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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Hauptladersystem und mit einem elektrisch durch einen Motorgenerator antreibbaren Zusatzverdichter, wobei der Motorgenerator in ausgewählten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors angetrieben durch den Zusatzverdichter in einem generatorischen Expansionsbetrieb betreibbar ist und elektrische Leistung bereitstellt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist und ein elektronisches Steuergerät für einen derartigen Verbrennungsmotor, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen.
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Stand der Technik
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Es sind elektrische Verdichter bzw. Zusatzverdichter zur Unterstützung der Funktionsweise eines Hauptladers, meistens eines Abgasturboladers, in Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen bekannt, die vorzugsweise im unteren Motordrehzahlbereich arbeiten. Diese Verdichter werden beispielsweise in Form direkt angetriebener Radialverdichter, sogenannter Strömungsmaschinen, mit einer relativ hohen Drehzahl im Bereich von 50.000 1/min betrieben.
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Alternativ dazu können derartige Verdichter auch als sogenannte Verdrängermaschinen ausgeführt werden, welche beispielsweise als Aufladeaggregat in einstufigen oder zweistufigen Anordnungen, elektrisch oder mechanisch angetrieben, realisiert werden. Es ist bekannt, dass sich Verdrängermaschinen wesentlich besser für einen sogenannten Expansionsbetrieb eignen, in welchem die Funktionsweise des Verdichters umgekehrt wird.
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Gewöhnlich arbeitet ein Verdichter bei hohen Lastanforderungen an den Verbrennungsmotor, beispielsweise unter Zufuhr elektrischer Energie in einer ersten Betriebsart, dem elektromotorischen Verdichterbetrieb oder auch Aufladebetrieb. Der Verbrennungsmotor kann dabei sowohl ein Otto- als auch ein Dieselmotor sein.
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In Schubphasen des Fahrzeugs, in denen keine Lastanforderungen an den Verbrennungsmotor bestehen, wird der Verdichter in einer zweiten Betriebsart, dem generatorischen Expansionsbetrieb betrieben. Hierbei wird die in diesen Schubphasen freiwerdende Energie in elektrische Energie gewandelt und beispielsweise in einer Batterie gespeichert. Dieser Vorgang der Rückgewinnung von Energie wird auch als Rekuperation und die hierbei erzeugte Energie als Rekuperationsenergie bezeichnet. Die gewonnene elektrische Energie wird zum Beispiel in einer Batterie des Fahrzeugs gespeichert und steht bei kommenden Beschleunigungsvorgängen zur Verfügung oder kann zur Speisung elektrischer Verbraucher genutzt werden und auf diese Weise den Verbrennungsmotor beim Antrieb des Generators entlasten.
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Die Rekuperation erfolgt hierbei in statischen Rekuperations-Betriebspunkten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors ermöglicht demgegenüber den Expansionsbetrieb des elektrischen Zusatzverdichters nicht nur im statischen Betrieb mit konstanten Bedingungen und Drehzahlen, sondern insbesondere auch im transienten Betrieb. Dies wird durch eine in einem Bypass des elektrischen Zusatzverdichters angeordnete Klappe ermöglicht und realisiert, die zur Ausbildung eines vorgebbaren gewünschten Öffnungsquerschnitts ansteuerbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass in einem statischen Rekuperations-Betriebspunkt die ansteuerbare Klappe in dem Bypass so angesteuert wird, dass ein maximal möglicher Luftstrom über den elektrischen Zusatzverdichter geführt ist und ein minimal möglicher Luftstrom über den Bypass geführt ist. Ein solcher Rekuperations-Betriebspunkt ist z.B. ein fahrendes Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit von beispielsweise 80 km/h mit niedriger Last. Bei kleinen Laständerungen können allein durch die ansteuerbare Klappe im Bypass die Änderungen im Luftstrom schnell geregelt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass ausgehend von dem statischen Rekuperations-Betriebspunkt ein leichter Lastsprung hin zu einer niedrigeren Last mithilfe eines größeren generatorischen Bremsmoments und damit höherer Stromerzeugung bei der Rekuperation erzeugt wird. Bei einem großen Lastsprung zu einer geringeren Last, der durch den elektrischen Zusatzverdichter nicht schnell genug ausgeregelt werden kann, erfolgt ein schnelles Schließen der Drosselklappe des Verbrennungsmotors.
