steigen.
Wenn die Menge der Energie 201, die dem Turbolader 120 von dem Abgas zugeführt wird, einen Schwellenbetrag erreicht, kann der Kupplungsmechanismus 128 ausgerückt oder von der Kurbelwelle 108 gelöst werden. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann der Schwellenbetrag zwischen 70 und 80 Prozent der dem Turbolader 120 zugeführten Gesamtenergie betragen. Wenn der Kupplungsmechanismus 128 ausgerückt ist, tritt der Turbolader in den in 3 veranschaulichten Turboladermodus ein. Während des Betriebs in dem Turboladermodus, der in 3 veranschaulicht ist, kann die Kraftmaschine mit einer verhältnismäßig hohen Motorlast betrieben sein, und es kann im Wesentlichen die gesamte Energie, die dem Turbolader 120 zugeführt wird, die Energie 201 aus dem Abgas sein.
Während des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus ist das Bypasssteuerelement 134 sowohl in dem in 2 dargestellten Aufladermodus als auch in dem in 3 dargestellten Turboladermodus geschlossen, so dass im Wesentlichen das gesamte Abgas gelenkt wird, um durch die Turbine 122 zu strömen. Durch Schließen des Bypasssteuerelements kann die Energiemenge, die von dem die Turbine durchströmenden Abgasstrom entzogen wird, gesteigert werden. In einer solchen Konfiguration wird eine Temperatur des Abgases stromabwärts des Turboladers 120 aufgrund des Abgases, das durch die Turbine 122 strömt und die Turbine 122 antreibt, verringert. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Abgastemperatur stromabwärts der Turbine 122 kann eine Regeneration eines in dem Nachbehandlungssystem 130 enthaltenen Partikelfilters nicht stattfinden. In einigen Beispielen kann die Durchführung einer Regeneration jedoch ermöglicht sein. Als ein Beispiel hierfür kann eine Regeneration durchgeführt werden, falls stromaufwärts des Partikelfilters Kraftstoff injiziert wird, um die Abgastemperatur zu steigern. In einem solchen Beispiel kann allerdings der Kraftstoffverbrauch erhöht sein, so dass dadurch der Wirkungsgrad des Systems verringert wird.
Falls eine Regeneration gewünscht ist, kann das Kraftmaschinensystem 101 in einen Regenerationsbetriebsmodus eintreten, der in 4 veranschaulicht ist. Die Regeneration kann gewünscht sein, wenn beispielsweise eine Partikelbelastung des Partikelfilters eine Schwelllast überschreitet, wie weiter unten mit Bezug auf 5 mehr im Einzelnen beschrieben. Während des Regenerationsbetriebsmodus wird das Turboladerbypasssteuerelement 134 in eine geöffnete Stellung eingestellt, so dass wenigstens ein Teil des Abgases verzweigt wird, um um die Turbine 122 herum und nicht durch die Turbine 122 hindurch zu strömen. Durch Öffnen des Bypasssteuerelements kann die Energiemenge, die durch den Strom von Abgas durch die Turbine entzogen wird, vermindert werden. Auf diese Weise kann Abgas mit hoher Temperatur seine verhältnismäßig hohe Temperatur beibehalten, und die Abgastemperatur stromabwärts der Turbine 122 wird erhöht, so dass eine Regeneration des Partikelfilters stattfinden kann. Da wenigstens ein Teil des Abgases die Turbine 122 umgeht, wird die Abgasenergie 201, die für den Antrieb des Turboladers 120 verfügbar ist, allerdings verringert. Somit wird der Turbolader in dem Aufladermodus betrieben, und der Kupplungsmechanismus 128 wird eingerückt, so dass mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine 104 den Turbolader 120 antreibt.
Als ein Beispiel kann das Bypasssteuerelement während eines Niedriglastbetriebsmodus eingestellt (z. B. geschlossen) werden, um dem durch eine Turbine eines Turboladers strömenden Abgasstrom eine erste Arbeitsmenge zu entnehmen, während der Turbolader mittels des Abgases und mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben wird. Im Vergleich dazu kann das Bypasssteuerelement während eines Hochlastbetriebsmodus eingestellt (z. B. geschlossen) werden, um dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom eine zweite Arbeitsmenge zu entnehmen, während der Turbolader mittels des Abgases angetrieben wird. Hier ist die zweite Arbeitsmenge größer als die erste Arbeitsmenge. Ferner kann das Bypasssteuerelement während eines Regenerationsbetriebsmodus eingestellt (z. B. geöffnet) werden, um dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom eine dritte Arbeitsmenge zu entnehmen, während eine Abgastemperatur stromabwärts der Turbine und stromaufwärts eines Partikelfilters erhöht wird und während der Turbolader mittels mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben wird. Hier ist die dritte Arbeitsmenge kleiner als sowohl die erste als auch die zweite Arbeitsmenge.
