EP4634501A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine, steuergerät für eine brennkraftmaschine und brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine, steuergerät für eine brennkraftmaschine und brennkraftmaschine

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EP4634501A1
EP4634501A1 EP23833363.7A EP23833363A EP4634501A1 EP 4634501 A1 EP4634501 A1 EP 4634501A1 EP 23833363 A EP23833363 A EP 23833363A EP 4634501 A1 EP4634501 A1 EP 4634501A1
Authority
EP
European Patent Office
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internal combustion
combustion engine
electric motor
compressor
operating parameter
Prior art date
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Pending
Application number
EP23833363.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Armin SCHWARZENBACH
Andreas Flohr
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Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
Rolls Royce Solutions GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F02D2200/70—Input parameters for engine control said parameters being related to the vehicle exterior
    • F02D2200/703—Atmospheric pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, a control device for an internal combustion engine and an internal combustion engine.
  • an exhaust gas turbocharger is typically fitted with an undersized turbine in relation to the nominal power of the internal combustion engine to provide a boost pressure control reserve at low air density - particularly due to high ambient temperatures or a geodetically high operating location of the internal combustion engine - in order to regulate the speed and provide the required power.
  • a boost pressure that is too high at most operating points and in particular over 90% of the operating time, which must be regulated by a pressure control device, such as a throttle valve.
  • the boost pressure control reserve could be provided by means of a variable turbine geometry without the disadvantageously reduced efficiency, but such turbines are highly complex, expensive and mechanically susceptible to failure.
  • such turbines with variable turbine geometry are therefore hardly economically viable, precisely because of the very long maintenance intervals that are usual there.
  • the invention is based on the object of creating a method for operating an internal combustion engine, a control device for an internal combustion engine and an internal combustion engine, wherein the disadvantages mentioned are at least reduced, preferably do not occur.
  • the object is achieved by providing the present technical teaching, in particular the teaching of the independent claims as well as the preferred embodiments disclosed in the dependent claims and the description.
  • the object is achieved in particular by creating a method for operating an internal combustion engine, wherein an internal combustion engine is operated which has a compressor arranged in an air path for compressing ambient air of the internal combustion engine flowing along the air path - in particular sucked in from an environment of the internal combustion engine - a turbine arranged in an exhaust path which is drive-connected to the compressor, and an electric motor.
  • the electric motor is drive-connected to the compressor.
  • At least one operating parameter is recorded which is characteristic of a density of the ambient air - in particular in the environment - of the internal combustion engine, and the electric motor is controlled depending on the at least one operating parameter.
  • the electric motor thus provides a boost pressure reserve which can be called up as needed and thus in a targeted manner.
  • the additional drive by the electric motor can be omitted, by at least not controlling the electric motor by a motor, in particular by not controlling it.
  • the turbine does not have to provide the drive power required at peak times on its own, it can be dimensioned larger, so that the internal combustion engine has a higher overall efficiency.
  • the excessive boost pressure that occurs at many operating points in conventional designs is eliminated, and this does not then have to be regulated by the pressure control device; at the same time, the exhaust back pressure is reduced.
  • the internal combustion engine operated in accordance with the method can simultaneously have high dynamics with boost pressure control reserve and high efficiency.
  • the power of the internal combustion engine is controlled in particular by means of the pressure control element arranged in the air path.
  • the pressure control element is designed in particular as a throttle valve.
  • the internal combustion engine is operated in particular with a fuel gas.
  • the internal combustion engine is designed as a gas engine.
  • the fuel gas can be introduced into the air path upstream of the compressor. An ambient air-fuel gas mixture then flows in the air path to the compressor and is compressed by the compressor. Alternatively or additionally, it is possible for the fuel gas to be introduced directly into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a fuel gas is understood to mean in particular a combustible gas or gas mixture that is gaseous at room temperature and ambient pressure, in particular at 25 °C and 1013 mbar.
  • natural gas in particular liquefied natural gas (LNG), in particular with a variable hydrogen content, or hydrogen is used as the fuel gas.
  • LNG liquefied natural gas
  • the electric motor is controlled to drive the compressor when the at least one operating parameter indicates that the density of the ambient air is less than a predetermined limit density.
  • a targeted control of the electric motor can be carried out in particular to provide the required boost pressure.
  • the fact that the electric motor is controlled to drive the compressor means in particular that the electric motor is controlled as a motor. In its capacity as an electric machine, it is also possible to control the electric motor as a generator at other operating points, i.e. to operate it as a generator.
  • the electric motor is at least not controlled by a motor, in particular not, if the at least one operating parameter indicates that the density of the ambient air corresponds at least to the predetermined limit density.
  • the efficiency of the internal combustion engine is therefore advantageously high, in particular because no energy is provided for the compressor under conditions in which no additional drive of the compressor by the electric motor is required.
  • a drive power of the electric motor is selected depending on the at least one operating parameter.
  • the drive power required to provide the required boost pressure can thus be provided in a targeted manner. In particular, no additional energy is used, which has a beneficial effect on the efficiency of the internal combustion engine.
  • At least one parameter is recorded as the at least one operating parameter, wherein the at least one parameter is selected from a group consisting of: an actual power of the internal combustion engine, in particular in comparison to a target power of the internal combustion engine; an actual torque of the internal combustion engine, in particular in comparison to a target torque of the internal combustion engine; an ambient temperature of the internal combustion engine, and an ambient pressure of the internal combustion engine.
  • the at least one operating parameter is selected from a group consisting of: an actual power of the internal combustion engine, in particular in comparison to a target power of the internal combustion engine; an actual torque of the internal combustion engine, in particular in comparison to a target torque of the internal combustion engine; an ambient temperature of the internal combustion engine, and an ambient pressure of the internal combustion engine.
  • a combination of at least two, in particular more than two, of the parameters mentioned here is used as the at least one operating parameter.
  • the operating parameters mentioned here are suitable for inferring the density of the ambient air.
  • the ambient pressure or the ambient temperature can be measured directly. However, it is also possible for at least one of these values to be determined indirectly, in particular using at least one other parameter or measured value from which the corresponding value can be deduced. For example, at least one pressure and/or temperature value can be measured along the air path, from which - for example based on a flow model - the ambient pressure and/or the ambient temperature can be deduced.
  • a drive power of the electric motor is selected depending on a control deviation of the power of the internal combustion engine. In this way in particular, drive power can advantageously be allocated to the electric motor in a targeted and needs-based manner to provide the required boost pressure.
  • the electric motor is controlled by a motor in the event of a negative control deviation, i.e. when the actual power is less than the target power of the internal combustion engine.