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Wenn beim Rekuperieren in dem statischen Rekuperations-Betriebspunkt (generatorisch) schlagartig eine hohe (motorische) Last angefordert wird, wird die regelbare Klappe so angesteuert, dass der Bypass vollständig geöffnet ist. In diesem Fall wird der elektrische Zusatzverdichter sehr schnell „hochgefahren“. Hierdurch wird die Saugvolllast schnell oder schlagartig erreicht und der Turbolader wird mit einem hohen Luftstrom auf der Frischluftseite durchströmt, was trotz schlechterem Wirkungsgrad zu einer gewünschten geringfügigen Drehzahlerhöhung des Turbolader-Laufzeugs führt. Auf diese Weise wird also durch den Einsatz des elektrischen Zusatzverdichters der Zweck erreicht, den trägen Turbolader so schnell wie möglich auf Nenndrehzahlen zu beschleunigen, damit der Turbolader allein die möglichst große Luftfüllung des Verbrennungsmotors leisten kann und so ein hohes Motormoment und eine hohe Leistung erzeugt werden können. Sobald der elektrische Zusatzverdichter während des Drehzahlhochlaufs eine Mindest-Drehzahl erreicht hat, die mehr Luft fördert als in der Saugvolllast gebraucht wird und damit selbst Druck aufbauen kann, wird die regelbare Klappe in dem Bypass so angesteuert, dass der Bypass sehr schnell geschlossen wird und der elektrische Zusatzverdichter Ladedruck aufbauen kann.
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Der elektrische Zusatzverdichter und der Bypass mit der in ihm angeordneten ansteuerbaren Klappe können dabei stromaufwärts des Hauptladers angeordnet sein.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der elektrische Zusatzverdichter zusammen mit dem Bypass und der in diesem angeordneten Klappe stromabwärts des Hauptladers angeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sieht dabei vor, dass die in dem Bypass des Zusatzverdichters angeordnete Klappe abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors zur Ausbildung eines vorgebbaren Öffnungsquerschnitts angesteuert wird. Durch die ansteuerbare und damit aktiv regelbare Klappe in dem Bypass ist ein breiter Einsatz des elektrischen Zusatzverdichters im Drehmomenten-Kennfeld möglich. Die Klappe kann dabei baugleich oder ähnlich einer an sich bekannten Drosselklappe ausgebildet sein. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass neben der Drosselklappe des Verbrennungsmotors die weitere ansteuerbare Klappe in dem Bypass angeordnet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die stromabwärts der ansteuerbaren Klappe angeordnete Drosselklappe des Verbrennungsmotors abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der Öffnungsstellung der ansteuerbaren Klappe angesteuert wird. Die Ansteuerung der ansteuerbaren Klappe in dem Bypass und die Ansteuerung der Drosselklappe des Verbrennungsmotors erfolgen damit abgestimmt aufeinander.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass ein direkter Wechsel vom motorischen Verdichterbetrieb in den generatorischen Expansionsbetrieb des Zusatzverdichters und umgekehrt abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors vorgenommen wird. Dies ist deshalb möglich, weil keine Drehrichtungsumkehr des elektrischen Zusatzverdichters erforderlich ist. Es kann damit von einem motorischen Verdichterbetrieb gewissermaßen unmittelbar umgeschaltet werden in einen generatorischen Expansionsbetrieb zur Rekuperation und umgekehrt. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Verbrennungsmotor und der Lader schon drehen und nicht extra auf einen Stillstand heruntergebremst werden müssen und sodann erneut beschleunigt werden müssen. Auf diese Weise werden Hochlaufzeit und Energie eingespart. Hieraus resultiert auch die Primärfunktion des elektrischen Zusatzverdichters, der Vorteil eines möglichst schnellen Drehzahl-Hochlaufs, der hierdurch weniger Zeit und weniger Energie erfordert.
