EP3036415A1 - Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen verdichter - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen verdichter

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EP3036415A1
EP3036415A1 EP14747564.4A EP14747564A EP3036415A1 EP 3036415 A1 EP3036415 A1 EP 3036415A1 EP 14747564 A EP14747564 A EP 14747564A EP 3036415 A1 EP3036415 A1 EP 3036415A1
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EP
European Patent Office
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energy storage
internal combustion
combustion engine
additional energy
electrically driven
Prior art date
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Ceased
Application number
EP14747564.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nils Lindenkamp
Michael FINDEISEN
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
    • F02B39/08—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio
    • F02B39/10—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/04—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with an electrically driven compressor, which is supplied from an electrical system with electrical energy.
  • exhaust gas turbochargers which consist of a turbine and a compressor connected thereto via a shaft.
  • the turbine is integrated into the exhaust system of the internal combustion engine and is thus flowed through by the exiting an internal combustion engine of the internal combustion engine exhaust gas, which is relaxed and transmits part of its flow energy to the turbine. This leads to a rotational movement of a rotor of the turbine, which is transmitted via a shaft to the compressor.
  • the compressor is in the charge air system of
  • Integrated internal combustion engine and ensures a compression of the internal combustion engine of the engine supplied charge air.
  • exhaust gas turbochargers require a sufficiently large exhaust gas mass flow for their function, without the relevant
  • an exhaust gas turbocharger with an electrically driven compressor.
  • the main advantage of an electrically driven compressor lies in the possibility of operating it independently of the respective operating state of the internal combustion engine. It can thus be provided to operate the electrically driven compressor with relatively high power in an operating state of the internal combustion engine in which it is operated with low load and low speeds and thus with a low exhaust gas flow. The electrically driven compressor can then due to the small Compensate exhaust gas mass flow existing power shortfall of the exhaust gas turbocharger.
  • a corresponding internal combustion engine is known for example from DE 101 59 801 A1.
  • DE 10 2007 029 479 A1 discloses an electrical system for a motor vehicle, comprising at least one starter for an internal combustion engine, a generator for generating electrical energy, a vehicle battery for supplying the starter with electrical energy for starting the internal combustion engine and one or more consumers, e.g. includes a car radio.
  • a starter for an internal combustion engine e.g. a generator for generating electrical energy
  • a vehicle battery for supplying the starter with electrical energy for starting the internal combustion engine
  • one or more consumers e.g. includes a car radio.
  • an auxiliary voltage source e.g. a relatively small accumulator or a capacitor integrated.
  • the consumers are briefly supplied by the auxiliary voltage source with electrical energy.
  • WO 2008/125552 A1 discloses a supercharged by means of an exhaust gas turbocharger
  • a hybrid vehicle or a motor vehicle with automatic start-stop system that the relatively frequently used starter of the internal combustion engine is powered by a first of the energy storage, wherein the voltage drop of the first energy storage occurring at the start by the temporary separation of the first energy storage of the Electrical system is kept away.
  • the present invention seeks to provide a way, an electrically driven compressor advantageously in a
  • a generic internal combustion engine with an electrically driven compressor which is supplied from an electrical system with electrical energy, according to the invention further developed in that the electrical system, a first subnet with a main energy storage, a generator and at least one consumer (e.g., multimedia system, seat heating,
  • Vehicle lighting, etc. as well as a separate from the first subnet or separable second subnet with at least one additional energy storage and an electrical Includes drive motor for the compressor, wherein the additional energy storage is, if necessary, integrated into the first subnet to charge this.
  • a “separation" of the two subnetwork means that a current flow caused by the main energy store and / or the generator is prevented by the drive motor for the compressor (and the additional energy storage, as long as it is not integrated into the first subnetwork) Also be provided that the drive motor for the compressor is temporarily electrically conductively integrated into the first subnet, a current flow through this but in another way, for example by deactivation of the drive motor, is prevented.
  • Main energy storage would go along.
  • the additional energy storage is temporarily integrated (in non-operation of the drive motor for the compressor) in the first subnet.
  • Additional energy storage no limitation in terms of performance (in particular capacity and operating voltage range) of these energy storage, especially not in relation to each other, deductible.
  • the main energy store may be a vehicle battery, which is usually used in vehicles for supplying the vehicle electrical system and in particular can provide an operating voltage of 12 or 24 volts.
  • the supplemental energy storage is preferably an energy storage capable of providing a high level of electrical power in the short term for at least a short period of time (e.g., ⁇ 1 second to about 4 seconds).
  • a short period of time e.g., ⁇ 1 second to about 4 seconds.
  • Additional energy storage one or more capacitors include.
  • motor vehicle provided a driving behavior that temporarily makes a very frequent and short successive use of the electrically driven compressor required (eg acceleration under (near) full load from a stand to a high speed of the motor vehicle), this can only be realized if the charging capacity of the additional energy storage is correspondingly large.
  • the maximum energy requirement for a is defined as the one-time use of the intermittently driven compressor and results from the (maximum) power of the compressor drive and the longest intended switch-on duration
  • Internal combustion engine and the size of the requested load jump to be dependent and stored in particular in an engine control of the internal combustion engine.