  • the electric motor is at least not controlled by a motor, in particular not controlled, in the event of a positive control deviation, i.e. when the actual power is greater than the target power of the internal combustion engine.
  • the electric motor it is possible for the electric motor to be controlled as a generator - i.e. operated as a generator - if the actual power is greater than the target power of the internal combustion engine, in particular in order to increase the efficiency of the internal combustion engine or the electrical efficiency or the total electrical power of a genset, and/or to brake the compressor.
  • the electric motor is at least not controlled by a motor, in particular not controlled, if the actual power corresponds exactly to the target power.
  • control deviation is understood in particular to mean a deviation of an actual value from an associated target value.
  • the drive power of the electric motor is selected depending on a control deviation of the torque of the internal combustion engine.
  • drive power can be assigned to the electric motor in a targeted and needs-based manner to provide the required boost pressure.
  • the electric motor is controlled when the control deviation is negative, i.e. when the actual torque is less than the target torque of the internal combustion engine.
  • the electric motor is at least not controlled as a motor, in particular not controlled, when the control deviation is positive, i.e. when the actual torque is greater than the target torque of the internal combustion engine. In this case too, however, it is possible - as described above - to operate the electric motor as a generator.
  • the electric motor is not controlled if the actual torque exactly matches the target torque.
  • a drive power of the electric motor is selected depending on an ambient pressure and an ambient temperature of the internal combustion engine.
  • the combination of ambient pressure and ambient temperature allows a precise conclusion to be drawn about the density of the ambient air.
  • the drive power of the electric motor is read out from a characteristic map as a function of the ambient pressure and the ambient temperature of the internal combustion engine.
  • values for the drive power of the electric motor as a function of the ambient pressure and the ambient temperature are stored in the characteristic map. This represents a particularly simple and less computationally intensive embodiment of the method.
  • the electric motor is only controlled - by motor - if at least one additional condition is also met, wherein the at least one additional condition is selected in particular from a group consisting of: a load parameter of the internal combustion engine indicates a high current load, and a current compressor speed of the compressor is less than a maximum compressor speed of the compressor.
  • the electric motor is advantageously only controlled - by motor - if there is actually a need for the boost pressure control reserve and/or if it is still possible at all - in particular without danger - to continue driving the compressor.
  • a high load is understood to mean in particular a load that is greater than a predetermined load limit value.
  • the predetermined load limit value can in turn depend on at least one other parameter, which in turn can be characteristic of the density of the ambient air.
  • the predetermined load limit value can be greater when the ambient air density is higher than when the ambient air density is lower, and vice versa.
  • the load limit value can additionally or alternatively also depend on other conditions such as aging or wear of the turbine or compressor, the degree of contamination of an air filter, and optionally other parameters that influence the boost pressure.
  • a parameter selected from a group consisting of: an opening position of the pressure control element, in particular the throttle valve, a speed of the internal combustion engine, and a torque of the internal combustion engine is used as the load parameter.
  • the electric motor is only controlled - by motor - if the at least one additional condition is met, namely that the pressure control element is fully open, in particular that the throttle valve arranged in the air path is fully open.
  • the electric motor is only controlled - motor-wise - if both of the additional conditions mentioned above are met - cumulatively.
  • control device for an internal combustion engine which is set up to carry out a method according to the invention or a method according to one or more of the previously described embodiments.
  • control device In connection with the control device, the advantages arise in particular which were already explained above in connection with the method.
  • the object is also achieved by creating an internal combustion engine, wherein the internal combustion engine has a compressor arranged in an air path of the internal combustion engine, which is designed to compress ambient air flowing along the air path, a turbine operatively connected to the compressor drive and arranged in an exhaust path, an electric motor operatively connected to the compressor drive, and a control device, wherein the control device is operatively connected to the electric motor and is designed to determine at least one operating parameter that is characteristic of a density of the ambient air of the internal combustion engine.
  • the control device is also designed to control the electric motor depending on the at least one operating parameter.
  • the internal combustion engine has a control device according to the invention or a control device according to one or more of the previously described embodiments.
  • the internal combustion engine has in particular a pressure control element arranged in the air path, in particular a throttle valve.
  • the internal combustion engine is an internal combustion engine operated with a fuel gas, in particular a gas engine.
  • the internal combustion engine is drive-connected to an electrical machine that can be operated as a generator.
  • the invention also includes an internal combustion engine arrangement that has an internal combustion engine according to the invention or an internal combustion engine according to one or more of the embodiments described here and below, as well as an electrical machine that is drive-connected to the internal combustion engine and can be operated as a generator.
  • the internal combustion engine arrangement is in particular a generator set or genset.
  • control unit is operatively connected to at least one parameter sensor and is set up to detect the at least one operating parameter using the parameter sensor.
  • control unit is set up to determine, in particular calculate, the at least one operating parameter - in particular from other operating parameters or measured values.
  • control unit is set up to obtain, in particular calculate, the at least one operating parameter based on a mathematical or physical model of the internal combustion engine.
  • the at least one operating parameter is known in the control unit.
  • the internal combustion engine has at least one parameter sensor which is operatively connected to the control unit and is set up to detect the at least one operating parameter.
  • the at least one parameter sensor is in particular selected from a group consisting of: a speed sensor, a torque sensor, a pressure sensor, and a temperature sensor.
  • the turbine is larger than a turbine of an internal combustion engine whose control unit is not set up to control an electric motor depending on the at least one operating parameter, or which does not have such an electric motor, in particular by 5% to 10% larger.
  • the turbine is larger than the turbine of an internal combustion engine with the same rated power, whose control unit is not set up to control the electric motor depending on the at least one operating parameter, or which does not have such an electric motor.
  • the advantages already described above are achieved in this way.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine
  • Figure 2 is a schematic representation of embodiments of a method for operating the internal combustion engine according to Figure 1, and
  • Figure 3 is a schematic representation of the functioning of the internal combustion engine according to Figure 1 and the method according to Figure 2.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine 1.
  • the internal combustion engine 1 has an air path 3 and a compressor 5 arranged therein, the compressor 5 being set up to compress ambient air flowing along the air path 3 and drawn in from an environment 6 of the internal combustion engine 1.
  • the internal combustion engine 1 has a turbine 9 that is operatively connected to the compressor 5.
  • the internal combustion engine 1 also has an electric motor 11 that is operatively connected to the compressor 5, and a control unit 13 that is operatively connected to the electric motor 11 - in particular via a converter (not shown here).
  • the control unit 13 is also set up to determine at least one operating parameter that is characteristic of a density of the ambient air of the internal combustion engine 1, in particular its density in the environment 6.
  • the control unit 13 is also set up to control the electric motor 11 depending on the at least one operating parameter.
