DE102007052118A1 - Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang mit einem Turbocompoundsystem und Antriebsstrang - Google Patents

Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang mit einem Turbocompoundsystem und Antriebsstrang Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang, umfassend einen Verbrennungsmotor, der einen Abgasstrom erzeugt und der über eine Kurbelwelle oder andere Antriebswelle Antriebsleistung in den Antriebsstrang speist, wobei ein Turbocompoundsystem vorgesehen ist, umfassend eine Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom mit Abgas aus dem Verbrennungsmotor beaufschlagbar ist, um im Abgas enthaltene Energie in Antriebsleistung umzuwandeln und diese in den Antriebsstrang einzuspeisen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors wird unmittelbar oder mittelbar erfasst oder aus einer mit dieser korrelierenden Größe berechnet; - das aktuelle Drehmoment, mittels welchem die Kurbelwelle oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, wird unmittelbar oder mittelbar erfasst oder aus einer mit diesem korrelierenden Größe berechnet; - in Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Drehzahl und des erfassten oder berechneten Drehzahlmomentes wird die Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem in wenigstens einem ersten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren im Wesentlichen oder vollständig unterbrochen, und in einem außerhalb des ersten Bereiches liegenden zweiten Bereich oder im übrigen Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren wird ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang, in welchem ein sogenanntes Turbocompoundsystem vorgesehen ist, um die Abgasenergie des Abgases eines Verbrennungsmotors des Antriebsstrangs in Antriebsleistung umzuwandeln. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, der für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingerichtet ist.
  • Turbocompoundsysteme in Kraftfahrzeugantriebssträngen sind bekannt. Hierin wird eine Abgasnutzturbine im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, der dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dient, angeordnet, und die Antriebsleistung der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen. In der Regel ist in der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle eine hydrodynamische Kupplung angeordnet, welche Drehschwingungen zwischen der Kurbelwelle und der Abgasnutzturbine dämpft.
  • Es ist bereits vorgeschlagen worden, eine solche hydrodynamische Kupplung in der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle mit einer Schrägbeschaufelung auszuführen, welche bewirkt, dass in Richtung von der Abgasnutzturbine auf den Verbrennungsmotor ein großes Drehmoment und in umgekehrter Richtung nur ein geringes Drehmoment durch die hydrodynamische Kupplung übertragen wird. Dies hat den Vorteil, dass in Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, in denen nur wenig Abgas anfällt, eine bremsende Wirkung der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle vermindert wird. Andere mechanische Maßnahmen sind untersucht worden, um dieses Prinzip – maximale Leistungsübertragung in der einen Richtung und minimale Leistungsübertragung in der anderen Richtung – zu optimieren. Hierunter fallen beispielsweise solche Lösungen wie das Vorsehen eines Freilaufes in der Triebverbindung, der nur in eine Drehrichtung wirkt.
  • Obwohl bei bekannten Fahrzeugantriebssträngen mit Turbocompoundsystemen insgesamt eine bessere Kraftstoffausnutzung zum Antrieb des Fahrzeugs und damit über einen langen Zeitraum ein geringerer Kraftstoffverbrauch pro gefahrenem Kilometer im Vergleich zu Antriebssträngen ohne Turbocompoundsystem erreicht werden konnte, besteht aufgrund immer strengerer Vorgaben hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der zulässigen Emissionswerte ein weiterer Handlungsbedarf, um den Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors in einem Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang, zu verringern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches eines Verbrennungsmotors in einem Antriebsstrang verbessertes Verfahren zum Steuern der Leistungsübertragung in dem Antriebsstrang darzustellen. Bei einem Fahrzeugantriebsstrang soll dabei insbesondere ungeachtet des Einsatzgebietes des Kraftfahrzeugs, das heißt ungeachtet der Topographie, auf welcher ein Fahrzeug bewegt wird, und ungeachtet der Zeitdauer der einzelnen Fahrten des Fahrzeugs, eine Kraftstoffersparnis gegenüber herkömmlichen Steuerverfahren erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und einen Antriebsstrang mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in einem Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang, wie zum Beispiel in einem Nutzkraftfahrzeug wie Lkw, Bus, Baumaschine, Triebwagen eines Schienenfahrzeugs oder einer Lokomotive, eine Einspeisung von Antriebsleistung sowohl über einen Verbrennungsmotor, beispielsweise Dieselmotor oder sonstiger Kolbenmotor, als auch über eine Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet ist, möglich. Insbesondere dient sowohl die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors als auch die Antriebsleistung der Abgasnutzturbine dazu, bei einem Fahrzeugantriebsstrang das Fahrzeug insbesondere über Antriebsräder anzutreiben oder, beispielsweise bei einer stationären Anlage, ein und dasselbe Aggregat mittels dem Verbrennungsmotor und der Abgasnutzturbine anzutreiben. Selbstverständlich ist es auch möglich, verschiedene Aggregate anzutreiben, bei einem Fahrzeug beispielsweise den Verbrennungsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs, insbesondere dessen Antriebsräder, zu nutzen und die Abgasnutzturbine zum Antrieb eines Nebenverbrauchers zu nutzen, beispielsweise eines elektrischen Generators.