  • the dimensioning of the additional energy storage is in this case thus at a
  • a first additional energy storage and a second additional energy storage and a switching device are provided, wherein the
  • the additional energy storage at least (and particularly preferably substantially as exactly as possible) a maximum energy requirement corresponding
  • Compressor which is thereby supplied by the other additional energy storage with electrical energy. Since thus also in an operation of the internal combustion engine with frequent and short successive use of the electrically driven compressor largely continuous charging of the additional energy storage is achieved, they can be relatively small, ie in total smaller than a single additional energy storage, dimensioned. In addition, the number of charge-discharge cycles for each additional energy storage reduces (halves) compared to the use of a single additional energy storage, dimensioned. In addition, the number of charge-discharge cycles for each additional energy storage reduces (halves) compared to the use of a single
  • FIG. 1 shows an embodiment of an internal combustion engine according to the invention in one
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a vehicle electrical system for the internal combustion engine according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a vehicle electrical system for the internal combustion engine according to FIG. 1 in a first switching position
  • FIG. 4 shows the vehicle electrical system according to FIG. 3 in a second switching position
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a third embodiment of a vehicle electrical system for the internal combustion engine according to FIG. 1 in a first switching position
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a fourth embodiment of a vehicle electrical system for the internal combustion engine according to FIG. 1 in a first switching position.
  • the engine shown greatly simplified in FIG. 1 comprises a
  • Internal combustion engine 10 which is shown here by way of example as an Otto reciprocating engine with three cylinders. Furthermore, the internal combustion engine comprises a fresh gas line, via which fresh gas is supplied to the internal combustion engine, and an exhaust line, via which the exhaust gas, which is obtained in the combustion of the fresh gas with fuel in the cylinders, is dissipated.
  • the internal combustion engine additionally comprises an exhaust gas turbocharger with a turbine 12 integrated into the exhaust gas line and a compressor 14 integrated in the fresh gas train. The flow through the turbine 12 by means of the exhaust gas causes a rotation of one
  • Turbinenraisingrads which is transmitted via a shaft 16 to a compressor impeller.
  • a throttling or closable bypass 18, a so-called wastegate a part of the exhaust gas can be passed to the turbine 12 in a known manner during operation of the internal combustion engine at or near full load.
  • a charge air cooler 20 arranged downstream of the compressor 14 of the exhaust gas turbocharger serves at least partially to reverse the heating of the fresh gas associated with the compression.
  • the internal combustion engine further comprises an electrically driven compressor 22, which is integrated in the present embodiment upstream of the compressor 14 of the exhaust gas turbocharger (and thus in series with this) in the fresh gas train, but can also be downstream or parallel thereto.
  • the electrically driven compressor 22 is inventively integrated into a vehicle electrical system 24 of a motor vehicle, not shown in the following, for driving the internal combustion engine is provided.
  • the electrical system is indicated in Fig. 1 only as an angular field.
  • the electrically driven compressor 22 is likewise designed to be bypassable by means of a restrictable or closable bypass 24. Thereby, a pressure drop of the fresh gas due to a flow through the compressor of the electrically driven compressor 22 is avoided, if this, as the longest time in the operation of the internal combustion engine, is not in operation.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of such a vehicle electrical system 24.
  • This includes a first subnetwork, which in parallel a main energy storage 26 (the vehicle battery), a generator 28 which is driven by the internal combustion engine 10 to those for the operation of the motor vehicle To provide required electrical energy, and by way of example a single vehicle electrical system consumers 30 (eg, the lighting system, a fuel pump, an ignition system, etc.).
  • vehicles have a variety of
  • On-board network consumers (see Fig. 5 and 6) on.
  • the electrical system 24 of FIG. 2 includes a second subnetwork, which is also in
  • the additional energy storage 36 is designed as a supercapacitor.
  • the two subnetworks are interconnected by means of a so-called Q-diode 38.
  • the Q-diode 38 is designed such that a flow of current from the first subnet over the
  • Additional energy storage 36 is possible when the drive motor 34 of the electrically driven compressor 22 (and also the starter motor 32) is deactivated, i. E. is not in operation. As a result, the additional energy storage 36 can be charged by the generator 28 and possibly also the main energy storage 26. However, one is locked
  • the Q-diode 38 is designed such that it limits the amount of current during the charging of the additional energy storage 36.
  • FIG. 3 and 4 show a second embodiment of a vehicle electrical system 24, which can be used in an internal combustion engine according to the invention according to FIG. 1.
  • This differs from the vehicle electrical system 24 shown in FIG. 2 on the one hand in the integration of the starter motor 32 in the first subnetwork.
  • two additional energy storage 36 also supercapacitors
  • a switching device 40 in the form of a simple 2-way switch, the integration of the two additional energy storage 36 can be changed.
  • one of the additional energy storage 36 is practically always connected to the drive motor 34 of the electrically driven compressor 22 and, with the electrically driven compressor 22 activated, can provide the electrical energy required for its operation.