  • the internal combustion engine 1 has in particular a pressure control element 15 arranged in the air path 3, which is preferably designed as a throttle valve 17.
  • the pressure control element 15 is in particular operatively connected to the control unit 13 and can be controlled by the latter in particular to provide power control or torque control of the internal combustion engine 1.
  • a charge air cooler 19 is also arranged in the air path 3.
  • the internal combustion engine 1 has at least one parameter sensor 20, which is operatively connected to the control unit 13 and is set up to detect the at least one operating parameter.
  • the at least one parameter sensor 20 is in particular a pressure sensor and/or a temperature sensor.
  • the internal combustion engine 1 is operated in particular with a fuel gas, in particular it is designed as a gas engine.
  • the turbine 9 is designed to be larger than a turbine of an internal combustion engine with the same rated power, but whose control unit is not set up to control an electric motor depending on the at least one operating parameter, or which does not have such an electric motor.
  • the turbine 9 is 5% to 10% larger.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of embodiments of a method for operating the internal combustion engine 1 according to Figure 1.
  • a first embodiment of the method in which an actual power P ist of the internal combustion engine 1 is recorded as the at least one operating parameter.
  • a target power P so ii is subtracted from the actual power Pi S t in a comparison element 21, resulting in a power control deviation ep, which is entered into a computing element 23.
  • the computing element 23 calculates a control variable 25, here in particular a drive power PA, for the electric motor 11 depending on the power control deviation ep, with which in particular a converter 27 electrically connected to the electric motor 11 is controlled.
  • at least one additional condition Z is entered into the computing element 23.
  • the control variable 25 is set to zero, i.e.
  • the electric motor 11 is not controlled if the at least one additional condition Z is not met.
  • the computing element 23 is a PID controller.
  • the control variable 25 is also set to zero if the power control deviation ep is zero or positive.
  • control variable 25 can be calculated as a function of a torque control deviation of the torque of the internal combustion engine 1, otherwise completely analogous to the representation shown here for the power.
  • control variable 25 is only calculated, or the control variable 25 is only assigned a value deviating from zero, in particular a positive value, if the power control deviation ep or the torque control deviation eu is negative, i.e. a required target power P so ii or a required target torque is not currently being provided.
  • the at least one additional condition Z is in particular selected from a group consisting of: a load parameter of the internal combustion engine 1 indicates a high current load, and a current compressor speed of the compressor 5 is less than a maximum compressor speed.
  • a parameter is used as the load parameter in particular which is selected from a group consisting of: an opening position of the pressure control element 15, in particular the throttle valve 17, a speed n of the internal combustion engine 1, and a torque of the internal combustion engine 1.
  • the electric motor 11 is only controlled if the at least one additional condition Z is met, namely that the pressure control element 15 is completely open, in particular that the throttle valve 17 arranged in the air path 3 is completely open.
  • the electric motor 11 is only controlled if both of the above-mentioned additional conditions Z are - cumulatively - fulfilled.
  • a second embodiment of the method in which the at least one operating parameter is an ambient pressure p and an ambient temperature T of the Internal combustion engine 1.
  • the control variable 25 for the electric motor 11, here again the drive power PA is read from a characteristic map 29 as a function of the ambient pressure p and the ambient temperature T of the internal combustion engine 1.
  • the control variable 25 is only forwarded to the electric motor 11, in particular the converter 27, by a logic element 31 if the at least one additional condition Z is fulfilled.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the functioning of the internal combustion engine 1 according to Figure 1 and the method according to Figure 2.
  • the criterion used as at least one additional condition is whether a load parameter of the internal combustion engine 1 indicates a high current load.
  • the load parameter can be the torque M or the speed n of the internal combustion engine 1, but also a combination of torque M and speed n.
  • a high load is understood to mean a load that is greater than a predetermined load limit.
  • the predetermined load limit can in turn depend on at least one other parameter, which in turn can be characteristic of the density of the ambient air. In particular, the predetermined load limit can be greater when the ambient air density is higher than when the ambient air density is lower, and vice versa.
  • FIG. 3 now shows an operating state diagram of the internal combustion engine 1, which is spanned by the speed n plotted on the abscissa and the torque M of the internal combustion engine 1 plotted on the ordinate. Also shown are three limit curves Gl, G2 and G3, which are used as load limit curves in the sense of the load limit value. Above a currently valid limit curve of the limit curves Gl, G2, G3, the additional condition is fulfilled that the load parameter indicates a high current load, while below the currently valid limit curve Gl, G2, G3, this additional condition is not fulfilled. The electric motor 11 is therefore only driven when the Operating state of the internal combustion engine 1 is arranged above the currently valid limit curve Gl, G2, G3.
  • the electric motor 11 can either be driven or not, depending on the design of the method.
  • Which limit curve Gl, G2, G3 is currently used as the valid limit curve Gl, G2, G3 depends on the density of the ambient air, in particular on the ambient temperature and/or the ambient pressure. For example, at low ambient temperatures the first limit curve Gl can be used as the valid limit curve, while at medium ambient temperatures the second limit curve G2 is used as the valid limit curve, and at high ambient temperatures the third limit curve G3 is used as the valid limit curve. The lower the density of the ambient air - or in the specifically described case the higher the ambient temperature - the wider the area in the operating state diagram within which the electric motor 11 is controlled - motor-driven.
  • Which of the limit curves Gl, G2, G3 is used as the currently valid limit curve can additionally or alternatively depend on at least one other condition such as ageing or wear of the turbine or compressor, degree of contamination of an air filter, and optionally other parameters that influence the boost pressure.
  • the target speed n so ii also shown in the diagram refers to the specified speed at which the internal combustion engine 1 is operated when it drives an electrical synchronous machine in parallel operation with the grid.