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Sehr vorteilhaft wird dabei auch gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens bei einer Umschaltung vom motorischen Verdichterbetrieb mit hohen Drehzahlen in einen generatorischen Expansionsbetrieb mit niedrigeren Drehzahlen die kinetische Energie des Zusatzverdichters für eine Rekuperation ausgenutzt.
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Eine solche Umschaltung kann beispielsweise erfolgen, wenn nach dem Beschleunigen eines Fahrzeugs weiterhin Volllast und hohe Last gefordert sind, die im Wesentlichen mithilfe des Hauptladers bereitgestellt werden, der elektrische Zusatzverdichter heruntergefahren wird und abgeschaltet wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darüber hinaus vorgesehen, dass der statische Rekuperations-Betriebspunkt bei einem hohen elektrischen Energiebedarf zu höheren Lasten verschoben wird.
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Das vorliegende Verfahren kann beispielsweise mittels eines Computerprogramms umgesetzt werden, welches hierfür einen entsprechenden Programmcode beinhaltet.
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Vorteilhaft ist es, ein elektronisches Steuergerät wie eine Motorsteuerung für einen hier betroffenen Verbrennungsmotor derart einzurichten, dass es die Schritte des Verfahrens umsetzen kann.
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Weiterhin ist vorteilhafterweise vorgesehen, das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Speichermedium zu speichern. Dies erleichtert die Nachrüstung bestehender Steuergeräte.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß betriebenen Verbrennungsmotors;
- 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß betriebenen Verbrennungsmotors;
- 3 schematisch das Drehmoment über der Drehzahl zur Darstellung eines Mehrquadrantenbetriebs eines elektrischen Zusatzverdichters und
- 4 das Drehmoment über der Drehzahl zur Darstellung des erweiterten Einsatzbereichs des elektrischen Zusatzverdichters.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Ein in 1 dargestellter Verbrennungsmotor 100 weist einen Ansaugkanal 110 und einen Abgaskanal 120 auf. Ein Hauptlader 200, beispielsweise ein Turbolader, der ein Schaufelrad 210 im Ansaugkanal und ein Turbinenrad 220 im Abgaskanal aufweist, wobei das Turbinenrad 220 im Abgaskanal durch das Abgas angetrieben wird und das Schaufelrad 210 im Ansaugkanal 110 auf an sich bekannte Weise antreibt, um den Luftdurchsatz im Ansaugkanal 110 zu erhöhen, ist durch ein Steuergerät 300 über eine gestrichelt gezeichnete Steuerleitung 230 ansteuerbar. Im Ansaugkanal 110 unmittelbar vor dem (das heißt stromaufwärts des) Einlassbereich des Motors 100 ist eine an sich bekannte Drosselklappe 400 angeordnet, die ebenfalls von dem Steuergerät 300 über eine Steuerleitung 430 (gestrichelt gezeichnet) ansteuerbar ist. Stromabwärts des Hauptladers 210 und stromaufwärts der Drosselklappe 400 ist in dem Ansaugkanal 110 ein elektrischer Zusatzverdichter 510 angeordnet, der von einem Motorgenerator 520 antreibbar ist. Der Motorgenerator 520 ist über eine Steuerleitung 530 ansteuerbar. In einem Bypass 600 des elektrischen Zusatzverdichters 510 ist eine ansteuerbare und regelbare Klappe 700 angeordnet, die über eine Steuerleitung 730 von dem Steuergerät 300 angesteuert wird. Diese Klappe 700 kann hinsichtlich ihrer Bauart der Drosselklappe 400 entsprechen. Es ist an dieser Stelle hervorzuheben, dass sämtliche Steuerleitungen 230, 430, 530, 730 bidirektionale Leitungen sind, d.h. es erfolgt ein Datentransfer von dem Steuergerät 300 zu den entsprechenden Aggregaten und umgekehrt werden Signale von den entsprechenden Aggregaten an das Steuergerät 300 übermittelt.
