DE102013216463A1 - Internal combustion engine with an electrically driven compressor - Google Patents
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Abstract
Eine Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter (22), der aus einem Bordnetz (24) mit elektrischer Energie versorgt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (24) ein erstes Teilnetz mit einem Hauptenergiespeicher (26), einem Generator (28) und mindestens einem Verbraucher (30) sowie ein von dem ersten Teilnetz getrenntes oder trennbares zweites Teilnetz mit einem Zusatzenergiespeicher (36) und einem elektrischen Antriebsmotor (34) für den Verdichter umfasst, wobei der Zusatzenergiespeicher (36) bedarfsweise in das erste Teilnetz integrierbar ist, um diesen aufzuladen. An internal combustion engine with an electrically driven compressor (22), which is supplied with electrical energy from an electrical system (24), is characterized in that the electrical system (24) has a first subnetwork with a main energy store (26), a generator (28) and at least one consumer (30) and a second subnet separated from the first subnetwork with an additional energy store (36) and an electric drive motor (34) for the compressor, wherein the additional energy store (36) can be integrated into the first subnetwork as required to charge this.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter, der aus einem Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt wird. The invention relates to an internal combustion engine with an electrically driven compressor, which is supplied from an electrical system with electrical energy.
Zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen können Ladesysteme eingesetzt werden, die durch eine Druckerhöhung im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine für eine erhöhte Füllung der Brennräume mit Ladeluft sorgen. Häufig werden dabei sogenannte Abgasturbolader verwendet, die aus einer Turbine sowie einem damit über eine Welle verbundenen Verdichter bestehen. Die Turbine ist dabei in das Abgassystem der Brennkraftmaschine integriert und wird somit von dem aus einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine austretenden Abgas durchströmt, wobei dieses entspannt wird und einen Teil seiner Strömungsenergie auf die Turbine übertragt. Dies führt zu einer Drehbewegung eines Rotors der Turbine, die über eine Welle auf den Verdichter übertragen wird. Der Verdichter ist in das Ladeluftsystem der Brennkraftmaschine integriert und sorgt für eine Verdichtung der dem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluft. To increase the performance of internal combustion engines charging systems can be used, which provide an increase in pressure in the intake of the engine for increased filling of the combustion chambers with charge air. Often, so-called exhaust gas turbochargers are used, which consist of a turbine and a compressor connected thereto via a shaft. The turbine is integrated into the exhaust system of the internal combustion engine and is thus flowed through by the exiting an internal combustion engine of the internal combustion engine exhaust gas, which is relaxed and transmits part of its flow energy to the turbine. This leads to a rotational movement of a rotor of the turbine, which is transmitted via a shaft to the compressor. The compressor is integrated in the charge air system of the internal combustion engine and ensures compression of the internal combustion engine of the engine supplied charge air.
Eine prinzipielle Eigenschaft von Abgasturboladern liegt darin, dass diese für ihre Funktion einen ausreichend großen Abgasmassenstrom benötigen, ohne den keine relevante Verdichtungsleistung und somit auch nicht die gewünschte Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Wird beispielsweise aus einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, bei der diese mit einer niedrigen Last und niedrigen Drehzahlen und somit auch mit einem niedrigen Abgasmassenstrom betrieben wird, plötzlich eine hohe Last angefordert, so vergehen zunächst einige Arbeitsspiele, bevor der durch die erhöhte Last erzeugte größere Abgasstrom den Abgasturbolader beschleunigt hat und dadurch die gewünschte Verdichtungsleistung bereitstellt. Diese Verzögerung bei der Leistungsentfaltung wird als nachteilig angesehen und häufig auch als „Turboloch“ bezeichnet. A principal characteristic of exhaust gas turbochargers is that they require a sufficiently large exhaust gas mass flow for their function, without which no relevant compression performance and thus not the desired increase in performance of the internal combustion engine can be achieved. If, for example, an operating point of the internal combustion engine in which the latter is operated with a low load and low rotational speeds and thus also with a low exhaust gas mass flow suddenly requires a high load, then some work cycles will take place before the larger exhaust gas flow generated by the increased load Exhaust gas turbocharger has accelerated, thereby providing the desired compaction performance. This delay in power delivery is considered disadvantageous and is often referred to as a "turbo lag".