  • the other additional energy storage 36 is integrated into the first subnet, so that it can be charged, if it is not already fully charged.
  • Switching device 40 wherein the charging current is shown in solid line and the operating current for the drive motor 34 of the electrically driven compressor 22 with a dashed line.
  • a current limiter 42 is integrated into the first subnetwork, which serves to limit the charging current flowing in the first subnetwork via the additional energy store 36 integrated therein high voltage drop in the first subnet to avoid.
  • a current limiter 42 is particularly useful when using (super) capacitors as additional energy storage 36, since they can be charged in a very short time, which would be associated with correspondingly high charging currents.
  • Such a current limiter could of course also be used in the vehicle electrical system 24 according to FIG. 2 (or FIGS. 5 and 6) in the local first subnetwork.
  • the starter motor 32 could also be integrated into the second subnetwork.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a vehicle electrical system 24, which at a
  • inventive internal combustion engine according to FIG. 1 can be used. This differs from the vehicle electrical system 24 illustrated in FIGS. 3 and 4, in particular in the use of a switching device 40 which comprises a DC / DC converter 46 and a simple switch 48.
  • the DC / DC converter 46 has two outputs which are each connected to one of the two additional energy storage 36.
  • the drive motor 34 of the electrically driven compressor 22 is always connected via the switch 48 with the charged auxiliary energy storage 36, while the other additional energy storage 36 can be charged via the DC / DC converter 48 at the same time. By switching the switch 48, the integration of the two additional energy storage 36 can be exchanged in the two subnets.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of a vehicle electrical system 24, which at a
  • inventive internal combustion engine according to FIG. 1 can be used. This differs from the vehicle electrical system 24 shown in FIG. 5, in particular in the use of a switching device 40 which comprises a semiconductor switch 50, for example a transistor, in particular a MOSFET, and two simple switches 48.
  • the semiconductor switch 50 is via one of the switches 48 with one of the two
  • Additional energy storage 36 are connected. This additional energy storage 36 can thus be loaded.
  • the drive motor 34 of the electrically driven compressor 22 is simultaneously over the other switch 48 with the other, charged

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter (22), der aus einem Bordnetz (24) mit elektrischer Energie versorgt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (24) ein erstes Teilnetz mit einem Hauptenergiespeicher (26), einem Generator (28) und mindestens einem Verbraucher (30) sowie ein von dem ersten Teilnetz getrenntes oder trennbares zweites Teilnetz mit einem Zusatzenergiespeicher (36) und einem elektrischen Antriebsmotor (34) für den Verdichter umfasst, wobei der Zusatzenergiespeicher (36) bedarfsweise in das erste Teilnetz integrierbar ist, um diesen aufzuladen.

Description

Beschreibung
Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter, der aus einem Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt wird.
Zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen können Ladesysteme eingesetzt werden, die durch eine Druckerhöhung im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine für eine erhöhte Füllung der Brennräume mit Ladeluft sorgen. Häufig werden dabei sogenannte Abgasturbolader verwendet, die aus einer Turbine sowie einem damit über eine Welle verbundenen Verdichter bestehen. Die Turbine ist dabei in das Abgassystem der Brennkraftmaschine integriert und wird somit von dem aus einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine austretenden Abgas durchströmt, wobei dieses entspannt wird und einen Teil seiner Strömungsenergie auf die Turbine übertragt. Dies führt zu einer Drehbewegung eines Rotors der Turbine, die über eine Welle auf den Verdichter übertragen wird. Der Verdichter ist in das Ladeluftsystem der
Brennkraftmaschine integriert und sorgt für eine Verdichtung der dem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluft.
Eine prinzipielle Eigenschaft von Abgasturboladern liegt darin, dass diese für ihre Funktion einen ausreichend großen Abgasmassenstrom benötigen, ohne den keine relevante
Verdichtungsleistung und somit auch nicht die gewünschte Leistungssteigerung der
Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Wird beispielsweise aus einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, bei der diese mit einer niedrigen Last und niedrigen Drehzahlen und somit auch mit einem niedrigen Abgasmassenstrom betrieben wird, plötzlich eine hohe Last angefordert, so vergehen zunächst einige Arbeitsspiele, bevor der durch die erhöhte Last erzeugte größere Abgasstrom den Abgasturbolader beschleunigt hat und dadurch die gewünschte Verdichtungsleistung bereitstellt. Diese Verzögerung bei der Leistungsentfaltung wird als nachteilig angesehen und häufig auch als„Turboloch" bezeichnet.
Um die Ausbildung eines Turbolochs möglichst zu vermeiden, kann vorgesehen sein, einen Abgasturbolader mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter zu kombinieren. Der wesentliche Vorteil eines elektrisch angetriebenen Verdichters liegt dabei in der Möglichkeit, diesen unabhängig von dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu betreiben. Es kann somit vorgesehen sein, den elektrisch angetriebenen Verdichter mit relativ hoher Leistung in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu betreiben, in der diese mit geringer Last und niedrigen Drehzahlen und somit mit einem geringen Abgasstrom betrieben wird. Der elektrisch angetriebene Verdichter kann dann das infolge des kleinen Abgasmassenstroms vorhandene Leistungsdefizit des Abgasturboladers kompensieren. Eine entsprechende Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 101 59 801 A1 bekannt.
