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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Aufladeeinrichtung, wobei die Aufladeeinrichtung einen elektrisch angetriebenen Verdichter umfasst.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, die Brennkraftmaschine bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um den Druck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Kraftstoff, zum Beispiel Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnete Turbine mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen Turbinenlaufrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Rotorwelle befestigt und bilden so den Turboladerläufer, der mit seiner Rotorwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenlaufrad und über die Rotorwelle wiederum das Verdichterlaufrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine genutzt.
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Turbinen und Verdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des Turboladerläufers gekennzeichnet ist.
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Im Gegensatz dazu ist der Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
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Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen, – das sogenannte Turboloch – zu gewährleisten, werden Abgasturbolader mit zusätzlichen Funktionen, wie zum Beispiel sogenannten variablen Turbinengeometrien oder Wastegate Einrichtungen auf der Turbinenseite und Schubumluft- oder Abblas-Einrichtungen auf der Verdichterseite ausgestattet. Diese dienen dazu, das träge Verhalten und somit das verzögerte Ansprechverhalten des Turboladers zu minimieren und schädliche Betriebszustände zu vermeiden.
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Auch ist es bekannt, Kombinationen von mehreren Turboladern in paralleler oder sequenzieller Anordnung oder zusätzliche mechanisch oder elektromotorisch angetriebene Verdichter einzusetzen um den unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gerecht zu werden, die Leistung in jedem Drehzahlbereich und insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen effizient zu steigern und insbesondere das sogenannte Turboloch, verursacht durch zu geringen Ladedruck in niedrigen Drehzahlbereichen des Turboladers in Verbindung mit der Massenträgheit des Turboladerläufers, zu vermeiden. Dies wird auch als elektrisch unterstützte Aufladung bezeichnet.
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Eine solche Aufladeeinrichtung, die einen herkömmlichen Abgasturbolader und einen im Frischluftmassenstrom in Reihe zu dem Turbolader-Verdichter angeordneten elektrisch angetriebenen Verdichter aufweist, ist zum Beispiel in der
DE 102 02 146 B4 offenbart.
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In der
EP 1 462 629 B1 ist eine Vorverdichtervorrichtung zum Vorverdichten von Einlassluft in der Einlasspassage einer Verbrennungsmaschine basierend auf der nötigen Einlassluftflussrate der Maschine beschrieben. Diese weist einen Verdrängervorverdichter auf, der in der Einlasspassage angeordnet ist, einen elektrischen Motor zum Antreiben des Vorverdichters in Abhängigkeit von der zugeführten elektrischen Energie, wobei der elektrische Motor als Generator arbeitet, wenn von dem Vorverdichter Rotationsenergie eingegeben wird. Ferner ist eine Umgehungspassage vorgesehen, die den Vorverdichter umgeht und einen stromauf liegenden Teil und einen stromab liegenden Teil der Lufteinlasspassage verbindet. Ein Umgehungsventil, das die Umgehungspassage öffnet und schließt ist vorgesehen und eine programmierbare Steuerung die programmiert ist, um die Ausstoßflussrate des Vorverdichters zu bestimmen, den Vorverdichter anzutreiben, in dem elektrische Energie dem elektrischen Motor zugeführt wird, um Einlassluft in der Einlasspassage vorzuverdichten, wenn die benötigte Einlassluftflussrate der Maschine größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist und den elektrischen Motor/Generator elektrische Energie erzeugen zu lassen, durch eine Rotationsenergieeingabe von dem Vorverdichter der gemäß einem Luftfluss in der Einlasspassage rotierend angetrieben wird, wenn die benötigte Einlassluftflussrate der Maschine nicht größer als der Schwellwert ist. Diese Steuerung ist weiterhin derart programmiert, um eine Öffnung des Umgehungsventils einzustellen, basierend auf der Ausstoßflussrate des Vorverdichters und der benötigten Einlassluftflussrate der Maschine, sodass das Umgehungsventil öffnet, falls ein Unterschied zwischen der Ausstoßflussrate des Vorverdichters und der benötigten Einlassluftflussrate der Maschine nicht Null ist.
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Aus der
DE 100 23 022 A1 ist es bekannt, einen elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter bei bestimmten Betriebszuständen dem Abgasturbolader zuzuschalten. Der elektrisch angetriebene Zusatzverdichter wird abgeschaltet, nachdem der Abgasturbolader den geforderten Ladedruck aufgebaut hat. Eine Regelung des elektrischen Zusatzverdichters erfolgt abhängig von Kennwerten des Motorbetriebszustandes.