  • Besonders vorteilhaft überträgt die Abgasnutzturbine, insbesondere, wie in der Beschreibungseinleitung dargestellt über eine hydrodynamische Kupplung, ihre Antriebsleistung auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors beziehungsweise eine sonstige Antriebswelle des Verbrennungsmotors, über welche der Verbrennungsmotor seine Antriebsleistung in den Antriebsstrang speist. Die Abgasnutzturbine kann dabei im Abgasstrom des Verbrennungsmotors zusätzlich zu einer Turboladerturbine, insbesondere in Strömungsrichtung hinter dieser, angeordnet sein, wobei mittels der Turboladerturbine ein Verdichter angetrieben wird, um den Verbrennungsmotor als sogenannten aufgeladenen Verbrennungsmotor zu betreiben, das heißt, diesen mit einem Gemisch aus verdichteter Frischluft, Kraftstoff und insbesondere rückgeführtem Abgas zu speisen.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem ganz gezielt eingeschaltet und ausgeschaltet, und zwar in Abhängigkeit des aktuell durch den Verbrennungsmotor erzeugten Drehmomentes und der Drehzahl des Verbrennungsmotors, das heißt der Drehzahl dessen Kurbelwelle oder sonstiger Antriebswelle. Hierzu wird zunächst die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle oder sonstigen Antriebswelle des Verbrennungsmotors erfasst. Diese Erfassung kann unmittelbar an der Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle erfolgen, beispielsweise über einen Drehzahlsensor. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Drehzahl dieser Welle indirekt zu erfassen, indem andere Betriebsgrößen des Antriebsstranges erfasst werden, welche mit der Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle korrelieren, insbesondere proportional zu dieser sind. So kann beispielsweise die Drehzahl einer Getriebeeingangswelle eines im Leistungsfluss hinter dem Verbrennungsmotor angeordneten Getriebes erfasst werden, oder einer Getriebeabtriebswelle eines solchen Getriebes, letzteres zusammen mit dem im Getriebe eingestellten Übersetzungsverhältnis beziehungsweise der Gangstellung, um aus diesen beiden Größen auf die Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise des Verbrennungsmotors zu schließen. Selbstverständlich können auch andere Größen, beispielsweise die Einspritzmenge des Kraftstoffes, herangezogen werden, um die gewünschte Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle des Verbrennungsmotors zu berechnen.
  • Auf entsprechende Art kann auch das aktuelle Drehmoment erfasst werden, mittels welchem die Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle des Verbrennungsmotors durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird. Somit kommt auch hier eine unmittelbare oder mittelbare Erfassung in Betracht, oder eine Berechnung aus einer oder mehrerer mit dem Drehmoment korrelierender Größen.
  • Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors und des aktuellen Drehmomentes dieser Welle zu erfassen besteht darin, die Pedalstellung eines Gaspedals, mittels welchem die Einspritzmenge von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor zumindest mittelbar gesteuert wird, oder eines sonstigen gleichwirkenden Aktuators, zu erfassen. Zusammen mit einer unmittelbaren oder mittelbaren Drehzahlerfassung kann dann aus einem hinterlegten Kennfeld, in welchem das Drehmoment in Abhängigkeit der Pedalstellung und der Drehzahl aufgetragen ist oder durch entsprechende Wertekombinationen beschrieben wird, auf das aktuelle Drehmoment geschlossen werden. Selbstverständlich kann eine entsprechende Bestimmung auch durch entsprechend hinterlegte mathematische Beziehungen zwischen Pedalstellung, Drehzahl und Drehmoment erfolgen.