Indem nun mit 5 fortgefahren wird, ist ein Flussdiagramm gezeigt, das ein Verfahren 500 zum Betreiben eines Kraftmaschinensystems, z. B. des oben mit Bezug auf 1–4 beschriebene Kraftmaschinensystems 101, veranschaulicht. Speziell bestimmt das Verfahren die Motorlast und betreibt den Turbolader auf der Grundlage der Motorlast in dem Turboladermodus oder in dem Aufladermodus. Ferner bestimmt das Verfahren eine Partikelbelastung eines Partikelfilters und betreibt das Kraftmaschinensystem in einem Regenerationsbetriebsmodus auf der Grundlage der Partikelbelastung und der Motorlast.
In Schritt 502 wird die Motorlast bestimmt. Die Motorlast kann auf der Grundlage eines oder mehrerer von der Motordrehzahl, dem der Kraftmaschine zugeführten Luftstrom, der Umgebungstemperatur und dergleichen ermittelt werden.
Wenn die Motorlast ermittelt ist, wird in Schritt 504 bestimmt, ob die Motorlast einen Motorlastschwellwert überschreitet. Der Motorlastschwellwert kann auf einer Abgastemperatur oder auf einer Energie bei einer Motorlast basieren. Beispielsweise kann die Energie oder die Temperatur des Abgases während der Zunahme der Motorlast steigen. Daher kann der Turbolader, wenn die Motorlast die Schwellenlast überschreitet, wie im Vorausgehenden beschrieben, in dem Turboladermodus betrieben werden, ohne zusätzliche Energie von der Kraftmaschine zu erfordern.
Wenn ermittelt wird, dass die Motorlast geringer ist als die Schwellenlast, geht das Verfahren daher zu Schritt 516 über, und der Turbolader wird in dem Aufladermodus in dem Nicht-Regenerationsmodus des Kraftmaschinensystems betrieben. Beispielsweise wird der Turbolader sowohl über die Turbine mittels Abgas von der Kraftmaschine als auch über die Kurbelwelle und den Kupplungsmechanismus mittels mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben, so dass die Ausgangsleistung (z. B. der Ladedruck) des Turboladers wie gewünscht ist.
Falls andererseits ermittelt ist, dass die Motorlast größer als die Schwellenlast ist, fährt das Verfahren mit Schritt 506 fort, und der Turbolader wird in dem Turboladermodus in dem Nicht-Regenerationsmodus des Kraftmaschinensystems betrieben. Beispielsweise ist die Motorlast, und somit die Energie, die durch das Abgas von der Kraftmaschine geliefert wird, ausreichend hoch, um den Turbolader mit dem gewünschten Ladedruck anzutreiben.
In Schritt 508 wird die Partikelbelastung des Partikelfilters bestimmt. Als ein Beispiel hierfür kann die Partikelbelastung auf der Grundlage eines Druckabfalls über dem Partikelfilter ermittelt werden. Als ein weiteres Beispiel kann die Partikelbelastung anhand eines Ruß-Modells auf der Grundlage einer Menge von Ruß, die aufgefangen wird, und einer Rußmenge, die im Laufe der Zeit oxidiert, ermittelt werden. Als noch ein weiteres Beispiel kann die Partikelbelastung auf der Grundlage eines oder mehrerer Rußsensoren ermittelt werden, die stromaufwärts und/oder stromabwärts des Partikelfilters angeordnet sind.
Wenn die Partikelbelastung ermittelt ist, wird in Schritt 510 bestimmt, ob die Partikelbelastung einen Partikelbelastungsschwellwert überschreitet. Der Partikelbelastungsschwellwert kann eine Partikelbelastung sein, bei der ein Gegendruck in dem Abgaskanal stromaufwärts des Partikelfilters zu steigen beginnt, und/oder bei der ein Wirkungsgrad des Systems abzunehmen beginnt. Falls festgestellt wird, dass die Partikelbelastung geringer ist als der Partikelbelastungsschwellwert, fährt das Verfahren mit Schritt 518 fort, und der aktuelle Betrieb wird fortgesetzt. Beispielsweise läuft der Motor weiter in dem Nicht-Regenerationsmodus, während der Turbolader in dem Turboladermodus arbeitet.
Falls andererseits ermittelt ist, dass die Partikelbelastung die Schwellenlast überschreitet, fährt das Verfahren mit Schritt 512 fort, und das Bypasssteuerelement wird in eine geöffnete Stellung versetzt, so dass Abgas an der Turbine des Turboladers vorbei geleitet wird. In dieser Weise lässt sich eine Temperatur des Abgases stromabwärts der Turbine erhöhen, so dass eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden kann.