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), die einen in einem Luftpfad (3) angeordneten Verdichter (5) zur Verdichtung von entlang des Luftpfads (3) strömender Umgebungsluft der Brennkraftmaschine (1), eine mit dem Verdichter (5) antriebswirkverbundene, in einem Abgaspfad (7) angeordnete Turbine (9), und einen Elektromotor (11) aufweist, wird offenbart, wobei der Elektromotor (11) mit dem Verdichter (5) antriebswirkverbunden ist, wobei mindestens ein Betriebsparameter erfasst wird, der charakteristisch ist für eine Dichte der Umgebungsluft der Brennkraftmaschine (1), und wobei der Elektromotor (11) in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters angesteuert wird.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuergerät für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Gasmotoren, wird für einen Abgasturbolader zur Bereitstellung einer Ladedruck-Regelreserve bei geringer Luftdichte - insbesondere wegen hoher Umgebungstemperaturen oder eines geodätisch hochgelegenen Betriebsorts der Brennkraftmaschine - zwecks Einregelung der Drehzahl und Darstellung der geforderten Leistung typischerweise eine mit Bezug zur Nennleistung der Brennkraftmaschine unterdimensionierte Turbine verbaut. Daraus resultiert allerdings in einem Großteil der Betriebspunkte und insbesondere über 90 % der Betriebszeit ein zu hoher Ladedruck, der durch ein Druckregelorgan, beispielsweise eine Drosselklappe, ausgeregelt werden muss. Hierdurch ist nachteilig der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verringert. Die Bereitstellung der Ladedruck-Regelreserve könnte ohne den nachteilig verringerten Wirkungsgrad mittels einer variablen Turbinengeometrie erreicht werden, allerdings sind derartige Turbinen hochkomplexe, teure und mechanisch störanfällige Systeme. Insbesondere bei Gasmotoren, die zur Stromerzeugung verwendet werden, sind daher gerade aufgrund der dort üblichen sehr langen Wartungsintervalle solche Turbinen mit variabler Turbinengeometrie kaum wirtschaftlich einsetzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten. Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei eine Brennkraftmaschine betrieben wird, die einen in einem Luftpfad angeordneten Verdichter zur Verdichtung von entlang des Luftpfads strömender - insbesondere aus einer Umgebung der Brennkraftmaschine angesaugter - Umgebungsluft der Brennkraftmaschine, eine mit dem Verdichter antriebswirkverbundene, in einem Abgaspfad angeordnete Turbine, und einen Elektromotor aufweist. Der Elektromotor ist mit dem Verdichter antriebswirkverbunden. Es wird mindestens ein Betriebsparameter erfasst, der charakteristisch ist für eine Dichte der Umgebungsluft - insbesondere in der Umgebung - der Brennkraftmaschine, und der Elektromotor wird in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters angesteuert. Vorteilhaft kann mittels Ansteuerung des Elektromotors auch bei geringer Luftdichte ein geforderter Ladedruck bereitgestellt werden, indem der Verdichter zusätzlich zu dem Antrieb durch die Turbine durch den Elektromotor angetrieben wird. Somit steht durch den Elektromotor eine Ladedruck-Reserve zur Verfügung, die bedarfsweise und somit zielgerichtet abgerufen werden kann. In Betriebspunkten, in denen dies nicht erforderlich ist, kann der zusätzliche Antrieb durch den Elektromotor dagegen entfallen, indem der Elektromotor zumindest nicht motorisch, insbesondere nicht angesteuert wird. Da die Turbine die in der Spitze geforderte Antriebsleistung nicht alleine aufbringen muss, kann sie größer dimensioniert werden, sodass die Brennkraftmaschine vorteilhaft insgesamt einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Insbesondere entfällt der bei herkömmlicher Bauart in vielen Betriebspunkten üb erschießende Ladedruck, der entsprechend dann auch nicht durch das Druckregelorgan ausgeregelt werden muss; zugleich ist der Abgasgegendruck erniedrigt. Insbesondere bedarf es keiner Unterdimensionierung der Turbine mit Bezug auf die Nennleistung der Brennkraftmaschine. Insbesondere kann die im Rahmen des Verfahrens betriebene Brennkraftmaschine gleichzeitig eine hohe Dynamik mit Ladedruck-Regelreserve und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.
Eine Leistungsregelung der Brennkraftmaschine wird insbesondere mittels des in dem Luftpfad angeordneten Druckregelorgans durchgeführt. Das Druckregelorgan ist insbesondere als Drosselklappe ausgebildet. Im Rahmen des Verfahrens wird die Brennkraftmaschine insbesondere mit einem Brenngas betrieben. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet. Insbesondere kann das Brenngas stromaufwärts des Verdichters in den Luftpfad eingebracht werden. In dem Luftpfad strömt dann ein Umgebungsluft-Brenngas-Gemisch zu dem Verdichter und wird von dem Verdichter verdichtet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Brenngas unmittelbar in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird.
Unter einem Brenngas wird im Kontext der hier vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck, insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar gasförmiges, brennbares Gas oder Gasgemisch verstanden. Insbesondere wird als Brenngas Erdgas, insbesondere verflüssigtes Erdgas (liquefied natural gas - LNG), insbesondere mit variablem Wasserstoffanteil, oder Wasserstoff verwendet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektromotor angesteuert wird, um den Verdichter anzutreiben, wenn der mindestens eine Betriebsparameter darauf schließen lässt, dass die Dichte der Umgebungsluft kleiner ist als eine vorbestimmte Grenzdichte. Vorteilhaft kann insbesondere auf diese Weise eine zielgerichtete Ansteuerung des Elektromotors zur Bereitstellung des geforderten Ladedrucks erfolgen. Dass der Elektromotor angesteuert wird, um den Verdichter anzutreiben, bedeutet insbesondere, dass der Elektromotor motorisch angesteuert wird. In seiner Eigenschaft als elektrische Maschine ist es zusätzlich möglich, den Elektromotor - in anderen Betriebspunkten - generatorisch anzusteuern, das heißt als Generator zu betreiben.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektromotor zumindest nicht motorisch, insbesondere nicht angesteuert wird, wenn der mindestens eine Betriebsparameter darauf schließen lässt, dass die Dichte der Umgebungsluft mindestens der vorbestimmten Grenzdichte entspricht. Vorteilhaft ist somit insbesondere der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine hoch, insbesondere indem unter Bedingungen, bei denen es keines zusätzlichen Antriebs des Verdichters durch den Elektromotor bedarf, keine Energie für diesen bereitgestellt wird. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Antriebsleistung des Elektromotors in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebsparameter gewählt wird. Vorteilhaft kann somit zielgerichtet die gerade zur Bereitstellung des geforderten Ladedrucks nötige Antriebsleistung bereitgestellt werden. Insbesondere wird nicht darüber hinaus Energie aufgewendet, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine auswirkt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als der mindestens eine Betriebsparameter mindestens ein Parameter erfasst wird, wobei der mindestens eine Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Ist-Leistung der Brennkraftmaschine, insbesondere im Vergleich zu einer Soll-Leistung der Brennkraftmaschine; einem Ist- Drehmoment der Brennkraftmaschine, insbesondere im Vergleich zu einem Soll-Drehmoment der Brennkraftmaschine; einer Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine, und einem Umgebungsdruck der Brennkraftmaschine. In einer Ausführungsform wird eine Kombination von mindestens zwei, insbesondere mehr als zwei, der hier genannten Parameter als der mindestens einen Betriebsparameter verwendet. Insbesondere die hier genannten Betriebsparameter sind geeignet, um auf die Dichte der Umgebungsluft zu schließen.