Um die Ausbildung eines Turbolochs möglichst zu vermeiden, kann vorgesehen sein, einen Abgasturbolader mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter zu kombinieren. Der wesentliche Vorteil eines elektrisch angetriebenen Verdichters liegt dabei in der Möglichkeit, diesen unabhängig von dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu betreiben. Es kann somit vorgesehen sein, den elektrisch angetriebenen Verdichter mit relativ hoher Leistung in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu betreiben, in der diese mit geringer Last und niedrigen Drehzahlen und somit mit einem geringen Abgasstrom betrieben wird. Der elektrisch angetriebene Verdichter kann dann das infolge des kleinen Abgasmassenstroms vorhandene Leistungsdefizit des Abgasturboladers kompensieren. Eine entsprechende Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der
Derartige, einen Abgasturbolader sowie einen elektrisch angetriebenen Verdichter kombinierende Brennkraftmaschinen haben bislang jedoch keinen Eingang in die Serienfertigung von Kraftfahrzeugen gefunden. Dies liegt insbesondere daran, dass der elektrisch angetriebene Verdichter in der Regel sehr leistungsfähig ausgebildet sein muss, um sinnvoll mit dem Abgasturbolader kombiniert zu werden. Hierzu ist es nämlich erforderlich, dass dieser innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne eine ausreichende Verdichterleistung bereitstellen kann. Die Integration eines elektrisch angetriebenen Verdichters in das bei Personenkraftwagen vorhandene, mit einer elektrischen Spannung von 12 Volt betriebene elektrische Bordnetz ist mit einem großen Aufwand verbunden. Dazu ist ein zusätzlicher elektrischer Energiespeicher notwendig, der in der Lage ist, kurzfristig für zumindest einen kurzen Zeitraum eine hohe elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. Eine Versorgung des elektrisch angetriebenen Verdichters aus der Fahrzeugbatterie bzw. dem Generator ist aufgrund der hohen erforderlichen Stromstärken nicht möglich. Die Integration eines solchen zusätzlichen Energiespeichers in das Bordnetz stellt eine Herausforderung dar. Insbesondere ist die Erzielung einer guten Stabilität des Bordnetzes während des Betriebs des elektrisch angetriebenen Verdichters notwendig. Zudem ist die Auslegung des zusätzlichen Energiespeichers problematisch, da diese auch einen mehrfachen, kurzfristig aufeinanderfolgenden Einsatz des elektrisch angetriebenen Verdichters ermöglichen muss. Gleichzeitig sollte eine Überdimensionierung aus Kosten- und Bauraumgründen vermieden werden. Such, an exhaust gas turbocharger and an electrically driven compressor combining internal combustion engines have so far found no input into the mass production of motor vehicles. This is due, in particular, to the fact that the electrically driven compressor generally has to be very powerful in order to be meaningfully combined with the exhaust gas turbocharger. For this purpose, it is necessary that this can provide sufficient compressor performance within a very short period of time. The integration of an electrically driven compressor in the existing in passenger cars, operated with an electrical voltage of 12 volts electrical system is associated with a lot of effort. For this purpose, an additional electrical energy storage is necessary, which is able to provide short-term high electrical power for at least a short period of time. A supply of the electrically driven compressor from the vehicle battery or the generator is not possible due to the high current levels required. The integration of such an additional energy storage in the electrical system is a challenge. In particular, the achievement of a good stability of the electrical system during operation of the electrically driven compressor is necessary. In addition, the design of the additional energy storage is problematic because it must also allow multiple, short-term successive use of the electrically driven compressor. At the same time, overdimensioning for cost and space reasons should be avoided.