  • In Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Werte der Drehzahl und des Drehmomentes wird die Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem in wenigstens einem ersten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren unterbrochen, und in einem zweiten Bereich oder auch im übrigen Bereich der Drehzahl-Drehmoment-Wertepaare eingestellt, so dass in dem zweiten Berich Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine in den Antriebsstrang eingespeist wird, insbesondere auf die Kurbelwelle übertragen wird. Die Unterbrechung im ersten Bereich kann dabei eine vollständige sein, oder die Leistungsübertragung wird bis auf einen vorgegebenen Restwert vermindert.
  • Besonders vorteilhaft wird die Einstellung der Leistungsübertragung, das heißt die Unterbrechung der Leistungsübertragung in dem ersten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren und die aktive Leistungsübertragung im zweiten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren, durch eine elektronische Steuervorrichtung gesteuert oder geregelt, wobei diese Steuervorrichtung die aktuell erfassten oder berechneten Größen von Drehzahl und Drehmoment auswertet. Selbstverständlich ist es möglich, anstelle einer einzigen Steuervorrichtung mehrere miteinander verschaltete Steuervorrichtungen vorzusehen.
  • Statt von einer Unterbrechung der Leistungsübertragung könnte man auch von einer Abschaltung des Turbocompoundsystems sprechen, wobei die Abschaltung vorteilhaft in den Bereichen des durch Drehzahl und Drehmoment dargestellten Kennfeldes des Verbrennungsmotors erfolgt, in denen ein eingeschaltetes Turbocompoundsystem zu einem Kraftstoffmehrverbrauch führen könnte. Die Abschaltung kann durch verschiedene einzelnen Maßnahmen oder Kombinationen hiervon erreicht werden. So ist es zum Beispiel möglich, eine in der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und dem Ort der Leistungseinspeisung der Abgasnutzturbinenleistung in den Antriebsstrang, insbesondere eine zwischen Abgasnutzturbine und Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angeordnete hydrodynamische Kupplung zu entleeren, das heißt das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung auszutragen, oder eine sonstige Kupplung zu öffnen, so dass die Leistungsübertragung zwischen den beiden Kupplungshälften im wesentlichen oder vollständig unterbrochen wird. Eine solche hydrodynamische Kupplung kann beispielsweise eine in ihrem Füllungsgrad regelbare hydrodynamische Kupplung sein, um auch bei einer Leistungsübertragung mit befülltem Arbeitsraum die Höhe der Leistungsübertragung gezielt variieren zu können. Die Kupplung kann beispielsweise über eine Umsetzung mit der Abgasnutzturbine verbunden sein, so dass die Eingangsseite mit einer kleineren Drehzahl als die Abgasnutzturbine umläuft. Alternativ ist die Kupplung direkt an die Abgasnutzturbine gekoppelt, so dass die Eingangsseite mit der Drehzahl der Abgasnutzturbine umläuft.
  • Alternativ oder zusätzlich kann ein Bypass für den Abgasstrom aus dem Verbrennungsmotor um die Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems herum vorgesehen sein, so dass das Abgas teilweise oder vollständig an der Abgasnutzturbine vorbeigeleitet werden kann. Der Bypass für den Abgasstrom aus dem Verbrennungsmotor kann alternativ auch um eine der Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems im Abgasstrom vorgeschaltete Abgasturbine, beispielsweise eines Turboladers, vorgesehen sein, so dass das Abgas teilweise oder vollständig an dieser Abgasturbine vorbeigeleitet werden kann, bevor es in die Abgasnutzturbine strömt. Durch mehr oder minder vollständiges Vorbeileiten an der Abgasturbine wird die Temperatur und/oder der Druck geändert, mit welcher/welchem das Abgas in die Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems einströmt. Auch hierdurch ist eine Regelung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem möglich. Selbstverständlich ist es möglich, sowohl den Bypass um die Abgasnutzturbine herum als auch den Bypass um die Abgasturbine im Abgasstrom vor der Abgasnutzturbine herum nebeneinander vorzusehen oder nur einen von beiden Bypässen. Auch ein gemeinsamer Bypass um beide Turbinen herum ist möglich.