Es ist möglich, dass der Umgebungsdruck oder die Umgebungstemperatur direkt gemessen werden. Es ist aber auch möglich, dass zumindest einer dieser Werte indirekt bestimmt wird, insbesondere anhand von wenigstens einem anderen Parameter oder Messwert, anhand dessen auf den entsprechenden Wert geschlossen werden kann. Beispielsweise kann entlang des Luftpfads mindestens ein Druck- und/oder Temperaturwert gemessen werden, aus dem - beispielsweise aufgrund mittels eines Strömungsmodells - auf den Umgebungsdruck und/oder die Umgebungstemperatur zurückgeschlossen werden kann.
Insbesondere wenn die Ist-Leistung der Brennkraftmaschine kleiner ist als die Soll-Leistung, kann dies als Indiz dafür gewertet werden, dass der geforderte Ladedruck aufgrund einer geringen Dichte der Umgebungsluft nicht erreicht wird. Entsprechendes gilt für den Fall, dass das Ist-Drehmoment der Brennkraftmaschine kleiner ist als das Soll-Drehmoment. Die Umgebungstemperatur ist ebenso wie der Umgebungsdruck ein direkter Indikator für die Luftdichte. Werden die verschiedenen Parameter miteinander kombiniert, kann mit höherer Genauigkeit auf die Dichte der Umgebungsluft geschlossen werden, oder die verschiedenen Parameter können zur wechselseitigen Plausibilisierung genutzt werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Antriebsleistung des Elektromotors in Abhängigkeit von einer Regelabweichung der Leistung der Brennkraftmaschine gewählt wird. Insbesondere auf diese Weise kann vorteilhaft dem Elektromotor zielgerichtet und bedarfsgerecht Antriebsleistung zur Bereitstellung des geforderten Ladedrucks zugewiesen werden. Insbesondere wird der Elektromotor bei einer negativen Regelabweichung - motorisch - angesteuert, das heißt wenn die Ist-Leistung kleiner ist als die Soll-Leistung der Brennkraftmaschine. Insbesondere wird der Elektromotor bei einer positiven Regelabweichung zumindest nicht motorisch, insbesondere nicht angesteuert, das heißt wenn die Ist-Leistung größer ist als die Soll-Leistung der Brennkraftmaschine. Es ist allerdings in einer Ausgestaltung möglich, dass der Elektromotor generatorisch angesteuert - das heißt als Generator betrieben - wird, wenn die Ist-Leistung größer ist als die Soll-Leistung der Brennkraftmaschine, insbesondere um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine oder den elektrischen Wirkungsgrad oder die elektrische Gesamtleistung eines Gensets zu steigern, und/oder den Verdichter zu bremsen. Alternativ oder zusätzlich wird der Elektromotor zumindest nicht motorisch, insbesondere nicht angesteuert, wenn die Ist-Leistung genau der Soll- Leistung entspricht.
Unter einer Regelabweichung wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere eine Abweichung eines Ist-Werts von einem zugeordneten Soll-Wert verstanden.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Antriebsleistung des Elektromotors in Abhängigkeit von einer Regelabweichung des Drehmoments der Brennkraftmaschine gewählt wird. Auch auf diese Weise kann dem Elektromotor zielgerichtet und bedarfsgerecht Antriebsleistung zur Bereitstellung des geforderten Ladedrucks zugewiesen werden. Insbesondere wird der Elektromotor bei einer negativen Regelabweichung angesteuert, das heißt wenn das Ist-Drehmoment kleiner ist als das Soll-Drehmoment der Brennkraftmaschine. Insbesondere wird der Elektromotor bei einer positiven Regelabweichung zumindest nicht motorisch, insbesondere nicht angesteuert, das heißt wenn das Ist-Drehmoment größer ist als das Soll-Drehmoment der Brennkraftmaschine. Auch in diesem Fall ist aber - wie oben beschrieben - ein Betrieb des Elektromotors als Generator möglich. Alternativ oder zusätzlich wird der Elektromotor nicht angesteuert, wenn das Ist-Drehmoment genau dem Soll-Drehmoment entspricht. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Antriebsleistung des Elektromotors in Abhängigkeit von einem Umgebungsdruck und einer Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine gewählt wird. Insbesondere die Kombination aus Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur erlaubt einen präzisen Rückschluss auf die Dichte der Umgebungsluft.
In einer Ausführungsform wird die Antriebsleistung des Elektromotors in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld ausgelesen. In dem Kennfeld sind dabei insbesondere Werte für die Antriebsleistung des Elektromotors in Abhängigkeit von Werten des Umgebungsdrucks und der Umgebungstemperatur hinterlegt. Dies stellt eine besonders einfache und wenig rechenintensive Ausgestaltung des Verfahrens dar.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektromotor nur - motorisch - angesteuert wird, wenn zusätzlich mindestens eine Zusatzbedingung erfüllt ist, wobei die mindestens eine Zusatzbedingung insbesondere ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Ein Lastparameter der Brennkraftmaschine weist auf eine hohe momentane Last hin, und eine momentane Verdi chterdrehzahl des Verdichters ist kleiner als eine maximale Verdichterdrehzahl des Verdichters. Vorteilhaft wird insbesondere auf diese Weise der Elektromotor nur dann - motorisch - angesteuert, wenn tatsächlich Bedarf an der Ladedruck-Regelreserve besteht, und/oder wenn es überhaupt noch - insbesondere gefahrlos - möglich ist, den Verdichter weiter anzutreiben.
Unter einer hohen Last wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere eine Last verstanden, die größer ist als ein vorbestimmter Last-Grenzwert. Der vorbestimmte Last- Grenzwert kann dabei seinerseits von mindestens einem weiteren Parameter abhängen, der insbesondere wiederum charakteristisch sein kann für die Dichte der Umgebungsluft. Insbesondere kann der vorbestimmte Last-Grenzwert bei höherer Dichte der Umgebungsluft größer sein als bei geringerer Dichte der Umgebungsluft und umgekehrt. Der Last-Grenzwert kann aber zusätzlich oder alternativ auch von weiteren Bedingungen abhängen wie beispielsweise Alterung oder Verschleiß der Turbine oder des Verdichters, Verschmutzungsgrad eines Luftfilters, sowie optional weiteren Parametern, die Einfluss auf den Ladedruck haben. Als der Lastparameter wird insbesondere ein Parameter verwendet, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Öffnungsstellung des Druckregelorgans, insbesondere der Drosselklappe, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, und einem Drehmoment der Brennkraftmaschine. In einer Ausführungsform wird der Elektromotor nur - motorisch - angesteuert, wenn als die mindestens eine Zusatzbedingung erfüllt ist, dass das Druckregelorgan vollständig geöffnet ist, insbesondere dass die in dem Luftpfad angeordnete Drosselklappe vollständig geöffnet ist.