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Da die Durchflussmenge solcher elektrisch angetriebenen Verdichter begrenzt ist, werden sie bei höheren Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine über einen, eine steuerbare Klappe enthaltenden Bypass umgangen.
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Der elektrisch angetriebene Verdichter wird je nach Bedarf, insbesondere bei positiven Lastsprüngen zugeschaltet und bezüglich seiner Drehzahl geregelt. Da der Hochlauf aus dem Stillstand vergleichsweise lange dauert, wird er in der Regel auf einer Minimaldrehzahl (z. B.: 5000 U/min), auch als Ruhedrehzahl bezeichnet, gehalten. Mit dem Nachteil, dass dabei ständig Energie aus dem Bordnetz des mit der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs entnommen wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, das bzw. die geeignet ist, die Energieaufnahme eines zur Erhöhung des Ladedruckes dienenden elektrisch angetriebenen Verdichters im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zu verringern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Betreiben eines, zum Verdichten der Ansaugluft im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten, elektrisch angetriebenen Verdichters wobei a) in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine zumindest ein Teilstrom der angesaugten Luft mittels einer, die Niederdruckseite und Hochdruckseite des elektrischen Verdichters verbindenden Bypassleitung an dem Verdichter vorbeigeleitet wird, b) der Durchlassquerschnitt der Bypassleitung mittels einer elektrisch oder pneumatisch betätigbaren Bypassklappe einstellbar ist, c)) im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine bei abgeschaltetem elektrisch angetriebenen Verdichter die Bypassklappe geschlossen wird, so dass die angesaugte Luft ein Schaufelrad des Verdichters auf eine Drehzahl beschleunigt, die oberhalb einer Mindestdrehzahl liegt und d) die Bypassklappe die Bypassleitung mittels zweier diskreter Schaltstufen entweder verschließt oder freigibt.
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Dadurch, dass das Schaufelrad im inaktiven Betrieb des Verdichters durch die angesaugte Luft in Drehung versetzt wird, und sich eine Minimaldrehzahl oder Ruhedrehzahl einstellt, muss bei Anforderung von zusätzlichem Drehmoment der Verdichter nicht von einer Drehzahl gleich Null hochgefahren werden, sondern von der Ruhedrehzahl an, was einen sehr schnellen Hochlauf bedeuted.
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Die Ruhedrehzahl muss nicht durch ständiges Bestromen des den Verdichter antreibenden Elektromotors aufrechterhalten werden, so dass das Bordnetz des Fahrzeuges entlastet wird. Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Betreiben eines, zum Verdichten der Ansaugluft im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten, elektrisch angetriebenen Verdichters, wobei a) die verdichtete Ansaugluft einer nachgeordneten Drosselklappe (22) zugeführt wird, b) in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine zumindest ein Teilstrom der angesaugten Luft mittels einer, die Niederdruckseite und Hochdruckseite des elektrischen Verdichters verbindenden Bypassleitung an dem Verdichter) vorbeigeleitet wird, c) der Durchlassquerschnitt der Bypassleitung mittels einer elektrisch oder pneumatisch betätigbaren Bypassklappe einstellbar ist, d) im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine bei abgeschaltetem Verdichter die Bypassklappe geschlossen wird, so dass die angesaugte Luft ein Schaufelrad des Verdichters auf eine Drehzahl beschleunigt, die oberhalb einer Mindestdrehzahl liegt, e) die Stellung der Drosselklappe in Richtung größerem Öffnungswinkel verstellt wird, so dass sich im Ansaugtrakt ein vorgegebener Wert für einen Saugrohrdruck einstellt und f) die Bypassklappe die Bypassleitung mittels zwei diskreter Schaltstufen entweder verschließt oder freigibt.
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Diese Ausgestaltung ist mit Vorteil bei Brennkraftmaschinen einsetzbar, welche eine Drosselklappe aufweisen, also bei Otto-Brennkraftmaschinen und bei bestimmten Diesel-Brennkraftmaschinen. Durch eine solche Verstellung der Drosselklappe kann auf einfache Weise die durch den elektrisch angetriebenen Verdichter hervorgerufene Androsselung kompensiert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird.
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Die einzige Figur zeigt in stark vereinfachter Blockdarstellung eine aufgeladene Brennkraftmaschine 1 mit einer ihr zugeordneten elektronischen Steuerungseinrichtung 6. Dabei sind nur diejenigen Teile gezeigt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf die Darstellung des Kraftstoffkreislaufes und der darin enthaltenen Komponenten verzichtet worden. Die Brennkraftmaschine 1 kann entweder eine Otto-Brennkraftmaschine oder eine Diesel-Brennkraftmaschine sein. Die Brennkraftmaschine 1 weist vier Zylinder 11 auf, die Erfindung ist aber bei Brennkraftmaschinen mit beliebiger Anzahl von Zylindern anwendbar.