Sobald das Bypasssteuerelement geöffnet wird, wird in Schritt 514 der Turbolader in dem Aufladermodus in dem Regenerationsmodus des Kraftmaschinensystems betrieben. Daher wird der Kupplungsmechanismus eingerückt, so dass mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine den Turbolader antreiben kann. Auf diese Weise ist der Turbolader in der Lage, der Kraftmaschine während der Regeneration des Partikelfilters weiter den gewünschten Ladedruck bereitzustellen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugmotorsystems ist mit Bezug auf 6 veranschaulicht. Hier ist die Turbine des Kraftmaschinenturboladers eine Turbine mit variabler Geometrie, und die Energiemenge, die dem durch die Turbine mit variabler Geometrie strömenden Abgasstrom entzogen wird, wird durch Variieren eines Längen- und Seitenverhältnisses der Turbine eingestellt. In 6 enthält ein Kraftmaschinensystem 600 eine Kraftmaschine 604, die über einen Turbolader 620 mit einem Nachbehandlungssystem 630 verbunden ist. Der Turbolader 620 enthält eine Turbine 622 mit variabler Geometrie (VGT), die dazu eingerichtet ist, durch einen Abgasstrom angetrieben zu werden, der von dem Auslasskrümmer der Kraftmaschine 604 her aufgenommen wird. Darüber hinaus kann die Turbine 622 in Abhängigkeit von Motorlastbedingungen zumindest bei einen Teil der Energie von der Kraftmaschine 604 über einen Kupplungsmechanismus 628, der den Turbolader 620 mit der Kurbelwelle 608 der Kraftmaschine 604 mechanisch verbindet, angetrieben werden. Wie mit Bezug auf 1 beschrieben, kann der Kupplungsmechanismus 628 betrieben werden, so dass der Turbolader in zwei verschiedenen Modi arbeitet: einem Turboladermodus (bei dem der Kupplungsmechanismus 628 ausgerückt ist, so dass die Kurbelwelle 608 nicht mit der Welle des Turboladers 620 mechanisch verbunden ist) und einem Aufladermodus (bei dem der Kupplungsmechanismus eingerückt ist, so dass die Kurbelwelle 608 mit der Welle des Turboladers 620 mechanisch verbunden ist). Somit kann der Turbolader 620 mittels des Abgases der Kraftmaschine 604 (indem dieses durch die Leitschaufeln der VGT 622 strömt) und mittels mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine 604 (zusätzlich zu dem von der Kraftmaschine stammenden Abgas) angetrieben werden. Dementsprechend kann in dem Aufladermodus jegliches Abgas, das durch die Turbine 622 strömt, weiter die Turbine 622 drehen und die Turboladerwelle antreiben.
Die VGT 622 kann mit einem Bypasssteuerelement 634 kommunikationsmäßig verbunden sein. Durch Betätigen des Bypasssteuerelements 634 kann eine Motorsteuerung die Geometrie der Turbine 622 verändern, um dadurch das Längen- und Seitenverhältnis der Turbine einzustellen. Die Änderung der Geometrie kann beispielsweise eine Änderung eines Winkels der Leitschaufeln und/oder eine Änderung eines Abstands zwischen den Leitschaufeln beinhalten. In noch weiteren Ausführungsbeispielen, in denen die Turbine mit variabler Geometrie eine Turbine mit veränderbarer Düse ist, kann das Bypasssteuerelement betätigt werden, um eine Position oder einen Winkel der Düse einzustellen. Dementsprechend ermöglichen Einstellungen der Geometrie der VGT, eine Energiemenge zu variieren, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird. Als ein Beispiel hierfür kann das Bypasssteuerelement betätigt werden, um eine Energiemenge zu verringern, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, indem ein Längen- und Seitenverhältnis (oder Bereich) der Turbine mit variabler Geometrie vergrößert wird. Auf diese Weise kann stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Partikelfilters mehr Energie (z. B. ein Abgas mit höherer Temperatur) verfügbar sein, so dass eine Regeneration eines Partikelfilters durchgeführt werden kann. Als ein weiteres Beispiel kann das Bypasssteuerelement betätigt werden, um eine Energiemenge zu erhöhen, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, indem ein Längen- und Seitenverhältnis (oder Bereich) der Turbine mit variabler Geometrie verringert wird. Somit kann stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Partikelfilters weniger Energie (z. B. Abgas mit niedrigerer Temperatur) verfügbar sein, so dass eine Regeneration eines Partikelfilters nicht durchgeführt werden kann. Die vielfältigen Betriebsmodi des Kraftmaschinensystems von 6 sind mit Bezug auf 7 erläutert.