Derartige, einen Abgasturbolader sowie einen elektrisch angetriebenen Verdichter
kombinierende Brennkraftmaschinen haben bislang jedoch keinen Eingang in die
Serienfertigung von Kraftfahrzeugen gefunden. Dies liegt insbesondere daran, dass der elektrisch angetriebene Verdichter in der Regel sehr leistungsfähig ausgebildet sein muss, um sinnvoll mit dem Abgasturbolader kombiniert zu werden. Hierzu ist es nämlich erforderlich, dass dieser innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne eine ausreichende Verdichterleistung
bereitstellen kann. Die Integration eines elektrisch angetriebenen Verdichters in das bei Personenkraftwagen vorhandene, mit einer elektrischen Spannung von 12 Volt betriebene elektrische Bordnetz ist mit einem großen Aufwand verbunden. Dazu ist ein zusätzlicher elektrischer Energiespeicher notwendig, der in der Lage ist, kurzfristig für zumindest einen kurzen Zeitraum eine hohe elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. Eine Versorgung des elektrisch angetriebenen Verdichters aus der Fahrzeugbatterie bzw. dem Generator ist aufgrund der hohen erforderlichen Stromstärken nicht möglich. Die Integration eines solchen zusätzlichen Energiespeichers in das Bordnetz stellt eine Herausforderung dar. Insbesondere ist die Erzielung einer guten Stabilität des Bordnetzes während des Betriebs des elektrisch angetriebenen Verdichters notwendig. Zudem ist die Auslegung des zusätzlichen
Energiespeichers problematisch, da diese auch einen mehrfachen, kurzfristig
aufeinanderfolgenden Einsatz des elektrisch angetriebenen Verdichters ermöglichen muss. Gleichzeitig sollte eine Überdimensionierung aus Kosten- und Bauraumgründen vermieden werden.
Die DE 10 2007 029 479 A1 offenbart ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, das zumindest einen Starter für einen Verbrennungsmotor, einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, eine Fahrzeugbatterie zur Versorgung des Starters mit elektrischer Energie zum Starten des Verbrennungsmotors sowie einen oder mehrere Verbraucher, z.B. ein Autoradio umfasst. Um zu verhindern, dass es bei der Realisierung einer automatischen Start/Stopp-Funktion für den Verbrennungsmotor zu einem kurzzeitigen Ausschalten der Verbraucher infolge des beim Starten des Verbrennungsmotors erfolgenden Spannungsabfalls kommt, ist in das Bordnetz noch eine Hilfsspannungsquelle, z.B. ein relativ kleiner Akkumulator oder ein Kondensator, integriert. Im Falle eines Warmstarts des Verbrennungsmotors werden die Verbraucher kurzzeitig von der Hilfsspannungsquelle mit elektrischer Energie versorgt. Durch ein Abkoppeln eines den Starter und die Fahrzeugbatterie umfassenden Teils des Bordnetzes von dem übrigen Teil wird vermieden, dass der hohe Stromfluss durch den Starter zu einer
Beeinträchtigung der Energieversorgung der Verbraucher führt. Aus der DE 10 2004 016 292 A1 ist bekannt, einen Energiespeicher, aus dem der Starter für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt wird und der zumindest einen Akkumulator und einen Kondensator umfasst, variabel zu verschalten.
Insbesondere soll vorgesehen sein, den Starter primär durch den Kondensator mit Energie zu versorgen, wobei dieser bei zu geringem Ladestand von dem Akkumulator unterstützt wird.
Die WO 2008/125552 A1 offenbart eine mittels eines Abgasturboladers aufgeladene
Brennkraftmaschine. Dabei ist jedoch keine mechanische Verbindung zwischen der Turbine und dem Verdichter des Abgasturboladers vorgesehen. Vielmehr wird die Leistung der Turbine mittels eines Generators in elektrische Leistung umgewandelt, die zur Versorgung des elektromotorisch angetriebenen Verdichters genutzt wird. Ein elektrischer Energiespeicher dient zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie, so dass ein Betrieb des Verdichters in Grenzen unabhängig von der aktuellen Leistung der Turbine möglich ist.