  • Schließlich ist es auch möglich, alternativ oder zusätzlich die Abgasnutzturbine hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme regelbar auszuführen, beispielsweise über eine Verstellung der Leitschaufeln oder Laufschaufeln der Abgasnutzturbine oder über eines oder mehrere entsprechend vorgesehene Einlassventile zum Ändern beziehungsweise Drosseln des in die Abgasnutzturbine einströmenden Abgasstromes. Andere Steuerungs- oder Regelungsmaßnahmen sind denkbar, um die von der Abgasnutzturbine aufgenommene Leistung zu steuern oder zu regeln.
  • Besonders vorteilhaft ist im Antriebsstrang neben dem Turbocompoundsystem ein Dampfkraftsystem vorgesehen, um Antriebsleistung einer dampfgetriebenen Expansionsmaschine in den Antriebsstrang einzuspeisen. Hierbei gilt das zu der Abgasnutzturbine gesagte. So kann beispielsweise die dampfgetriebene Expansionsmaschine, die insbesondere als Dampfturbine oder als Kolbenexpander ausgeführt ist, ihre Antriebsleistung auf die Kurbelwelle oder sonstige Antriebswelle des Verbrennungsmotors übertragen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, mittels der dampfgetriebenen Expansionsmaschine bei einem Fahrzeugantriebsstrang das Fahrzeug anderweitig als über Einspeisung der Antriebsleistung auf die Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle des Verbrennungsmotors mittels der dampfgetriebenen Expansionsmaschine anzutreiben. Schließlich ist es möglich, ein Nebenaggregat im Antriebsstrang, beispielsweise einen elektrischen Generator, mittels der dampfgetriebenen Expansionsmaschine anzutreiben.
  • Die dampfgetriebene Expansionsmaschine ist in einem Dampfkreislauf des Dampfkraftsystems angeordnet, welcher in der Regel einen Dampferzeuger, einen Kondensator und eine Speisewasserpumpe umfasst. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle von Wasser ein anderes verdampfungsfähiges Medium als Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes zu verwenden. Die Dampferzeugung erfolgt dabei wenigstens teilweise mit Wärme, die aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors abgeführt wird, in der Regel in einem Wärmetauscher, der auf der einen Seite von dem Abgas durchströmt wird und auf der anderen Seite von dem Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes, insbesondere im Gegenstrom oder Kreuzstrom. Der Wärmetauscher oder mehrere Wärmetauscher können beispielsweise im Abgasstrom vor oder hinter der Abgasnutzturbine und/oder in einer Abgasrückführung angeordnet sein. Andere Positionen und/oder Wärmequellen sind möglich.
  • Auch die Leistungsübertragung im Dampfkraftsystem kann in Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Drehzahl und des erfassten oder berechneten Drehmomentes des Verbrennungsmotors gesteuert oder geregelt werden, wobei vorteilhaft in einem dritten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren die Leistungsübertragung in dem Dampfkraftsystem unterbrochen wird und in einem vierten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren, der außerhalb des dritten Bereiches liegt, Antriebsleistung von der dampfgetriebenen Expansionsmaschine in den Antriebsstrang eingespeist wird, insbesondere auf die Kurbelwelle oder sonstige Antriebswelle des Verbrennungsmotors übertragen wird. Sowohl der dritte Bereich als auch der vierte Bereich können sich mit dem ersten Bereich und zugleich mit dem zweiten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren zur Steuerung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem jeweils nur teilweise überschneiden.