Die
Aus der
Die
Die
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, einen elektrisch angetriebenen Verdichter vorteilhaft in eine Brennkraftmaschine zu integrieren. Based on this prior art, the present invention seeks to provide a way to integrate an electrically driven compressor advantageously in an internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. This object is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are the subject of the dependent claims and will become apparent from the following description of the invention.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter, der aus einem Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt wird, ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass das Bordnetz ein erstes Teilnetz mit einem Hauptenergiespeicher, einem Generator und mindestens einem Verbraucher (z.B. Multimediaanlage, Sitzheizung, Fahrzeugbeleuchtung, etc.) sowie ein von dem ersten Teilnetz getrenntes oder trennbares zweites Teilnetz mit mindestens einem Zusatzenergiespeicher und einem elektrischen Antriebsmotor für den Verdichter umfasst, wobei der Zusatzenergiespeicher bedarfsweise in das erste Teilnetz integrierbar ist, um diesen aufzuladen. A generic internal combustion engine with an electrically driven compressor, which is supplied from an electrical system with electrical energy, according to the invention further developed in that the electrical system a first subnet with a main energy storage, a generator and at least one consumer (eg multimedia system, seat heating, vehicle lighting, etc. ) and a separate from the first subnetwork or subdivided second subnet with at least one additional energy storage and an electric drive motor for the compressor, wherein the additional energy storage is, if necessary, integrated into the first subnet to charge this.
Dabei wird unter einer „Trennung“ der beiden Teilnetzes verstanden, dass ein mittels des Hauptenergiespeichers und/oder des Generators bewirkter Stromfluss durch den Antriebsmotor für den Verdichter (und den Zusatzenergiespeicher, solange dieser nicht in das erste Teilnetz integriert ist) unterbunden ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Antriebsmotor für den Verdichter temporär stromleitend in das erste Teilnetz integriert ist, ein Stromfluss durch diesen aber auf andere Weise, z.B. durch Deaktivierung des Antriebsmotors, unterbunden wird. In this case, a "separation" of the two subnetwork means that a current flow caused by the main energy store and / or the generator is prevented by the drive motor for the compressor (and the additional energy storage, as long as it is not integrated into the first subnetwork). It can also be provided that the drive motor for the compressor is temporarily integrated into the first sub-network in a current-conducting manner, but a current flow through the latter is prevented in another way, e.g. by deactivation of the drive motor, is prevented.
Durch die erfindungsgemäße Trennung kann erreicht werden, dass der Antriebsmotor des Verdichters mittels des zweiten Teilnetzes betrieben wird, ohne dass dies mit großen Ausgleichströmen in dem ersten Teilnetz und somit einem Spannungsabfall des Hauptenergiespeichers einhergehen würde. Zum erneuten Laden des Zusatzenergiespeichers, insbesondere mittels des Generators, gegebenenfalls auch mittels des Hauptenergiespeichers, wird der Zusatzenergiespeicher (im Nichtbetrieb des Antriebsmotors für den Verdichter) temporär in das erste Teilnetz integriert. Due to the separation according to the invention can be achieved that the drive motor of the compressor is operated by means of the second subnet, without this would be associated with large balancing currents in the first subnet and thus a voltage drop of the main energy storage. For recharging the additional energy storage, in particular by means of the generator, possibly also by means of the main energy storage, the additional energy storage is temporarily integrated (in non-operation of the drive motor for the compressor) in the first subnet.
Erfindungsgemäß soll aus den Bezeichnungen „Hauptenergiespeicher“ und „Zusatzenergiespeicher“ keine Beschränkung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit (insbesondere Kapazität und Betriebsspannungsbereich) dieser Energiespeicher, insbesondere auch nicht im Verhältnis zueinander, herleitbar sein. According to the invention, the terms "main energy storage" and "additional energy storage" are not intended to limit the performance (in particular the capacity and operating voltage range) of these energy stores, in particular not in relation to one another.
Insbesondere kann es sich bei dem Hauptenergiespeicher um eine Fahrzeugbatteriehandeln, die in Fahrzeugen üblicherweise zur Versorgung des Bordnetzes eingesetzt wird und die insbesondere eine Betriebsspannung von 12 Volt oder 24 Volt bereitstellen kann. Bei dem Zusatzenergiespeicher handelt es sich vorzugsweise um einen Energiespeicher, der in der Lage ist, kurzfristig für zumindest einen kurzen Zeitraum (z.B. < 1s bis ca. 4s) eine hohe elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. Besonders bevorzugt kann der Zusatzenergiespeicher einen oder mehrere Kondensatoren (insbesondere in einer Ausführung als Superkondensator) umfassen. In particular, the main energy store may be a vehicle battery, which is usually used in vehicles for supplying the vehicle electrical system and in particular can provide an operating voltage of 12 or 24 volts. The supplemental energy storage is preferably an energy storage capable of providing a high level of electrical power in the short term for at least a short period of time (e.g., <1s to about 4s). Particularly preferably, the additional energy storage may comprise one or more capacitors (in particular in a version as a supercapacitor).