Die DE 10 201 1 109 709 A1 offenbart ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit zwei parallel geschalteten Energiespeichern. Um hohe Ausgleichströme bei großen
Spannungsunterschieden zwischen den beiden Energiespeichern zu vermeiden, ist
vorgesehen, den Energiespeicher mit der niedrigeren Spannung temporär von dem Bordnetz zu trennen. Konkret ist für ein Hybridfahrzeug oder ein Kraftfahrzeug mit Start-Stopp-Automatik offenbart, dass der relativ häufig genutzte Starter des Verbrennungsmotors von einem ersten der Energiespeicher versorgt wird, wobei der beim Starten erfolgende Spannungseinbruch des ersten Energiespeichers durch die temporäre Trennung des ersten Energiespeichers von dem Bordnetz ferngehalten wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, einen elektrisch angetriebenen Verdichter vorteilhaft in eine
Brennkraftmaschine zu integrieren.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter, der aus einem Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt wird, ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass das Bordnetz ein erstes Teilnetz mit einem Hauptenergiespeicher, einem Generator und mindestens einem Verbraucher (z.B. Multimediaanlage, Sitzheizung,
Fahrzeugbeleuchtung, etc.) sowie ein von dem ersten Teilnetz getrenntes oder trennbares zweites Teilnetz mit mindestens einem Zusatzenergiespeicher und einem elektrischen Antriebsmotor für den Verdichter umfasst, wobei der Zusatzenergiespeicher bedarfsweise in das erste Teilnetz integrierbar ist, um diesen aufzuladen.
Dabei wird unter einer„Trennung" der beiden Teilnetzes verstanden, dass ein mittels des Hauptenergiespeichers und/oder des Generators bewirkter Stromfluss durch den Antriebsmotor für den Verdichter (und den Zusatzenergiespeicher, solange dieser nicht in das erste Teilnetz integriert ist) unterbunden ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Antriebsmotor für den Verdichter temporär stromleitend in das erste Teilnetz integriert ist, ein Stromfluss durch diesen aber auf andere Weise, z.B. durch Deaktivierung des Antriebsmotors, unterbunden wird.
Durch die erfindungsgemäße Trennung kann erreicht werden, dass der Antriebsmotor des Verdichters mittels des zweiten Teilnetzes betrieben wird, ohne dass dies mit großen
Ausgleichströmen in dem ersten Teilnetz und somit einem Spannungsabfall des
Hauptenergiespeichers einhergehen würde. Zum erneuten Laden des Zusatzenergiespeichers, insbesondere mittels des Generators, gegebenenfalls auch mittels des Hauptenergiespeichers, wird der Zusatzenergiespeicher (im Nichtbetrieb des Antriebsmotors für den Verdichter) temporär in das erste Teilnetz integriert.
Erfindungsgemäß soll aus den Bezeichnungen„Hauptenergiespeicher" und
„Zusatzenergiespeicher" keine Beschränkung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit (insbesondere Kapazität und Betriebsspannungsbereich) dieser Energiespeicher, insbesondere auch nicht im Verhältnis zueinander, herleitbar sein.
Insbesondere kann es sich bei dem Hauptenergiespeicher um eine Fahrzeugbatteriehandeln, die in Fahrzeugen üblicherweise zur Versorgung des Bordnetzes eingesetzt wird und die insbesondere eine Betriebsspannung von 12 Volt oder 24 Volt bereitstellen kann. Bei dem Zusatzenergiespeicher handelt es sich vorzugsweise um einen Energiespeicher, der in der Lage ist, kurzfristig für zumindest einen kurzen Zeitraum (z.B. <1 s bis ca. 4s) eine hohe elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. Besonders bevorzugt kann der
Zusatzenergiespeicher einen oder mehrere Kondensatoren (insbesondere in einer Ausführung als Superkondensator) umfassen.
Bei der Verwendung eines einzelnen Zusatzenergiespeichers, der zum Laden bei deaktiviertem Verdichterantrieb in das erste Teilnetz integriert wird, kann sich dessen Auslegung und/oder die Wahl einer geeigneten Ladestrategie als schwierig darstellen, um die Versorgung des
Verdichterantriebs auch bei mehreren kurzfristig aufeinander folgenden Einsätzen des
Verdichters zu gewährleisten. Dies ist insbesondere darin begründet, dass der
Zusatzenergiespeicher während des von diesem ermöglichten Betrieb des Verdichters nicht von dem Generator und/oder dem Hauptenergiespeicher geladen werden, sondern ein Laden erst nach dem Abschalten des elektrisch angetriebenen Verdichters und der dann erfolgenden Integration in das erste Teilnetz erfolgen kann. Sofern der Fahrer eines mit einer
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine versehenen Kraftfahrzeugs ein Fahrverhalten zeigt, das zeitweise einen sehr häufigen und kurz aufeinanderfolgenden Einsatz des elektrisch angetriebenen Verdichters erforderlich macht (z.B. Beschleunigung unter (nahezu) Volllast aus dem Stand bis zu einer hohen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs), kann dies nur realisiert werden, wenn die Ladekapazität des Zusatzenergiespeichers entsprechend groß ist.
Vorzugsweise ist daher insbesondere dann, wenn lediglich ein einzelner Zusatzenergiespeicher zum Einsatz kommen soll, vorgesehen, dass dieser eine einem Mehrfachen (insbesondere mindestens dem Doppelten, besonders bevorzugt mindestens dem Dreifachen) des maximalen Energiebedarfs entsprechende Ladekapazität aufweist, wobei der„maximale Energiebedarf" für eine einmalige Nutzung des intermittierend angetriebenen Verdichters definiert ist und sich aus der (Maximal-)Leistung des Verdichterantriebs und der längsten vorgesehenen Einschaltdauer ergibt. Die Einschaltdauer kann dabei insbesondere von dem Betriebszustand der
Brennkraftmaschine und der Größe des angeforderten Lastsprungs abhängig sein und insbesondere in einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine abgelegt sein.