  • Zur Unterbrechung der Leistungsübertragung in dem Dampfkraftsystem kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht. Beispielsweise kann zwischen der dampfgetriebenen Expansionsmaschine und der Einspeisungsstelle von Antriebsleistung aus der dampfgetriebenen Expansionsmaschine in den Antriebsstrang, insbesondere zwischen der dampfgetriebenen Expansionsmaschine und der Kurbelwelle oder sonstigen Antriebswelle des Verbrennungsmotors, eine schaltbare Kupplung vorgesehen sein, die wahlweise geöffnet und geschlossen werden kann. Eine solche Kupplung kann wiederum als hydrodynamische Kupplung ausgeführt sein, deren Arbeitsraum zum Öffnen der Kupplung von Arbeitsmedium entleert wird. Selbstverständlich kommen wie bei der Kupplung im Turbocompoundsystem wiederum auch andere Kupplungsformen in Betracht, beispielsweise eine Reibkupplung, eine Klauenkupplung oder eine Viskokupplung.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Leistungsübertragung im Dampfkraftsystem dadurch zu unterbrechen, dass der Dampf in einem Bypass teilweise oder vollständig an der dampfgetriebenen Expansionsmaschine vorbeigeleitet wird, dass die Abtriebswelle der Expansionsmaschine festgesetzt wird oder der Abgasstrom des Verbrennungsmotors teilweise oder vollständig in einem Bypass an dem der Dampferzeugung dienen Wärmetauscher vorbeigeleitet wird. Andere Möglichkeiten der Leistungsunterbrechung sind denkbar.
  • Vorteilhaft können die verschiedenen Bereiche der Drehzahl-Drehmoment-Wertepaare derart festgelegt werden, dass sie bestimmte Betriebszustände des Antriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs beziehungsweise der Fahrsituation des Fahrzeugs beschreiben. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, diese Fahrsituationen über andere Größen zu erfassen, beispielsweise über die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Topographie, auf welcher sich das Fahrzeug zur Zeit bewegt, letzteres beispielsweise über eine Neigung des Fahrzeugs oder ein Navigationssystem (insbesondere GPS) erfasst, oder durch Erfassung von Temperaturen oder sonstigen Größen.
  • Beispielhaft seien die folgenden vorteilhaften Einstellungen, die gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, automatisch, insbesondere über eine Steuervorrichtung, vorgenommen werden können, genannt:
    Bei einem Kaltstart des Fahrzeugs, das heißt ein oder mehrere Arbeits- oder Betriebsmedien, beispielsweise das Motor- oder Getriebeöl oder das Arbeitsmedium des Dampfkraftsystems, haben eine vergleichsweise niedrige Temperatur, wird die Leistungsübertragung in dem Dampfkraftsystem unterbrochen, insbesondere bis das Arbeitsmedium des Dampfkraftsystems beziehungsweise der dampfgetriebenen Expansionsmaschine sich auf einen vorgegebenen Temperaturwert erhitzt hat.
  • Bei einer Bergauffahrt des Fahrzeugs wird Antriebsleistung mittels dem Turbocompoundsystem und mittels dem Dampfkraftsystem übertragen, wobei insbesondere beide Systeme jeweils auf volle Leistungsübertragung geregelt werden. In einem thermischen Grenzbereich kann zugleich eine Abregelung des Verbrennungsmotors erfolgen, um eine Überlast zu verhindern.
  • Bei einer Bergabfahrt des Fahrzeugs kann insbesondere die Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem unterbrochen oder vermindert werden. Besonders vorteilhaft kann die dampfgetriebene Expansionsmaschine im Schleppbetrieb angetrieben werden, das heißt mittels der dampfgetriebenen Expansionsmaschine wird ein Bremsmoment auf den Antriebsstrang, insbesondere die Kurbelwelle oder sonstige Antriebswelle des Verbrennungsmotors, ausgeübt. Hierzu kann beispielsweise die Durchflussrichtung des Arbeitsmediums des Dampfkraftsystems durch die Expansionsmaschine umgekehrt werden und/oder das Arbeitsmedium in Strömungsrichtung hinter der dampfgetriebenen Expansionsmaschine gestaut werden, um einen entsprechenden Druck zu erzeugen, gegen welchen die Expansionsmaschine arbeitet. Andere Maßnahmen sind vorstellbar.