Bei der Verwendung eines einzelnen Zusatzenergiespeichers, der zum Laden bei deaktiviertem Verdichterantrieb in das erste Teilnetz integriert wird, kann sich dessen Auslegung und/oder die Wahl einer geeigneten Ladestrategie als schwierig darstellen, um die Versorgung des Verdichterantriebs auch bei mehreren kurzfristig aufeinander folgenden Einsätzen des Verdichters zu gewährleisten. Dies ist insbesondere darin begründet, dass der Zusatzenergiespeicher während des von diesem ermöglichten Betrieb des Verdichters nicht von dem Generator und/oder dem Hauptenergiespeicher geladen werden, sondern ein Laden erst nach dem Abschalten des elektrisch angetriebenen Verdichters und der dann erfolgenden Integration in das erste Teilnetz erfolgen kann. Sofern der Fahrer eines mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine versehenen Kraftfahrzeugs ein Fahrverhalten zeigt, das zeitweise einen sehr häufigen und kurz aufeinanderfolgenden Einsatz des elektrisch angetriebenen Verdichters erforderlich macht (z.B. Beschleunigung unter (nahezu) Volllast aus dem Stand bis zu einer hohen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs), kann dies nur realisiert werden, wenn die Ladekapazität des Zusatzenergiespeichers entsprechend groß ist. When using a single additional energy storage, which is integrated into the first subnetwork for charging with deactivated compressor drive, its design and / or the choice of a suitable charging strategy can be difficult to supply the compressor drive even with several short-term successive inserts of the compressor to ensure. This is due, in particular, to the fact that the additional energy store is not charged by the generator and / or the main energy store during the compressor operation that is enabled by it, but charging takes place only after the electrically driven compressor has been switched off and then integrated into the first subnetwork can. If the driver of a vehicle provided with an internal combustion engine according to the invention shows a driving behavior that temporarily makes a very frequent and short successive use of the electrically driven compressor required (eg acceleration under (near) full load from a stand up to a high speed of the motor vehicle) can this can only be realized if the charge capacity of the additional energy storage is correspondingly large.
Vorzugsweise ist daher insbesondere dann, wenn lediglich ein einzelner Zusatzenergiespeicher zum Einsatz kommen soll, vorgesehen, dass dieser eine einem Mehrfachen (insbesondere mindestens dem Doppelten, besonders bevorzugt mindestens dem Dreifachen) des maximalen Energiebedarfs entsprechende Ladekapazität aufweist, wobei der „maximale Energiebedarf“ für eine einmalige Nutzung des intermittierend angetriebenen Verdichters definiert ist und sich aus der (Maximal-)Leistung des Verdichterantriebs und der längsten vorgesehenen Einschaltdauer ergibt. Die Einschaltdauer kann dabei insbesondere von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine und der Größe des angeforderten Lastsprungs abhängig sein und insbesondere in einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine abgelegt sein. Preferably, therefore, especially if only a single additional energy storage device is to be used, it is provided that it has a charge capacity corresponding to a multiple (in particular at least twice, particularly preferably at least three times) the maximum energy requirement, the "maximum energy requirement" for a one-time use of the intermittently driven compressor is defined and results from the (maximum) performance of the compressor drive and the longest scheduled duty cycle. The duty cycle may be dependent in particular on the operating state of the internal combustion engine and the size of the requested load jump and stored in particular in an engine control of the internal combustion engine.
Die Dimensionierung des Zusatzenergiespeichers ist in diesem Fall somit an einer Grenzbelastung orientiert, die für die meisten Fahrprofile überdimensioniert ist. Dies kann nachteilig bezüglich der Kosten für den Zusatzenergiespeicher sowie des von diesem beanspruchten Bauraums sein. The dimensioning of the additional energy storage is thus oriented in this case at a limit load that is oversized for most driving profiles. This can be detrimental to the cost of the additional energy storage and the space occupied by this.