Die Dimensionierung des Zusatzenergiespeichers ist in diesem Fall somit an einer
Grenzbelastung orientiert, die für die meisten Fahrprofile überdimensioniert ist. Dies kann nachteilig bezüglich der Kosten für den Zusatzenergiespeicher sowie des von diesem beanspruchten Bauraums sein.
Um dies zu vermeiden kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen sein, dass ein erster Zusatzenergiespeicher und ein zweiter Zusatzenergiespeicher sowie eine Schaltvorrichtung vorgesehen sind, wobei die
Schaltvorrichtung in einer ersten Schaltstellung den ersten Zusatzenergiespeicher in das erste Teilnetz und den zweiten Zusatzenergiespeicher in das zweite Teilnetz integriert und in einer zweiten Schaltstellung den zweiten Zusatzenergiespeicher in das erste Teilnetz und den ersten Zusatzenergiespeicher in das zweite Teilnetz integriert. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Zusatzenergiespeicher mindestens (und besonders bevorzugt im Wesentlichen möglichst exakt) eine dem maximalen Energiebedarf entsprechende
Ladekapazität aufweisen.
Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht ein Laden eines der Zusatzenergiespeicher auch während des Betriebs des elektrisch angetriebenen
Verdichters, der dabei von dem anderen Zusatzenergiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird. Da somit auch bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit häufigem und kurzzeitig aufeinander folgendem Einsatz des elektrisch angetriebenen Verdichters ein weitgehend kontinuierliches Laden der Zusatzenergiespeicher erreicht wird, können diese vergleichsweise klein, d.h. in Summe kleiner als ein einzelner Zusatzenergiespeicher, dimensioniert werden. Zudem reduziert (halbiert) sich für die einzelnen Zusatzenergiespeicher die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen im Vergleich zu der Verwendung eines einzelnen
Zusatzenergiespeichers und damit auch deren Kapazitätsverluste über der Zeit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 : eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer
schematischen Darstellung;
Fig. 2: in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform eines Bordnetzes für die Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 1 ;
Fig. 3: in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform eines Bordnetzes für die Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 1 in einer ersten Schaltstellung;
Fig. 4: das Bordnetz gemäß der Fig. 3 in einer zweiten Schaltstellung;
Fig. 5: in einer schematischen Darstellung eine dritte Ausführungsform eines Bordnetzes für die Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 1 in einer ersten Schaltstellung; und
Fig. 6: in einer schematischen Darstellung eine vierte Ausführungsform eines Bordnetzes für die Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 1 in einer ersten Schaltstellung.
Die in der Fig. 1 stark vereinfacht dargestellte Brennkraftmaschine umfasst einen
Verbrennungsmotor 10, der hier beispielhaft als Otto-Hubkolbenmotor mit drei Zylindern dargestellt ist. Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine einen Frischgasstrang, über den dem Verbrennungsmotor Frischgas zugeführt wird, und einen Abgasstrang, über den das Abgas, das bei der Verbrennung des Frischgases mit Kraftstoff in den Zylindern anfällt, abgeführt wird. Die Brennkraftmaschine umfasst zudem einen Abgasturbolader mit einer in den Abgasstrang integrierten Turbine 12 und einem in den Frischgasstrang integrierten Verdichter 14. Die Durchströmung der Turbine 12 mittels des Abgases bewirkt eine Rotation eines
Turbinenlaufrads, die über eine Welle 16 auf ein Verdichterlaufrad übertragen wird. Über einen drosselbaren bzw. verschließbaren Bypass 18, ein sogenanntes Wastegate, kann in bekannter Weise bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors bei oder nahe Volllast ein Teil des Abgases an der Turbine 12 vorbeigeführt werden. Ein stromab des Verdichters 14 des Abgasturboladers angeordneter Ladeluftkühler 20 dient dazu, die mit der Verdichtung einhergehende Erwärmung des Frischgases zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen.
Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin einen elektrisch angetrieben Verdichter 22, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel stromauf des Verdichters 14 des Abgasturboladers (und somit in Reihe zu diesem) in den Frischgasstrang integriert ist, aber auch stromab oder parallel dazu angeordnet sein kann. Der elektrisch angetriebene Verdichter 22 ist erfindungsgemäß in ein Bordnetz 24 eines im Weiteren nicht dargestellten Kraftfahrzeugs integriert, zu dessen Antrieb die Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Das Bordnetz ist in der Fig. 1 lediglich als eckiges Feld angedeutet. Der elektrisch angetriebene Verdichter 22 ist ebenfalls mittels eines drosselbaren bzw. verschließbaren Bypasses 24 umgehbar ausgestaltet. Dadurch wird ein Druckabfall des Frischgases infolge einer Durchströmung des Verdichters des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 vermieden, wenn dieser, wie die längste Zeit im Betrieb der Brennkraftmaschine, nicht im Betrieb ist.