  • Gemäß einem weiteren Gedanken des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern der Leistungsübertragung wird durch Steuern der Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem der Abgasgegendruck gesteuert oder geregelt. Unter Abgasgegendruck versteht man den Druck im Abgasstrom am oder hinter dem Austritt aus dem Verbrennungsmotor, insbesondere an der Stelle, an welcher eine Abgasrückführung einen Teil des Abgasstromes abzweigt und auf die Frischluftseite des Verbrennungsmotors leitet. Herkömmlich wird eine konstante Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) eingestellt, zum Beispiel von 45%. Die Abgasrückführungsrate beschreibt, welcher Anteil des Abgasstromes auf die Frischluftseite des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird, das heißt den Quotienten aus rückgeführtem Abgasstrom zum Gesamtabgasstrom.
  • Um herkömmlich eine ausreichend hohe AGR-Rate einstellen zu können, wurde ein entsprechend hoher Abgasgegendruck erzeugt. Ein solcher hoher Abgasgegendruck führt jedoch auch zu einem Kraftstoffmehrverbrauch des Verbrennungsmotors. Wenn nun in Situationen, in welchen die vorgegebenen Abgasgrenzwerte auch mit einer kleineren AGR-Rate erreicht werden können, mittels einer Regelung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem der Abgasgegendruck abgesenkt werden kann, so steht zwar möglicherweise weniger Antriebsleistung aus der Abgasnutzturbine zur Verfügung, jedoch verringert sich zugleich der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors. Dies kann in Abhängigkeit der Drehzahl beziehungsweise des Drehmomentes des Verbrennungsmotors zu einer besseren Gesamtenergiebilanz des Antriebsstranges führen.
  • Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, den Abgasgegendruck mittels der Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem zu steuern oder zu regeln, sieht vor, eine regelbare Kupplung in der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Stelle der Einspeisung der Antriebsleistung der Abgasnutzturbine in den Antriebsstrang, insbesondere zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle oder sonstigen Antriebswelle des Verbrennungsmotors vorzusehen. Beispielsweise kann, wie dargestellt, eine hydrodynamische Kupplung vorgesehen werden. Durch Vermindern des Füllungsgrades des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung und Betreiben der hydrodynamischen Kupplung im Teilfüllungsbereich und/oder durch Einbringen eines Drosselbauteils in die Kreislaufströmung von Arbeitsmedium im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung kann die Leistungsübertragung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad der hydrodynamischen Kupplung vermindert werden. Durch diese Verminderung der Leistungsübertragung nimmt das Reaktionsmoment, gegen welches die Abgasnutzturbine arbeitet, ab, und dadurch sinkt der Abgasdruck vor der Abgasnutzturbine und damit der Abgasgegendruck. Eine Erhöhung des Abgasdruckes vor der Abgasnutzturbine und damit des Abgasgegendruckes kann umgekehrt dadurch erreicht werden, dass der Füllungsgrad des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung erhöht wird beziehungsweise die Störung der Kreislaufströmung von Arbeitsmedium im Arbeitsraum vermindert wird, so dass die Leistungsübertragungsfähigkeit (die Leistungszahl λ der hydrodynamischen Kupplung) erhöht wird.
  • Die zuvor dargestellte Einstellung des Abgasgegendruckes durch gezieltes Einstellen der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem kann prinzipiell auch unabhängig davon erfolgen, ob die Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem in Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Drehzahl und des erfassten oder berechneten Drehmomentes in einem ersten Bereich unterbrochen wird und in einem zweiten Bereich aufrechterhalten wird.
  • Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Antriebsstranges soll nachfolgend anhand der 1 und der zugehörigen Beschreibung dargestellt werden. Ferner ist in der 2 exemplarisch die Unterteilung eines Motorkennfeldes in zwei Bereiche dargestellt, wobei in dem ersten Bereich A die Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem unterbrochen wird, und im zweiten Bereich B Leistung von der Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems in den Antriebsstrang eingespeist wird.