Um dies zu vermeiden kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen sein, dass ein erster Zusatzenergiespeicher und ein zweiter Zusatzenergiespeicher sowie eine Schaltvorrichtung vorgesehen sind, wobei die Schaltvorrichtung in einer ersten Schaltstellung den ersten Zusatzenergiespeicher in das erste Teilnetz und den zweiten Zusatzenergiespeicher in das zweite Teilnetz integriert und in einer zweiten Schaltstellung den zweiten Zusatzenergiespeicher in das erste Teilnetz und den ersten Zusatzenergiespeicher in das zweite Teilnetz integriert. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Zusatzenergiespeicher mindestens (und besonders bevorzugt im Wesentlichen möglichst exakt) eine dem maximalen Energiebedarf entsprechende Ladekapazität aufweisen. To avoid this, it can be provided in a preferred embodiment of the internal combustion engine according to the invention that a first additional energy storage and a second auxiliary energy storage and a switching device are provided, wherein the switching device in a first switching position the first additional energy storage in the first subnet and the second additional energy storage in the second Subnet integrated and integrated in a second switching position, the second additional energy storage in the first subnet and the first additional energy storage in the second subnet. It can be particularly preferably provided that the additional energy storage at least (and particularly preferably substantially as exactly as possible) have a maximum energy consumption corresponding charging capacity.
Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht ein Laden eines der Zusatzenergiespeicher auch während des Betriebs des elektrisch angetriebenen Verdichters, der dabei von dem anderen Zusatzenergiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird. Da somit auch bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit häufigem und kurzzeitig aufeinander folgendem Einsatz des elektrisch angetriebenen Verdichters ein weitgehend kontinuierliches Laden der Zusatzenergiespeicher erreicht wird, können diese vergleichsweise klein, d.h. in Summe kleiner als ein einzelner Zusatzenergiespeicher, dimensioniert werden. Zudem reduziert (halbiert) sich für die einzelnen Zusatzenergiespeicher die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen im Vergleich zu der Verwendung eines einzelnen Zusatzenergiespeichers und damit auch deren Kapazitätsverluste über der Zeit. This embodiment of the internal combustion engine according to the invention allows charging of the additional energy storage even during operation of the electrically driven compressor, which is supplied from the other additional energy storage with electrical energy. Since a largely continuous charging of the additional energy storage is thus achieved even with an operation of the internal combustion engine with frequent and short-term successive use of the electrically driven compressor, they can be comparatively small, i. in sum, smaller than a single supplemental energy storage. In addition, the number of charge-discharge cycles for each additional energy storage reduces (halves) compared to the use of a single additional energy storage and thus their capacity losses over time.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. In the drawings shows:
Die in der
Ein stromab des Verdichters
Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin einen elektrisch angetrieben Verdichter
Die
Weiterhin umfasst das Bordnetz
Die zwei Teilnetze sind mittels einer sogenannten Q-Diode
Die
Bei der Ausführungsform des Bordnetzes
Weiterhin könnte bei dem Bordnetz
Die
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Verbrennungsmotor internal combustion engine
- 12 12
- Turbine turbine
- 14 14
- Verdichter compressor
- 16 16
- Welle wave
- 18 18
- Bypass bypass
- 20 20
- Ladeluftkühler Intercooler
- 22 22
- elektrisch angetriebener Verdichter electrically driven compressor
- 24 24
- Bordnetz board network
- 26 26
- Hauptenergiespeicher Main energy store
- 28 28
- Generator generator
- 30 30
- Bordnetzverbraucher Onboard consumers
- 32 32
- Startermotor starter motor
- 34 34
- Antriebsmotor drive motor
- 36 36
- Zusatzenergiespeicher Additional energy storage
- 38 38
- Q-Diode Q-diode
- 40 40
- Schaltvorrichtung switching device
- 42 42
- Strombegrenzer current limiter
- 44 44
- Bypass bypass
- 46 46
- DC/DC-Wandler DC / DC converter
- 48 48
- Schalter switch
- 50 50
- Halbleiterschalter Semiconductor switches
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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