Indem nun auf 7 eingegangen wird, ist anhand eines Flussdiagramms ein Verfahren 700 veranschaulicht, das dazu dient, ein Kraftmaschinensystem, z. B. das Kraftmaschinensystem 600, das eine Turbine mit variabler Geometrie enthält, wie oben mit Bezug auf 6 beschrieben, zu betreiben. Speziell bestimmt das Verfahren die Motorlast und stellt den Turbolader entsprechend ein, so dass dieser in dem Turboladermodus oder in dem Aufladermodus arbeitet. Ferner bestimmt das Verfahren eine Partikelbelastung eines Partikelfilters und betreibt das Kraftmaschinensystem auf der Grundlage der Partikelbelastung und der Motorlast in einem Regenerationsbetriebsmodus. Basierend auf dem ausgewählten Modus wird das Bypasssteuerelement betätigt, um ein Längen- und Seitenverhältnis der Turbine zu ändern und dadurch eine Energiemenge, die dem die Turbine mit variabler Geometrie durchströmenden Abgasstrom entzogen wird, zu ändern.
In Schritt 702 wird die Motorlast bestimmt. Die Motorlast kann auf der Grundlage eines oder mehrerer von der Motordrehzahl, dem der Kraftmaschine zugeführten Luftstrom, der Umgebungstemperatur und dergleichen ermittelt werden.
Wenn die Motorlast ermittelt ist, wird in Schritt 704 bestimmt, ob die Motorlast einen Motorlastschwellwert überschreitet. Der Motorlastschwellwert kann auf einer Abgastemperatur oder auf einer Energie bei einer Motorlast basieren. Beispielsweise kann die Abgasenergie oder -temperatur steigen, wenn die Motorlast zunimmt. Wenn die Motorlast die Schwellenlast überschreitet, kann der Turbolader daher in dem Turboladermodus betrieben werden, ohne zusätzliche Energie von der Kraftmaschine zu erfordern.
Falls festgestellt wird, dass die Motorlast geringer ist als die Schwellenlast, geht das Verfahren zu Schritt 716, und der Turbolader wird in dem Nicht-Regenerationsmodus des Kraftmaschinensystems in dem Aufladermodus betrieben. Hier kann ein Kupplungsmechanismus eingerückt werden, so dass die Kurbelwelle mechanisch mit der Welle des Turboladers verbunden wird und der Turbolader in dem Aufladermodus betrieben wird. Folglich wird der Turbolader sowohl mittels Abgas von der Kraftmaschine über die Turbine mit variabler Geometrie als auch mittels mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine über die Kurbelwelle und den Kupplungsmechanismus angetrieben, so dass die Ausgangsleistung (z. B. der Ladedruck) des Turboladers der Anforderung entspricht. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann das Abgas bei relativ niedrigen Motorlasten dem Turbolader 50 Prozent der Energie zuführen, und die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine kann dem Turbolader 50 Prozent der Energie zuführen. Wenn die Motorlast steigt, kann die von dem Abgas zugeführte Energie gesteigert werden, bis die Schwellenlast erreicht ist.
Falls andererseits festgestellt wird, dass die Motorlast die Schwellenlast überschreitet, fährt das Verfahren mit Schritt 706 fort, und der Turbolader wird in dem Turboladermodus in dem Nicht-Regenerationsmodus des Kraftmaschinensystems betrieben. Beispielsweise ist die Motorlast, und somit die Energie, die durch das Abgas von der Kraftmaschine geliefert wird, ausreichend hoch, um den Turbolader mit dem gewünschten Ladedruck anzutreiben.
Es ist einsichtig, dass das Bypasssteuerelement 634 sowohl in dem Turboladermodus als auch in dem Aufladermodus des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus des Kraftmaschinensystems betätigt werden kann, um die Geometrie der VGT einzustellen (beispielsweise das Längen- und Seitenverhältnis zu verringern), so dass die Energiemenge, die dem durch die VGT 622 strömenden Abgasstrom entzogen wird, erhöht wird. In einer solchen Konfiguration wird eine Temperatur des Abgases stromabwärts des Turboladers 620 und stromaufwärts des Partikelfilters aufgrund der erhöhten Energieentnahme durch die Turbine 622 verringert. Wegen der verhältnismäßig geringen Abgastemperatur stromabwärts der Turbine 622 kann eine Regeneration eines in dem Nachbehandlungssystem 630 enthaltenen Partikelfilters nicht erfolgen.
In Schritt 708 wird die Partikelbelastung des Partikelfilters bestimmt. Als ein Beispiel kann die Partikelbelastung auf der Grundlage eines Druckabfalls über dem Partikelfilter ermittelt werden. Als ein weiteres Beispiel kann die Partikelbelastung anhand eines Ruß-Modells auf der Grundlage einer Menge von Ruß, die aufgefangen wird, und einer Menge von Ruß, die im Laufe der Zeit oxidiert, ermittelt werden. Als noch ein weiteres Beispiel kann die Partikelbelastung auf der Grundlage eines oder mehrerer Rußsensoren ermittelt werden, die stromaufwärts und/oder stromabwärts des Partikelfilters angeordnet sind.