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In 2 ist eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäß betriebenen Verbrennungsmotors dargestellt, die sich von der in 1 dargestellten nur dadurch unterscheidet, dass der elektrische Zusatzverdichter 510, der von dem Motorgenerator 520 angetrieben wird, und der Bypass 600, in dem die ansteuerbare Klappe 700 angeordnet ist, stromaufwärts des Hauptladers 200 angeordnet ist, wohingegen diese Komponenten bei dem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor stromabwärts des Hauptladers 200 angeordnet sind.
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Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Einsatz der aktiv regelbaren Klappe 200 im Bypass 600 für den möglichst breiten Einsatz im Drehmomenten-Kennfeld. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor weist im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotoren damit zwei Regelklappen im Luftpfad auf. Es ist ein direkter Wechsel vom motorischen Verdichterbetrieb des elektrischen Zusatzverdichters 510, bei dem der Zusatzverdichter 510 von dem Motorgenerator 520 angetrieben wird, hin zu einer Rekuperation im generatorischen Expansionsbetrieb, bei dem der elektrische Zusatzverdichter 510 den Motorgenerator 520 antreibt und dieser als Generator wirkt, möglich und genauso auch ein umgekehrter Wechsel vom generatorischen Expansionsbetrieb zum motorischen Verdichterbetrieb. Der Motorgenerator 520 und der Lader 510 drehen bereits und müssen nicht extra auf null heruntergebremst und wieder neu beschleunigt werden. Auf diese Weise wird Hochlaufzeit und auch Energie eingespart. Das ermöglicht einen sehr schnellen Drehzahl-Hochlauf des elektrischen Zusatzverdichters und damit eine optimale Unterstützung des Hauptladers 200. Diese Unterstützung ist die Primärfunktion des elektrischen Zusatzverdichters. Wenn dabei von einem motorischen Betrieb bei hoher bzw. maximaler Drehzahl des elektrischen Zusatzverdichters 510 umgeschaltet wird zu einem generatorischen Betrieb auf einem niedrigeren Drehzahlniveau, kann die gespeicherte kinetische Energie des elektrischen Zusatzverdichters 510 ebenfalls für die Rekuperation verwendet werden, genauso wie ein statischer Rekuperations-Betriebspunkt, in dem das Fahrzeug sich beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 80 km/h mit niedriger Last bewegt. Dieser Rekuperations-Betriebspunkt wird beispielsweise erreicht, wenn der Hauptlader 200 die Funktion zur Aufladung des Motors 100 übernommen hat und insoweit der elektrische Zusatzverdichter 510 „heruntergefahren“ werden kann. Wenn in diesem Zustand leichte Laständerungen vorgenommen werden müssen und der elektrische Zusatzverdichter 510 diese leichten Laständerungen nicht ausregeln kann, ist vorgesehen, einen möglichst großen Teil des Luftstroms über den elektrischen Zusatzverdichter 510 zu führen, um eine optimale Rekuperation zu ermöglichen und dabei gleichzeitig eine minimale Luftmenge über die aktive, ansteuerbare Klappe 400 zu führen. Bei kleinen Laständerungen kann die ansteuerbare Klappe 400, nachfolgend auch kurz als Regelklappe bezeichnet, die Änderungen im Luftstrom schnell ausregeln. Ein leichter Lastsprung hin zu einer niedrigeren Last kann mit einem größeren generatorischen Bremsmoment und damit einer höheren Stromerzeugung und einer erhöhten Rekuperation realisiert werden.