  • In der 1 erkennt man den Verbrennungsmotor 1, in dessen Abgasstrom 2 in der genannten Reihenfolge, bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases, eine Turboladerturbine 10, eine Abgasnutzturbine 4, letztere umgehbar durch einen Bypass 5, ein Partikelfilter 11 und ein Wärmetauscher 12 eines Dampferzeugers eines Dampfkreislaufes 8 angeordnet sind. Ein Teil des Abgasstromes 2 wird durch eine Abgasrückführung (AGR) 13 geleitet, in welcher weitere Wärmetauscher 14 und 15 des Dampferzeugers des Dampfkreislaufes 8 angeordnet sind, sowie ein Wärmetauscher 16 des Kühlwasserkreislaufes 17, wobei mit dem Kühlwasser der Verbrennungsmotor 1 gekühlt wird und auch das rückgeführte Abgas, wenn notwendig, gekühlt werden kann.
  • Im Kühlwasserkreislauf 17 ist ein Luft-Wasser-Wärmetauscher 18, wie bekannt, angeordnet.
  • Ferner ist ein Kondensator 19 des Dampfkreislaufes 8 und eine Speisewasserpumpe 20 im Dampfkreislauf 8 vorgesehen. Mit 21 ist ein Sammelbehälter bezeichnet.
  • Die Turboladerturbine 10 treibt einen Verdichter 22 an, welcher Ladeluft für den Verbrennungsmotor 1 verdichtet. Die Ladeluft wird nach ihrer Verdichtung im Ladeluftkühler 23 gekühlt und mit dem Abgas aus der Abgasrückführung 13 gemischt.
  • Durch die gezeigte gewählte Reihenfolge der Wärmetauscher in den verschiedenen Strömungswegen wird das Temperaturniveau der Wärmeübertragung eingestellt.
  • Erfindungsgemäß ist eine Steuervorrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, welche bestimmt, in welchen Kennfeldbereichen des Verbrennungsmotors 1 Leistung über die Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine 4 und der Kurbelwelle 3 beziehungsweise zwischen der dampfgetriebenen Expansionsmaschine 7 und der Kurbelwelle 3 übertragen wird.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Steuern der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang, umfassend einen Verbrennungsmotor (1), der einen Abgasstrom (2) erzeugt, und der über eine Kurbelwelle (3) oder andere Antriebswelle Antriebsleistung in den Antriebsstrang speist, wobei ein Turbocompoundsystem vorgesehen ist, umfassend eine Abgasnutzturbine (4), die im Abgasstrom (2) mit Abgas aus dem Verbrennungsmotor (1) beaufschlagbar ist, um im Abgas enthaltende Energie in Antriebsleistung umzuwandeln und diese in den Antriebsstrang einzuspeisen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 1.1 die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle (3) oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors (1) wird unmittelbar oder mittelbar erfasst oder aus einer mit dieser korrelierenden Größe berechnet; 1.2 das aktuelle Drehmoment, mittels welchem die Kurbelwelle oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors (1) durch den Verbrennungsmotor (1) angetrieben wird, wird unmittelbar oder mittelbar erfasst oder aus einer mit diesem korrelierenden Größe berechnet; 1.3 in Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Drehzahl und des erfassten oder berechneten Drehmomentes wird die Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem in wenigstens einem ersten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren im wesentlichen oder vollständig unterbrochen, und in einem außerhalb des ersten Bereiches liegenden zweiten Bereich oder im übrigen Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren wird Antriebsleistung aus der Abgasnutzturbine (4) in den Antriebsstrang eingespeist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem und die Leistungseinspeisung mittels des Turbocompoundsystems durch eine elektronische Steuervorrichtung gesteuert oder geregelt wird, welche die aktuell erfassten oder berechneten Größen auswertet.