Die Fig. 2 zeigt eine erste Ausgestaltung für ein solches Bordnetz 24. Dieses umfasst ein erstes Teilnetz, das in Parallelschaltung einen Hauptenergiespeicher 26 (die Fahrzeugbatterie), einen Generator 28, der von dem Verbrennungsmotor 10 angetrieben wird, um die für den Betrieb des Kraftfahrzeugs erforderliche elektrische Energie bereitzustellen, sowie beispielhaft einen einzelnen Bordnetzverbraucher 30 (z.B. die Beleuchtungsanlage, eine Kraftstoffpumpe, einen Zündungsanlage, etc.) umfasst. In der Regel weisen Fahrzeuge eine Vielzahl von
Bordnetzverbrauchern (vgl. Fig. 5 und 6) auf.
Weiterhin umfasst das Bordnetz 24 der Fig. 2 ein zweites Teilnetz, das ebenfalls in
Parallelschaltung einen Startermotor 32, der zum Starten des Verbrennungsmotors 10 dient, einen elektrischen Antriebsmotor 34 des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 sowie einen Zusatzenergiespeicher 36 aufweist. Der Zusatzenergiespeicher 36 ist als Superkondensator ausgeführt.
Die zwei Teilnetze sind mittels einer sogenannten Q-Diode 38 miteinander verschaltet. Die Q- Diode 38 ist derart ausgeführt, dass ein Stromfluss von dem ersten Teilnetz über den
Zusatzenergiespeicher 36 dann möglich ist, wenn der Antriebsmotor 34 des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 (und auch der Startermotor 32) deaktiviert, d.h. nicht im Betrieb ist. Dadurch kann der Zusatzenergiespeicher 36 von dem Generator 28 und gegebenenfalls auch dem Hauptenergiespeicher 26 geladen werden. Gesperrt ist jedoch ein solcher
Stromfluss, wenn der Antriebsmotor 34 des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 (oder der Startermotor 32) im Betrieb ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die für den Betrieb des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 (und des Startermotors 32) erforderliche Energie lediglich dem Zusatzenergiespeicher 36 entnommen wird und keine Ausgleichsströme aus dem ersten Teilnetz fließen, die zu einem ungewollten Abfall der elektrischen Spannung in diesem Teilnetz führen könnten. Hierzu ist die Q-Diode 38 von einer Motorsteuerung der
Brennkraftmaschine ansteuerbar ausgestaltet, wobei die Q-Diode 38 im angesteuerten bzw. aktivierten Zustand einen Stromfluss von dem ersten Teilnetz in das zweite Teilnetz sperrt (ein anders herum gerichteter Stromfluss ist dabei möglich). Im nicht angesteuerten bzw.
deaktivierten Zustand ist dagegen ein Stromfluss durch die Q-Diode 38 in beide Richtungen möglich. Zudem ist die Q-Diode 38 derart ausgebildet, dass diese die Höhe des Stroms während des Ladens des Zusatzenergiespeichers 36 begrenzt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Bordnetzes 24, das bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 1 zum Einsatz kommen kann. Dieses unterscheidet sich von dem in der Fig. 2 dargestellten Bordnetz 24 zum einen in der Integration des Startermotors 32 in das erste Teilnetz. Zum anderen sind zwei Zusatzenergiespeicher 36 (ebenfalls Superkondensatoren) vorgesehen, von denen immer einer in das erste Teilnetz und der andere in das zweite Teilnetz integriert ist. Mittels einer Schaltvorrichtung 40 in Form eines einfachen 2-Wege-Schalters kann die Integration der beiden Zusatzenergiespeicher 36 geändert werden. Bei dieser Ausgestaltung des Bordnetzes ist praktisch immer einer der Zusatzenergiespeicher 36 mit dem Antriebsmotor 34 des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 verbunden und kann bei aktiviertem elektrisch angetriebenen Verdichter 22 die für dessen Betrieb erforderliche elektrische Energie zur Verfügung stellen. Gleichzeitig ist der andere Zusatzenergiespeicher 36 in das erste Teilnetz integriert ist, so dass dieser geladen werden kann, sofern dieser nicht bereits vollständig geladen ist. Die Fig. 3 und 4 zeigen die
entsprechenden Lade- und Betriebsströme in den beiden Schaltstellungen der
Schaltvorrichtung 40, wobei der Ladestrom mit durchgezogener Linie und der Betriebsstrom für den Antriebsmotor 34 des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 mit gestrichelter Linie dargestellt ist.