Hat der Verdichter bereits seine maximale Verdi chterdrehzahl erreicht, ist es gegebenenfalls nachteilig, den Verdichter darüber hinaus anzutreiben. Insbesondere kann dies zu einer Beschädigung oder sogar Zerstörung des Verdichters führen.
In einer Ausführungsform wird der Elektromotor nur - motorisch - angesteuert, wenn beide zuvor genannten Zusatzbedingungen - kumulativ - erfüllt sind.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, das eingerichtet ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit dem Steuergerät ergeben sich insbesondere die Vorteile, die zuvor bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei die Brennkraftmaschine einen in einem Luftpfad der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter, der eingerichtet ist, um entlang des Luftpfads strömende Umgebungsluft zu verdichten, eine mit dem Verdichter antrieb swirkverbundene, in einem Abgaspfad angeordnete Turbine, einen Elektromotor, der mit dem Verdichter antrieb swirkverbunden ist, und ein Steuergerät aufweist, wobei das Steuergerät mit dem Elektromotor wirkverbunden und eingerichtet ist, um mindestens einen Betriebsparameter zu ermitteln, der charakteristisch ist für eine Dichte der Umgebungsluft der Brennkraftmaschine. Das Steuergerät ist außerdem eingerichtet, um den Elektromotor in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters anzusteuern. Insbesondere weist die Brennkraftmaschine ein erfindungsgemäßes Steuergerät oder ein Steuergerät nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die zuvor bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren oder dem Steuergerät beschrieben wurden.
Die Brennkraftmaschine weist insbesondere ein in dem Luftpfad angeordnetes Druckregelorgan auf, insbesondere eine Drosselklappe.
In einer Ausführungsform ist die Brennkraftmaschine eine mit einem Brenngas betriebene Brennkraftmaschine, insbesondere ein Gasmotor. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine in einer Ausführungsform mit einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine antriebswirkverbunden. Zur Erfindung gehört insoweit auch eine Brennkraftmaschinenanordnung, die eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine oder eine Brennkraftmaschine nach einer oder mehreren der hier und im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen sowie eine mit der Brennkraftmaschine antrieb swirkverbundene, als Generator betreibbare elektrische Maschine aufweist. Die Brennkraftmaschinenanordnung ist insbesondere ein Generatorsatz oder Genset.
In einer Ausführungsform ist das Steuergerät mit mindestens einem Parametersensor wirkverbunden und eingerichtet, um den mindestens einen Betriebsparameter mittels des Parametersensors zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich ist das Steuergerät eingerichtet, um den mindestens einen Betriebsparameter - insbesondere aus anderen Betriebsparametern oder Messwerten - zu ermitteln, insbesondere zu berechnen. Alternativ oder zusätzlich ist das Steuergerät eingerichtet, um den mindestens einen Betriebsparameter anhand eines mathematischen oder physikalischen Modells der Brennkraftmaschine zu erhalten, insbesondere zu berechnen. Alternativ oder zusätzlich ist der mindestens eine Betriebsparameter in dem Steuergerät bekannt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine mindestens einen Parametersensor aufweist, der mit dem Steuergerät wirkverbunden und eingerichtet ist, um den mindestens einen Betriebsparameter zu erfassen. Der mindestens eine Parametersensor ist insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Drehzahl sensor, einem Drehmomentsensor, einem Drucksensor, und einem Temperatursensor. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Turbine größer ist als eine Turbine einer Brennkraftmaschine, deren Steuergerät nicht eingerichtet ist, um einen Elektromotor in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters anzusteuem, oder die keinen solchen Elektromotor aufweist, insbesondere um 5 % bis 10 % größer. Insbesondere ist die Turbine größer als die Turbine einer Brennkraftmaschine mit gleicher Nennleistung, deren Steuergerät nicht eingerichtet ist, um den Elektromotor in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters anzusteuern, oder die keinen solchen Elektromotor aufweist. Insbesondere auf diese Weise werden die bereits zuvor beschriebenen Vorteile erzielt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
Figur 2 eine schematische Darstellung von Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine gemäß Figur 1, und
Figur 3 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Brennkraftmaschine gemäß Figur 1 und des Verfahrens gemäß Figur 2.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1.
Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Luftpfad 3 und einen darin angeordneten Verdichter 5 auf, wobei der Verdichter 5 eingerichtet ist, um entlang des Luftpfads 3 strömende, aus einer Umgebung 6 der Brennkraftmaschine 1 angesaugte Umgebungsluft zu verdichten. In einem Abgaspfad 7 weist die Brennkraftmaschine 1 eine mit dem Verdichter 5 antriebswirkverbundene Turbine 9 auf. Außerdem weist die Brennkraftmaschine 1 einen Elektromotor 11 auf, der mit dem Verdichter 5 antrieb swirkverbunden ist, sowie ein Steuergerät 13, das mit dem Elektromotor 11 - insbesondere über einen hier nicht dargestellten Umrichter - wirkverbunden ist. Das Steuergerät 13 ist außerdem eingerichtet, um mindestens einen Betriebsparameter zu ermitteln, der charakteristisch ist für eine Dichte der Umgebungsluft der Brennkraftmaschine 1, insbesondere deren Dichte in der Umgebung 6. Das Steuergerät 13 ist weiterhin eingerichtet, um den Elektromotor 11 in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters anzusteuern. Die Brennkraftmaschine 1 weist insbesondere ein in dem Luftpfad 3 angeordnetes Druckregelorgan 15 auf, das vorzugsweise als Drosselklappe 17 ausgebildet ist. Das Druckregelorgan 15 ist insbesondere mit dem Steuergerät 13 wirkverbunden und durch dieses insbesondere zur Darstellung einer Leistungsregelung oder Drehmomentregelung der Brennkraftmaschine 1 ansteuerbar. In dem Luftpfad 3 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem noch ein Ladeluftkühler 19 angeordnet.
Insbesondere weist die Brennkraftmaschine 1 mindestens einen Parametersensor 20 auf, der mit dem Steuergerät 13 wirkverbunden und eingerichtet ist, um den mindestens einen Betriebsparameter zu erfassen. Der mindestens eine Parametersensor 20 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor.
Die Brennkraftmaschine 1 wird insbesondere mit einem Brenngas betrieben, insbesondere ist sie als Gasmotor ausgebildet.