Wenn die Partikelbelastung ermittelt ist, wird in Schritt 710 bestimmt, ob die Partikelbelastung einen Partikelbelastungsschwellwert überschreitet. Der Partikelbelastungsschwellwert kann eine Partikelbelastung sein, bei der ein Gegendruck in dem Abgaskanal stromaufwärts des Partikelfilters zu steigen beginnt und/oder bei der ein Wirkungsgrad des Systems abzunehmen beginnt. Falls festgestellt wird, dass die Partikelbelastung kleiner ist als der Partikelbelastungschwellwert, geht das Verfahren zu Schritt 718, und der aktuelle Betrieb wird fortgesetzt. Beispielsweise läuft der Motor weiter in dem Nicht-Regenerationsmodus, während der Turbolader in dem Turboladermodus arbeitet.
Falls andererseits festgestellt wird, dass die Partikelbelastung größer ist als die Schwellenlast, fährt das Verfahren mit Schritt 712 fort, und das Bypasssteuerelement wird betätigt, um die Geometrie der VGT einzustellen (beispielsweise das Längen- und Seitenverhältnis zu erhöhen), so dass die Energiemenge, die dem durch die VGT 622 strömenden Abgasstrom entzogen wird, reduziert wird. In einer solchen Konfiguration wird eine Temperatur des Abgases stromabwärts des Turboladers 120 aufgrund der verminderten Energieentnahme durch die Turbine 622 erhöht. Auf diese Weise kann eine Temperatur des Abgases stromabwärts der Turbine erhöht werden, so dass eine Regeneration des Partikelfilters erfolgen kann.
Wenn das Bypasssteuerelement betätigt ist, wird der Turbolader in Schritt 714 in dem Aufladermodus in dem Regenerationsmodus des Kraftmaschinensystems betrieben. Somit wird der Kupplungsmechanismus eingerückt, so dass mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine den Turbolader antreiben kann. Auf diese Weise kann der Turbolader der Kraftmaschine den gewünschten Ladedruck weiter bereitstellen, während der Partikelfilter regeneriert wird.
Somit kann das Kraftmaschinensystem in einem Nicht-Regenerationsbetriebsmodus und in einem Regenerationsbetriebsmodus betrieben werden. In dem Nicht-Regenerationsbetriebsmodus kann das Bypasssteuerelement eingestellt werden (z. B. in einer im Wesentlichen geschlossenen Stellung beibehalten werden, so dass der größte Teil des Abgases die Turbine durchsetzt, um die Turbine anzutreiben, oder eingestellt werden, um ein Längen- und Seitenverhältnis einer VGT zu verringern), so dass eine Energiemenge, die dem durch die Turbine des Turboladers strömenden Abgasstrom entzogen wird, gesteigert wird. In Abhängigkeit von der Motorlast kann der Turbolader in dem Turboladermodus, bei dem das von der Kraftmaschine stammende Abgas den Turbolader antreibt, oder in dem Aufladermodus betrieben werden, bei dem mechanische Ausgangsleistung aus der Kraftmaschine ergänzende Leistung bereitstellt, um die Turbine anzutreiben. Wenn die Partikelbelastung des Partikelfilters einen Partikelbelastungsschwellwert überschreitet, kann das Kraftmaschinensystem in dem Regenerationsmodus betrieben werden, bei dem das Bypasssteuerelement erneut eingestellt wird (z. B. geöffnet wird, so dass Abgas an der Turbine des Turboladers vorbei geleitet wird, oder eingestellt wird, um ein Längen- und Seitenverhältnis einer VGT zu vergrößern), so dass eine Energiemenge, die dem durch die Turbine des Turboladers strömenden Abgasstrom entzogen wird, reduziert wird. Da weniger Energie durch die Turbine entzogen wird und weniger Energie für den Antrieb der Turbine vorhanden ist, wird der Turbolader in dem Aufladermodus betrieben, so dass der Ladedruck, der der Kraftmaschine durch den Turbolader bereitgestellt wird, aufrechterhalten werden kann. In dieser Weise kann ein Betrieb des Kraftmaschinensystems beispielsweise während Bedingungen wie einer Partikelfilterregeneration aufrechterhalten werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Kraftmaschinensystem für ein Fahrzeug. Das System enthält einen Turbolader mit einer Turbine. Die Turbine ist strömungsmäßig mit einem Abgaskanal einer Kraftmaschine verbunden. Das System enthält zudem ein Bypasssteuerelement, das stromaufwärts der Turbine strömungsmäßig mit dem Abgaskanal verbunden ist. Das Bypasssteuerelement lässt sich in einen offenen Zustand, in dem Abgas in dem Abgaskanal an der Turbine vorbei zu einer stromabwärts der Turbine gelegenen Stelle verzweigt wird, und in einen geschlossenen Zustand versetzen, in dem das Abgas nicht um die Turbine herum geleitet wird. Das System enthält außerdem einen selektiven mechanischen Kupplungsmechanismus, der betriebsmäßig zwischen dem Turbolader und einem mechanischen Ausgang der Kraftmaschine angeordnet ist. Der selektive mechanische Kupplungsmechanismus lässt sich in einen ersten Zustand, in dem der mechanische Ausgang der Kraftmaschine mit dem Turbolader mechanisch verbunden ist, um den Turbolader anzutreiben, und in einen zweiten Zustand steuern, in dem der mechanische Ausgang der Kraftmaschine nicht mit dem Turbolader mechanisch verbunden ist, um den Turbolader anzutreiben. Das Kraftmaschinensystem enthält ferner ein Steuerungssystem. Das Steuerungssystem ist dazu eingerichtet, das Bypasssteuerelement und den selektiven mechanischen Kupplungsmechanismus in einen ersten Modus, in dem weniger Abgas durch die Turbine geleitet wird und in dem der Turbolader durch die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben wird, und in einen zweiten Modus zu steuern, in dem mehr Abgas durch die Turbine geleitet wird. (”Weniger” und ”mehr” sind relativ zu dem ersten und zweiten Betriebsmodus.)