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Ein großer Lastsprung hin zu einer geringeren Last, welche der elektrische Zusatzverdichter 510 nicht schnell genug ausregeln kann, wird durch ein schnelles Schließen der Drosselklappe 400 des Verbrennungsmotors 100 realisiert.
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Wenn beim Rekuperieren in diesem statischen Rekuperations-Betriebspunkt schlagartig eine hohe motorische Last angefordert wird, kann zum einen der Bypass 600 durch entsprechendes Ansteuern der Regelklappe 700 schnell vollständig geöffnet werden und zum anderen der elektrische Zusatzverdichter 510 so schnell wie möglich hochgefahren werden. Dies führt dazu, dass die Saugvolllast schnell oder schlagartig erreicht wird und der Hauptlader 200 mit hohem Luftstrom auf der Frischluftseite durchströmt wird, was zu einer gewünschten geringfügigen Drehzahlerhöhung des Turbolader-Laufzeugs 210 führt. Insoweit wird der primäre Zweck des elektrischen Zusatzverdichters 510 erfüllt, nämlich den trägen Abgas-Turbolader 200 so schnell wie möglich auf Nenndrehzahl zu beschleunigen, damit der Turbolader 200 allein die möglichst große Luftfüllung des Verbrennungsmotors 100 erzeugen kann und so ein hohes Motormoment und eine hohe Leistung erzeugt werden können. Wenn dabei der elektrische Zusatzverdichter 510 bei diesem Drehzahlhochlauf eine Mindest-Drehzahl erreicht hat, die mehr Luft fördert, als sie in der Saugvolllast gebraucht wird und somit Druck aufbauen kann, wird der Bypass 600 durch entsprechendes Ansteuern der Regelklappe 700 schnell geschlossen und der elektrische Zusatzverdichter 510 kann in diesem Fall auch wirklich Lade-Druck aufbauen. Ein Nicht-Schließen des Bypass 600 würde dazu führen, dass es zu unerwünschten Rückströmungen über den offenen Bypass 600 kommt.
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Die vorbeschriebene vorteilhafte Rekuperation ist bei entsprechenden Rekuperations-Betriebspunkten realisierbar. Der Betriebsbereich der Rekuperation kann dabei durch Lastpunktverschiebung hin zu höheren Lasten verschoben werden, falls beispielsweise ein sehr hoher elektrischer Energiebedarf besteht. Dadurch, dass das Bordnetz durch die zusätzliche Rekuperations-Energie unterstützt wird, können Lichtmaschinen in dem entsprechenden Fahrzeug zum Einsatz kommen, die auf geringere Leistung und Standzeiten ausgelegt sind, wodurch eine Kostenersparnis möglich ist.
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In 3 ist der beschriebene Mehrquandrantenbetrieb dargestellt, also der Betrieb des elektrischen Zusatzverdichters sowohl als motorisch angetriebener Verdichter als auch im generatorischen Expansionsbetrieb. Es ist das Drehmoment M über der Drehzahl n aufgetragen und in einem Punkt 3 ist ein motorischer Lastpunkt mit Verdichterbetrieb und in einem Punkt 4 ist der generatorische Betrieb zur Rekuperation im Expansionsbetrieb dargestellt. Der motorische Betrieb weist gewöhnlich eine höhere Drehzahl n auf als der generatorische Betrieb.
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In 4 ist der erweiterte Einsatzbereich dargestellt, in dem Rekuperation möglich ist. Linie 401 repräsentiert die statische maximale Momentenkennlinie eines Turbo-aufgeladenen Ottomotors. In einem großen Teilbereich 402 kann eine Rekuperation wie vorstehend beschrieben durchgeführt werden. In einem Bereich 405 ist dagegen zu wenig Saugrohrunterdruck für den Expansionsbetrieb vorhanden und in einem Bereich 406 ist zu wenig Luftmenge vorhanden. Der Figur ist zu entnehmen, dass eine Mindestdrehzahl n existiert, bei der der Lader drehen muss, um die Haftreibung zu überwinden.