Die Turbine 9 ist insbesondere größer ausgelegt als eine Turbine einer Brennkraftmaschine mit gleicher Nennleistung, deren Steuergerät jedoch nicht eingerichtet ist, um einen Elektromotor in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters anzusteuern, oder die keinen solchen Elektromotor aufweist. Insbesondere ist die Turbine 9 um 5 % bis 10 % größer.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 gemäß Figur 1.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Bei a) ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens dargestellt, bei dem als der wenigstens eine Betriebsparameter eine Ist-Leistung Pist der Brennkraftmaschine 1 erfasst wird. Von der Ist- Leistung PiSt wird in einem Vergleichsglied 21 eine Soll-Leistung Psoii abgezogen, woraus eine Leistungs-Regelabweichung ep resultiert, die in ein Rechenglied 23 eingeht. Das Rechenglied 23 berechnet abhängig von der Leistungs-Regelabweichung ep eine Ansteuergröße 25, hier insbesondere einer Antriebsleistung PA, für den Elektromotor 11, mit der insbesondere ein mit dem Elektromotor 11 elektrisch verbundener Umrichter 27 angesteuert wird. Vorzugsweise geht außerdem in das Rechenglied 23 mindestens eine Zusatzbedingung Z ein. Dabei wird insbesondere die Ansteuergröße 25 zu null gesetzt, das heißt der Elektromotor 11 nicht angesteuert, wenn die mindestens eine Zusatzbedingung Z nicht erfüllt ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Rechenglied 23 ein PID-Regler. Vorzugsweise wird außerdem die Ansteuergröße 25 zu null gesetzt, wenn die Leistungs-Regelabweichung ep null oder positiv ist.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Ansteuergröße 25 in Abhängigkeit von einer Drehmoment-Regelabweichung des Drehmoments der Brennkraftmaschine 1 berechnet werden, im Übrigen völlig analog zu der hier für die Leistung gezeigten Darstellung.
Insbesondere wird die Ansteuergröße 25 nur dann berechnet, oder der Ansteuergröße 25 wird nur dann ein von null abweichender, insbesondere positiver Wert zugeordnet, wenn die Leistungs-Regelabweichung ep oder die Drehmoment-Regelabweichung eu negativ ist, eine geforderte Soll-Leistung Psoii oder ein gefordertes Soll-Drehmoment also momentan nicht erbracht wird.
Die mindestens eine Zusatzbedingung Z ist insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Ein Lastparameter der Brennkraftmaschine 1 weist auf eine hohe momentane Last hin, und eine momentane Verdichterdrehzahl des Verdichters 5 ist kleiner als eine maximale Verdichterdrehzahl. Als der Lastparameter wird insbesondere ein Parameter verwendet, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Öffnungsstellung des Druckregelorgans 15, insbesondere der Drosselklappe 17, einer Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1, und einem Drehmoment Aider Brennkraftmaschine 1.
Insbesondere wird der Elektromotor 11 nur angesteuert, wenn als die mindestens eine Zusatzbedingung Z erfüllt ist, dass das Druckregelorgan 15 vollständig geöffnet ist, insbesondere dass die in dem Luftpfad 3 angeordnete Drosselklappe 17 vollständig geöffnet ist.
Insbesondere wird der Elektromotor 11 nur angesteuert, wenn beide zuvor genannten Zusatzbedingungen Z - kumulativ - erfüllt sind.
Bei b) ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens dargestellt, bei dem als der wenigstens eine Betriebsparameter ein Umgebungsdruck p und eine Umgebungstemperatur T der Brennkraftmaschine 1 verwendet werden. Insbesondere wird die Ansteuergröße 25 für den Elektromotor 11, hier wiederum die Antriebsleistung PA, in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck p und der Umgebungstemperatur T der Brennkraftmaschine 1 aus einem Kennfeld 29 ausgelesen. Durch ein Logik-Glied 31 wird die Ansteuergröße 25 nur dann an den Elektromotor 11, insbesondere den Umrichter 27 weitergeleitet, wenn die mindestens eine Zusatzbedingung Z erfüllt ist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Brennkraftmaschine 1 gemäß Figur 1 und des Verfahrens gemäß Figur 2.
Insbesondere ist hier schematisch dargestellt, in welchen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 der Elektromotor 11 angesteuert, das heißt insbesondere angetrieben beziehungsweise mit Antriebsleistung PA versorgt wird.
Dabei wird wie bereits zuvor ausgeführt als mindestens eine Zusatzbedingung insbesondere das Kriterium verwendet, ob ein Lastparameter der Brennkraftmaschine 1 auf eine hohe momentane Last hinweist. Als der Lastparameter kann dabei insbesondere das Drehmoment M oder die Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1, insbesondere aber auch eine Kombination aus Drehmoment M und Drehzahl n verwendet werden. Unter einer hohen Last wird dabei insbesondere eine Last verstanden, die größer ist als ein vorbestimmter Last-Grenzwert. Der vorbestimmte Last-Grenzwert kann dabei seinerseits von mindestens einem weiteren Parameter abhängen, der insbesondere wiederum charakteristisch sein kann für die Dichte der Umgebungsluft. Insbesondere kann der vorbestimmte Last-Grenzwert bei höherer Dichte der Umgebungsluft größer sein als bei geringerer Dichte der Umgebungsluft und umgekehrt.
Figur 3 zeigt nun ein Betriebszustands-Diagramm der Brennkraftmaschine 1, das aufgespannt wird von der auf der Abszisse abgetragenen Drehzahl n sowie dem auf der Ordinate abgetragenen Drehmoment M der Brennkraftmaschine 1. Eingezeichnet sind außerdem drei Grenzkurve Gl, G2 und G3, die als Last-Grenzkurven im Sinne des Last-Grenzwerts verwendet werden. Oberhalb einer jeweils momentan gültigen Grenzkurve der Grenzkurven Gl, G2, G3 ist dabei die Zusatzbedingung erfüllt, dass der Lastparameter auf eine hohe momentane Last hinweist, während unterhalb der momentan gültigen Grenzkurve Gl, G2, G3 diese Zusatzbedingung nicht erfüllt ist. Der Elektromotor 11 wird also nur angetrieben, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 oberhalb der momentan gültigen Grenzkurve Gl, G2, G3 angeordnet ist. Liegt der Betriebszustand genau auf der momentan gültigen Grenzkurve Gl, G2, G3, kann der Elektromotor 11 je nach Ausgestaltung des Verfahrens entweder angetrieben werden oder nicht. Welche Grenzkurve Gl, G2, G3 momentan als gültige Grenzkurve Gl, G2, G3 verwendet wird, richtet sich dabei nach der Dichte der Umgebungsluft, insbesondere nach der Umgebungstemperatur und/oder nach dem Umgebungsdruck. Beispielsweise kann bei niedriger Umgebungstemperatur die erste Grenzkurve Gl als gültige Grenzkurve verwendet werden, während bei mittlerer Umgebungstemperatur die zweite Grenzkurve G2 als gültige Grenzkurve verwendet wird, und wobei bei hoher Umgebungstemperatur die dritte Grenzkurve G3 als gültige Grenzkurve verwendet wird. Je niedriger die Dichte der Umgebungsluft - oder in dem konkret beschriebenen Fall je höher die Umgebungstemperatur - desto breiter ist also der Bereich im Betriebszustands-Diagramm, innerhalb dessen der Elektromotor 11 - motorisch - angesteuert wird.