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Steuerungssystem dazu eingerichtet, das Bypasssteuerelement und den selektiven mechanischen Kupplungsmechanismus in den zweiten Modus zu steuern, so dass der Turbolader nicht durch die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben wird, wenn eine Motorlast einen Motorlastschwellwert überschreitet, und der Turbolader wird durch die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben, wenn die Motorlast kleiner ist als der Motorlastschwellwert.
In dem hier verwendeten Sinne sollten im Singular erwähnte Elemente oder Schritte, denen der unbestimmte Artikel „ein” oder „eine” vorangestellt ist, in dem Sinne verstanden werden, dass der Plural der Elemente oder Schritte nicht ausgeschlossen ist, es sei denn ein derartiger Ausschluss ist ausdrücklich erwähnt. Ferner soll die Bezugnahme auf ”ein Ausführungsbeispiel” der vorliegenden Erfindung nicht als Ausschluss der Existenz zusätzlicher Ausführungsbeispiele interpretiert werden, die ebenfalls die aufgeführten Merkmale verkörpern. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele, die ein oder mehrere Elemente mit einer speziellen Eigenschaft ”beinhalten”, ”enthalten” oder ”aufweisen”, weiterhin derartige Elemente enthalten, die diese Eigenschaft nicht haben. Die Begriffe ”enthaltend” und ”in dem/der/den” werden als die Klartext-Äquivalente der entsprechenden Begriffe ”aufweisend” und ”worin” verwendet. Weiter dienen die Begriffe ”erste”, ”zweite”, ”dritte” und dergleichen lediglich zur Kennzeichnung und sollen ihren Objekten weder numerische Anforderungen noch eine spezielle Reihenfolge der Anordnung auferlegen.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu beschreiben und darüber hinaus einem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich beliebige Vorrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele einschließen, die dem Fachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.

Claims

Kraftmaschinensystem für ein Fahrzeug, das aufweist: einen Turbolader, der eine Turbine enthält, wobei der Turbolader eingerichtet ist, um während eines Turboladermodus mittels eines Abgases einer Kraftmaschine und während eines Aufladermodus mittels des Abgases der Kraftmaschine und mittels mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben zu werden; ein Bypasssteuerelement, das mit der Turbine des Turboladers kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet ist, um in einem Regenerationsbetriebsmodus eine Energiemenge, die einem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, zu verringern und während eines Nicht-Regenerationsbetriebsmodus eine Energiemenge, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, zu erhöhen; und ein Nachbehandlungssystem, das stromabwärts des Turboladers angeordnet ist und einen Partikelfilter enthält.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 1, wobei das Bypasssteuerelement in einem die Turbine umgehenden Bypass angeordnet ist, zu dem ferner ein Steuerungssystem gehört, das betrieben werden kann, um in Abhängigkeit von einer Motorlast während des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus das Bypasssteuerelement zu schließen, um die Energiemenge, die dem Abgasstrom entzogen wird, zu erhöhen, indem Abgas durch die Turbine geleitet wird, und den Turbolader mittels des Abgases anzutreiben, und während des Regenerationsbetriebsmodus die Energiemenge, die dem Abgasstrom entzogen wird, zu verringern, indem das Bypasssteuerelement auf der Grundlage einer Partikelbelastung des Partikelfilters geöffnet wird, um Abgas an der Turbine vorbei zu leiten, und den Turbolader zumindest teilweise über die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine anzutreiben.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 1, wobei der Turbolader in dem Nicht-Regenerationsmodus in Abhängigkeit von einer Motorlast in dem Turboladermodus und dem Aufladermodus betrieben wird und wobei der Turbolader in dem Regenerationsmodus lediglich in dem Aufladermodus betrieben wird.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 1, zu dem außerdem ein Kupplungsmechanismus gehört, der zwischen einer Kurbelwelle der Kraftmaschine und einer Welle des Turboladers angeschlossen ist, wobei der Kupplungsmechanismus eingerückt wird, um den Turbolader über die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine anzutreiben.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 1, wobei die Turbine des Turboladers eine Turbine mit variabler Geometrie ist und wobei ein Längen- und Seitenverhältnis der Turbine mit variabler Geometrie durch Betätigung des Bypasssteuerelementes eingestellt wird.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 5, zu dem ferner ein Steuerungssystem gehört, das betrieben werden kann, um während des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus das Bypasssteuerelement zu betätigen, um die Energiemenge, die dem Abgasstrom entzogen wird, zu vergrößern, indem das Längen- und Seitenverhältnis der Turbine mit variabler Geometrie verringert wird, und während des Regenerationsbetriebsmodus das Bypasssteuerelement zu betätigen, um die Energiemenge, die dem Abgasstrom entzogen wird, zu verringern, indem das Längen- und Seitenverhältnis der Turbine mit variabler Geometrie erhöht wird.