  3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem durch Umschalten des Abgasstromes (2) durch die Abgasnutzturbine (4) auf einen Strömungsbypass (5), welcher den Abgasstrom (2) an der Abgasnutzturbine (4) vorbeileitet, erfolgt.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine (4) über eine Kupplung, insbesondere hydrodynamische Kupplung (6), in den Antriebsstrang übertragen wird, und die Unterbrechung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem durch Öffnen der Kupplung, insbesondere Entleeren des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung (6), bewirkt wird.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme der Abgasnutzturbine (4) durch Verändern der Abgasströmung durch die Abgasnutzturbine (4), insbesondere durch Verstellen von Leitschaufeln, Laufschaufeln oder eines Einströmventils der Abgasnutzturbine (4) regelbar ist, und die Unterbrechung der Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem durch Verändern der Leistungsaufnahme der Abgasnutzturbine (4) bewirkt wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsleistung der Abgasnutzturbine (4) der Kurbelwelle (3) oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang ein Dampfkraftsystem vorgesehen ist, umfassend eine dampfgetriebene Expansionsmaschine (7), insbesondere Dampfturbine oder Kolbenexpander, welche mittels eines Dampfkreislaufes (8) angetrieben wird, wobei Wärme des Abgasstromes (2) zur Dampferzeugung im Dampfkreislauf (8) genutzt wird, und die Antriebsleistung der dampfgetriebenen Expansionsmaschine (7) in den Antriebsstrang eingespeist wird, insbesondere der Kurbelwelle (3) oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsübertragung in dem Dampfkraftsystem in Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Drehzahl und des erfassten oder berechneten Drehmomentes gesteuert oder geregelt wird, wobei insbesondere in einem dritten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren die Leistungsübertragung in dem Dampfkraftsystem unterbrochen wird, und in einem vierten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren, der außerhalb des dritten Bereiches liegt, Antriebsleistung von der dampfgetriebenen Expansionsmaschine (7) in den Antriebsstrang eingespeist wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung der Leistungsübertragung in dem Dampfkraftsystem durch Öffnen einer Kupplung (9), insbesondere Entleeren einer hydrodynamischen Kupplung, bewirkt wird, über welche sonst Antriebsleistung von der dampfgetriebenen Expansionsmaschine (7) in den Antriebsstrang eingespeist wird, wobei die Kupplung (9) insbesondere mit einer ersten Kupplungshälfte mit der Kurbelwelle (3) oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors (1) und einer zweiten Kupplungshälfte mit der Abtriebswelle der Expansionsmaschine (7) verbunden oder unmittelbar gekoppelt ist.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der vierte Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren teilweise mit dem zweiten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren und teilweise mit dem ersten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren überschneidet, und sich insbesondere der dritte Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren ebenfalls teilweise mit dem zweiten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren und teilweise mit dem ersten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertepaaren überschneidet.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang ein Fahrzeugantriebsstrang ist, erfasst oder berechnet wird, ob das Fahrzeug aktuell eine Steigung hinab fährt, und immer dann, wenn dieser Zustand erfasst wurde, die Leistungsübertragung im Turbocompoundsystem unterbrochen wird und/oder die dampfgetriebene Expansionsmaschine (7) im Schleppbetrieb unter Aufnahme eines Bremsmomentes aus dem Antriebsstrang betrieben wird.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch Regeln oder Steuerung der Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem der Druck des Abgases im Abgasstrom (2) hinter dem Verbrennungsmotor (1) und vor der Abgasnutzturbine (4) geregelt oder gesteuert wird.
  13. Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, 13.1 mit einem Verbrennungsmotor (1), der einen Abgasstrom (2) erzeugt und über eine Kurbelwelle (3) oder andere Antriebswelle Antriebsleistung in den Antriebsstrang speist, wobei ein Turbocompoundsystem vorgesehen ist, umfassend eine Abgasnutzturbine (4), die im Abgasstrom (2) mit Abgas aus dem Verbrennungsmotor (1) beaufschlagbar ist, um im Abgas enthaltene Energie in Antriebsleistung umzuwandeln und diese in den Antriebsstrang einzuspeisen, wobei 13.2 eine Einrichtung zur Erfassung oder Berechnung der Drehzahl der Kurbelwelle (3) oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist, und 13.3 eine Einrichtung zur Erfassung oder Berechnung des Drehmomentes vorgesehen ist, mittels welchem die Kurbelwelle (3) oder Antriebswelle des Verbrennungsmotors (1) durch den Verbrennungsmotor (1) angetrieben wird; dadurch gekennzeichnet, dass 13.4 eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche derart eingerichtet oder programmiert und mit den Einrichtungen zur Erfassung oder Berechnung der Drehzahl und zur Erfassung oder Berechnung des Drehmomentes verbunden ist, dass sie ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführt.
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