Welche der Grenzkurven Gl, G2, G3 als momentan gültige Grenzkurve verwendet wird, kann aber zusätzlich oder alternativ auch von mindestens einer weiteren Bedingung abhängen wie beispielsweise Alterung oder Verschleiß der Turbine oder des Verdichters, Verschmutzungsgrad eines Luftfilters, sowie optional weiteren Parametern, die Einfluss auf den Ladedruck haben.
Die ebenfalls in dem Diagramm eingezeichnete Soll-Drehzahl nsoii bezieht sich auf die festgelegte Drehzahl, mit der die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird, wenn sie eine elektrische Synchronmaschine im Netzparallelbetrieb antreibt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), die einen in einem Luftpfad (3) angeordneten Verdichter (5) zur Verdichtung von entlang des Luftpfads (3) strömender Umgebungsluft der Brennkraftmaschine (1), eine mit dem Verdichter (5) antriebswirkverbundene, in einem Abgaspfad (7) angeordnete Turbine (9), und einen Elektromotor (11) aufweist, wobei der Elektromotor (11) mit dem Verdichter (5) antriebswirkverbunden ist, wobei
- mindestens ein Betriebsparameter erfasst wird, der charakteristisch ist für eine Dichte der Umgebungsluft der Brennkraftmaschine (1), und wobei der Elektromotor (11) in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters angesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor (11) angesteuert wird, um den Verdichter (5) anzutreiben, wenn der mindestens eine Betriebsparameter darauf schließen lässt, dass die Dichte der Umgebungsluft kleiner ist als eine vorbestimmte Grenzdichte.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Elektromotor (11) zumindest nicht motorisch angesteuert wird, wenn der mindestens eine Betriebsparameter darauf schließen lässt, dass die Dichte der Umgebungsluft mindestens der vorbestimmten Grenzdichte entspricht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Antriebsleistung des Elektromotors (11) in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebsparameter gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als der mindestens eine Betriebsparameter mindestens ein Parameter, insbesondere eine Kombination von Parametern, erfasst wird, wobei der mindestens eine Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Ist-Leistung der Brennkraftmaschine (1), insbesondere im Vergleich zu einer Soll- Leistung der Brennkraftmaschine (1); einem Ist-Drehmoment der Brennkraftmaschine (1), insbesondere im Vergleich zu einem Soll-Drehmoment der Brennkraftmaschine (1); einer Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine (1), und einem Umgebungsdruck der Brennkraftmaschine (1).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Antriebsleistung des Elektromotors (11) in Abhängigkeit von einer Regelabweichung einer Leistung oder eines Drehmoments der Brennkraftmaschine (1) gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Antriebsleistung des Elektromotors (11) in Abhängigkeit von einem Umgebungsdruck und einer Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine (1) gewählt, insbesondere aus einem Kennfeld ausgelesen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (11) nur angesteuert wird, wenn zusätzlich mindestens eine Zusatzbedingung erfüllt ist, wobei die mindestens eine Zusatzbedingung insbesondere ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Ein Lastparameter der Brennkraftmaschine (1) weist auf eine hohe momentane Last hin, und eine momentane Verdichterdrehzahl des Verdichters (5) ist kleiner als eine maximale
Verdi chterdrehzahl des Verdichters (5).
9. Steuergerät (13) für eine Brennkraftmaschine (1), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Brennkraftmaschine (1), mit einem in einem Luftpfad (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten Verdichter (5), der eingerichtet ist, um entlang des Luftpfads (3) strömende Umgebungsluft zu verdichten, einer mit dem Verdichter (5) antriebswirkverbundenen, in einem Abgaspfad (7) angeordneten Turbine (9), einem Elektromotor (11), der mit dem Verdichter (5) antrieb swirkverbunden ist, und mit einem Steuergerät (13), das mit dem Elektromotor (11) wirkverbunden und eingerichtet ist, um mindestens einen Betriebsparameter zu ermitteln, der charakteristisch ist für eine Dichte der Umgebungsluft der Brennkraftmaschine (1), wobei das Steuergerät (13) außerdem eingerichtet ist, um den Elektromotor (11) in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters anzusteuern.
11. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, wobei die Brennkraftmaschine (1) außerdem mindestens einen Parametersensor (20) aufweist, der mit dem Steuergerät (13) wirkverbunden und eingerichtet ist, um den mindestens einen Betriebsparameter zu erfassen.
12. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Turbine (9) größer ist als eine Turbine einer Brennkraftmaschine (1), deren Steuergerät (13) nicht eingerichtet ist, um einen Elektromotor (11) in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters anzusteuern, oder die keinen solchen Elektromotor (11) aufweist, insbesondere um 5 % bis 10 % größer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10303391B4 (de) 2003-01-29 2016-12-15 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinheit mit einem Verbrennungsmotor
US7137253B2 (en) * 2004-09-16 2006-11-21 General Electric Company Method and apparatus for actively turbocharging an engine
US7174714B2 (en) * 2004-12-13 2007-02-13 Caterpillar Inc Electric turbocompound control system
JP5857396B2 (ja) * 2010-10-28 2016-02-10 いすゞ自動車株式会社 ターボ過給システム
DE102012024318A1 (de) 2012-12-13 2014-06-18 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
US9540989B2 (en) 2015-02-11 2017-01-10 Ford Global Technologies, Llc Methods and systems for boost control
US10605155B2 (en) 2018-03-09 2020-03-31 Ford Global Technologies, Llc System and method for operating an electric assisted variable geometry turbocharger
DE102019215310A1 (de) * 2019-10-07 2021-04-08 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Steuerung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers
DE102020203888B4 (de) * 2020-03-25 2021-10-14 Mtu Friedrichshafen Gmbh Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraum und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
DE102020215462A1 (de) * 2020-12-08 2022-06-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Regelung eines Ladedrucks einer Kraftmaschine
US12454906B2 (en) * 2021-05-14 2025-10-28 Garrett Transportation I Inc. Electric boost device control for turbocharger

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