Kraftmaschinensystem nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug ist.
Verfahren, das aufweist: während eines Nicht-Regenerationsbetriebsmodus, Einstellen eines Bypasssteuerelements, um eine Energiemenge, die einem Abgasstrom entzogen wird, der eine Turbine eines Turboladers durchströmt, zu erhöhen, und Antreiben des Turboladers mittels des Abgases und/oder einer mechanischen Ausgangsleistung der Kraftmaschine; und während eines Regenerationsbetriebsmodus, Einstellen des Bypasssteuerelements, um eine Energiemenge, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, zu verringern, und Antreiben des Turboladers mittels der mechanischen Ausgangsleistung der Kraftmaschine.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner während des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus ein Antreiben des Turboladers mittels des Abgases, wenn eine Motorlast größer als ein Motorlastschwellwert ist, und Antreiben des Turboladers mittels des Abgases und mittels der mechanischen Ausgangsleistung der Kraftmaschine, wenn eine Motorlast kleiner als der Motorlastschwellwert ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner während des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus ein Betreiben des Turboladers in einem Turboladermodus, bei dem der Turbolader durch das Abgas angetrieben wird, und einem Aufladermodus, bei dem der Turbolader durch die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben wird, und während des Regenerationsbetriebsmodus ein Betreiben des Turboladers in einem Aufladermodus, bei dem der Turbolader durch die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben wird, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, zu dem ferner gehört, den Regenerationsbetriebsmodus in Abhängigkeit davon auszulösen, dass eine Partikelbelastung eines Partikelfilters, das stromabwärts der Turbine angeordnet ist, einen Schwellwert einer Partikelbelastung überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bypasssteuerelement in einem die Turbine umgehenden Bypass angeordnet ist und wobei der Schritt des Einstellens des Bypasssteuerelementes während des Regenerationsbetriebsmodus, um eine Energiemenge zu verringern, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, ein Öffnen des Bypasssteuerelementes beinhaltet, um Abgas durch den Bypass und um die Turbine herum zu einer Stelle stromaufwärts des Partikelfilters zu leiten, und wobei das Einstellen des Bypasssteuerelements während des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus, um eine Energiemenge zu erhöhen, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, ein Schließen des Bypasssteuerelementes beinhaltet, um Abgas durch die Turbine zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 12, zu dem ferner ein Auslösen einer Regeneration des Partikelfilters während des Regenerationsbetriebsmodus gehört, wenn eine Abgastemperatur stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Partikelfilters über eine Schwellwertabgastemperatur ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Turbine eine Turbine mit variabler Geometrie ist und wobei ein Längen- und Seitenverhältnis der Turbine mit variabler Geometrie durch Betätigung des Bypasssteuerelementes eingestellt wird und wobei das Einstellen des Bypasssteuerelementes während des Regenerationsbetriebsmodus, um eine Energiemenge zu verringern, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, ein Betätigen des Bypasssteuerelementes beinhaltet, um das Längen- und Seitenverhältnis der Turbine mit variabler Geometrie zu erhöhen, und wobei das Einstellen des Bypasssteuerelementes während des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus, um eine Energiemenge zu vergrößern, die dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom entzogen wird, ein Betätigen des Bypasssteuerelements beinhaltet, um das Längen- und Seitenverhältnis der Turbine mit variabler Geometrie zu verringern.