Bei der Ausführungsform des Bordnetzes 24 gemäß den Fig. 3 und 4 ist in das erste Teilnetz noch ein Strombegrenzer 42 integriert, der dazu dient, den Ladestrom, der in dem ersten Teilnetz über den darin integrierten Zusatzenergiespeicher 36 fließt, zu begrenzen, um einen zu hohen Spannungsabfall in dem ersten Teilnetz zu vermeiden. Ein solcher Strombegrenzer 42 ist insbesondere bei der Verwendung von (Super-)Kondensatoren als Zusatzenergiespeicher 36 sinnvoll, da diese in sehr kurzer Zeit geladen werden können, was mit entsprechend hohen Ladeströmen verbunden wäre. Ein solcher Strombegrenzer könnte selbstverständlich auch bei dem Bordnetz 24 gemäß der Fig. 2 (oder den Fig. 5 und 6) in dem dortigen ersten Teilnetz zum Einsatz kommen. Weiterhin könnte bei dem Bordnetz 24 gemäß den Fig. 3 und 4 der Startermotor 32 auch in das zweite Teilnetz integriert sein.
Die Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Bordnetzes 24, das bei einer
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 1 zum Einsatz kommen kann. Dieses unterscheidet sich von dem in der Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Bordnetz 24 insbesondere in der Verwendung einer Schaltvorrichtung 40, die einen DC/DC-Wandler 46 sowie einen einfachen Schalter 48 umfasst. Der DC/DC-Wandler 46 verfügt über zwei Ausgänge, die jeweils mit einem der beiden Zusatzenergiespeicher 36 verbunden sind. Der Antriebsmotor 34 des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 ist über den Schalter 48 immer mit dem aufgeladenen der Zusatzenergiespeicher 36 verbunden, während der jeweils andere Zusatzenergiespeicher 36 über den DC/DC-Wandler 48 zeitgleich aufgeladen werden kann. Durch ein Schalten des Schalters 48 kann die Einbindung der beiden Zusatzenergiespeicher 36 in die beiden Teilnetze getauscht werden.
Die Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Bordnetzes 24, das bei einer
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 1 zum Einsatz kommen kann. Dieses unterscheidet sich von dem in der Fig. 5 dargestellten Bordnetz 24 insbesondere in der Verwendung einer Schaltvorrichtung 40, die einen Halbleiterschalter 50, zum Beispiel ein Transistor, insbesondere bevorzugt ein MOSFET, sowie zwei einfache Schalter 48 umfasst. Der Halbleiterschalter 50 ist über einen der Schalter 48 mit einem der beiden
Zusatzenergiespeicher 36 verbunden werden. Dieser Zusatzenergiespeicher 36 kann somit geladen werden. Der Antriebsmotor 34 des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 ist gleichzeitig über den anderen Schalter 48 mit dem anderen, aufgeladenen
Zusatzenergiespeicher 36 verbunden, wodurch ein Antrieb des elektrisch angetriebenen Verdichters 22 gewährleistet werden kann. Durch ein Schalten beider Schalter 48 kann die Einbindung der beiden Zusatzenergiespeicher 36 in die beiden Teilnetze getauscht werden.
Bezugszei chen l iste Verbrennungsmotor
Turbine
Verdichter
Welle
Bypass
Ladeluftkühler
elektrisch angetriebener Verdichter
Bord netz
Hauptenergiespeicher
Generator
Bordnetzverbraucher
Startermotor
Antriebsmotor
Zusatzenergiespeicher
Q-Diode
Schaltvorrichtung
Strombegrenzer
Bypass
DC/DC-Wandler
Schalter
Halbleiterschalter

Claims

Patenta nsp rüche
Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter (22), der aus einem Bordnetz (24) mit elektrischer Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (24) ein erstes Teilnetz mit einem Hauptenergiespeicher (26), einem Generator (28) und mindestens einem Verbraucher (30) sowie ein von dem ersten Teilnetz getrenntes oder trennbares zweites Teilnetz mit einem Zusatzenergiespeicher (36) und einem elektrischen Antriebsmotor (34) für den Verdichter umfasst, wobei der
Zusatzenergiespeicher (36) bedarfsweise in das erste Teilnetz integrierbar ist, um diesen aufzuladen.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen ersten
Zusatzenergiespeicher (36) und einen zweiten Zusatzenergiespeicher (36), wobei eine Schaltvorrichtung (40), die in einer ersten Schaltstellung den ersten
Zusatzenergiespeicher (36) in das erste Teilnetz und den zweiten Zusatzenergiespeicher (36) in das zweite Teilnetz integriert und in einer zweiten Schaltstellung den zweiten Zusatzenergiespeicher (36) in das erste Teilnetz und den ersten Zusatzenergiespeicher (36) in das zweite Teilnetz integriert
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Zusatzenergiespeicher (36) einen oder mehrere Kondensatoren umfasst/-en.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der elektrisch angetriebene Verdichter (22) intermittierend angetrieben wird und wobei ein maximaler Energiebedarf für eine einmalige Nutzung des elektrisch angetriebenen Verdichters (22) definiert ist und wobei der oder die
Zusatzenergiespeicher (36) eine einem Mehrfachen des maximalen Energiebedarfs entsprechende Ladekapazität aufweist/-en.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2 oder 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzenergiespeicher (36) mindestens eine dem maximalen Energiebedarf entsprechende Ladekapazität aufweisen.
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