Verfahren, das aufweist: während eines Niedriglastbetriebsmodus, Einstellen eines Bypasssteuerelements, um einem durch eine Turbine eines Turboladers strömenden Abgasstrom eine erste Arbeitsmenge zu entziehen, und Antreiben des Turboladers mittels des Abgasstroms und mittels mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine; während eines Hochlastbetriebsmodus, Einstellen des Bypasssteuerelements, um dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom eine zweite Arbeitsmenge zu entziehen, und Antreiben des Turboladers mittels des Abgasstroms, wobei die zweite Arbeitsmenge größer ist als die erste Arbeitsmenge; und während eines Regenerationsbetriebsmodus, Einstellen des Bypasssteuerelements, um dem durch die Turbine strömenden Abgasstrom eine dritte Arbeitsmenge zu entziehen, während eine Abgastemperatur stromabwärts der Turbine und stromaufwärts eines Partikelfilters erhöht wird, und Antreiben des Turboladers mittels mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine, wobei die dritte Arbeitsmenge kleiner ist als sowohl die erste Arbeitsmenge als auch die zweite Arbeitsmenge.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Niedriglastbetriebsmodus und der Hochlastbetriebsmodus einen Nicht-Regenerationsbetriebsmodus beinhalten, wobei der Niedriglastbetriebsmodus beinhaltet, dass eine Motorlast geringer ist als ein Motorlastschwellwert, und wobei der Hochlastbetriebsmodus beinhaltet, dass die Motorlast größer ist als der Motorlastschwellwert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bypasssteuerelement in einem die Turbine umgehenden Bypass angeordnet ist und wobei das Bypasssteuerelement während des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus geschlossen ist, um den Abgasstrom durch die Turbine zu leiten, und während des Regenerationsbetriebsmodus geöffnet ist, um den Abgasstrom an der Turbine vorbei und durch den Bypass zu einer Stelle stromaufwärts des Partikelfilters zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Turbine eine Turbine mit variabler Geometrie ist, wobei das Einstellen des Bypasssteuerelementes beinhaltet, ein Längen- und Seitenverhältnis der Turbine mit variabler Geometrie einzustellen, und wobei das Bypasssteuerelement eingestellt wird, um das Längen- und Seitenverhältnis während des Nicht-Regenerationsbetriebsmodus zu verringern, und wobei das Bypasssteuerelement eingestellt wird, um das Längen- und Seitenverhältnis während des Regenerationsbetriebsmodus zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 15, das ein Einrücken eines Kupplungsmechanismus aufweist, um den Turbolader mit einer Kurbelwelle der Kraftmaschine mechanisch zu verbinden, um den Turbolader mittels mechanischer Ausgangsleistung der Kraftmaschine anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 15, zu dem ferner gehört, den Regenerationsbetriebsmodus auszulösen, um den Partikelfilter zu regenerieren, wenn eine Partikelbelastung des Partikelfilters eine Schwellwertpartikelbelastung überschreitet und wenn eine Motorlast eine Schwellenlast überschreitet.
Kraftmaschinensystem für ein Fahrzeug, das aufweist: einen Turbolader, der eine Turbine enthält, wobei die Turbine mit einem Abgaskanal einer Kraftmaschine strömungsmäßig verbunden ist; ein Bypasssteuerelement, das stromaufwärts der Turbine mit dem Abgaskanal strömungsmäßig verbunden ist, wobei das Bypasssteuerelement in einen offenen Zustand, in dem Abgas in dem Abgaskanal an der Turbine vorbei zu einer Stelle stromabwärts der Turbine geleitet wird, und einen geschlossenen Zustand gesteuert werden kann, in dem das Abgas nicht an der Turbine vorbei geleitet wird; ein selektiver mechanischer Kupplungsmechanismus, der betriebsmäßig zwischen dem Turbolader und einem mechanischen Ausgang der Kraftmaschine angeordnet ist, wobei der selektive mechanische Kupplungsmechanismus in einen ersten Zustand, in dem der mechanische Ausgang der Kraftmaschine mit dem Turbolader mechanisch verbunden ist, um den Turbolader anzutreiben, und in einen zweiten Zustand gesteuert werden kann, in dem der mechanische Ausgang der Kraftmaschine nicht mit dem Turbolader mechanisch verbunden ist, um den Turbolader anzutreiben; und ein Steuerungssystem, wobei das Steuerungssystem eingerichtet ist, um das Bypasssteuerelement und den selektiven mechanischen Kupplungsmechanismus in einem ersten Modus, in dem weniger Abgas durch die Turbine geleitet wird und der Turbolader durch die mechanische Ausgangsleistung der Kraftmaschine angetrieben wird, und in einem zweiten Modus steuern, in dem mehr Abgas durch die Turbine geleitet wird.
System nach Anspruch 21, wobei das Steuerungssystem eingerichtet ist, um das Bypasssteuerelement und den selektiven mechanischen Kupplungsmechanismus in dem zweiten Modus zu steuern, so dass der Turbolader nicht durch den mechanischen Ausgang der Kraftmaschine angetrieben wird, wenn eine Motorlast größer ist als ein Motorlastschwellwert, und der Turbolader durch den mechanischen Ausgang der Kraftmaschine angetrieben wird, wenn die Motorlast kleiner ist als der Motorlastschwellwert.