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Der Brennkraftmaschine 1 wird über einen Ansaugtrakt 2, der einen Luftfilter 21 und eine Drosselklappe 22 aufweist, die zur Verbrennung notwendige Luft zugeführt. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 strömt über einen Abgastrakt 3 zu einem Abgaskatalysator 31 und von diesem über einen oder mehreren Schalldämpfern 32 in die Umgebung.
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Zur Erhöhung der Zylinderfüllung und damit zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 4 vorgesehen, dessen Turbine 41 im Abgastrakt 3 angeordnet ist und über eine Welle 42 mechanisch in Wirkverbindung mit einem im Ansaugtrakt 2 angeordneten Verdichter 43 steht. Somit treiben die Abgase der Brennkraftmaschine 1 die Turbine 41 an und diese wiederum den Verdichter 43. Der Verdichter 43 liefert der Brennkraftmaschine 1 eine vorverdichtete Frischladung. Ein dem Verdichter 43 nachgeschalteter Ladeluftkühler 44 führt über die Umgebungsluft (Luft-Luft-Kühler) oder über den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 1 (Luft-Kühlmittel-Kühler) Verdichtungswärme ab. Dadurch kann die Zylinderfüllung weiter verbessert werden. Damit bei größeren Abgasmassenströmen, die bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 auftreten können, der Abgasturbolader 4 die Brennkraftmaschine 1 nicht überlädt, wird ein Teilstrom des Abgasmassenstromes über eine Bypassleitung 45 (wastegate), in das ein Bypassventil 46 eingeschaltet ist, an der Turbine 41 vorbei stromauf des Abgaskatalysators 31 abgeführt. Das Bypassventil 46 kann dabei ein durch den Ladedruck gesteuertes mechanisches bzw. pneumatisches Ventil oder eine Klappe sein, oder wie hier dargestellt, ein von der elektronischen Steuerungseinrichtung 6 gesteuertes, elektrisches Ventil sein.
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In Betriebsphasen, in denen die Leistung der Brennkraftmaschine 1 schnell heruntergefahren wird (schnelles Schließen der Drosselklappe), entsteht, ebenfalls durch die Trägheit des Abgasturboladers 4 bedingt, ein Überangebot an Verdichterleistung, was zum sogenannten Verdichterpumpen führen kann. Verdichterpumpen bezeichnet einen Betriebszustand, bei dem bereits verdichtete Luft in periodischen Schüben von der Hochdruckseite des Verdichters 43 des Abgasturboladers 4 über das Verdichterlaufrad zurückströmt und so unerwünschte Schwingungen im Ansaugtrakt 2 erzeugt. Um solche Betriebszustände zu vermeiden, wird zusätzlich zu dem Öffnen des wastegates 45 an der Turbine 41 des Abgasturboladers 4 bereits verdichtete Frischluft nach dem Verdichter 43 des Abgasturboladers 4 abgeblasen oder wie in der Figur gezeigt, über eine Schubumluft-Einrichtung entspannt und in den Ansaugbereich stromaufwärts des Verdichters 43 zurückgeführt. Die Schubumluft-Einrichtung besteht aus einer Rückführleitung 47, welche die Druckseite des Verdichters 43 mit der Saugseite des Verdichters 43 verbindet und in dessen Verlauf ein Schubumluftventil 48 angeordnet ist. Das Schubumluftventil 48 kann dabei pneumatisch oder elektrisch gesteuert sein.
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Stromabwärts des Ladeluftkühlers 44 des Abgasturboladers 4 ist ein zur Überbrückung des sogenannten Turboloches, welches das schlechte Ansprechverhalten des Abgasturboladers 4 bei bestimmten Betriebspunktwechseln beschreibt, ein elektrisch angetriebener Verdichter 5 vorgesehen. Der elektrisch angetriebene Verdichter 5 wird dabei jeweils dann zugeschaltet, wenn eine Aufladung durch eine Anforderung, in der Regel durch den Fahrer des mit der Brennkraftmaschine 1 angetriebenen Fahrzeuges, durch die Trägheit und die physikalischen Verhältnisse an dem konventionellen Abgasturbolader 4 nicht gemäß dem gewünschten Komfort ausreichend schnell realisiert werden kann.
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Im Leitungszweig zwischen Ausgang des elektrisch angetriebenen Verdichters 5 und der Drosselklappe 22 ist ein Ladeluftkühler 51 angeordnet, der die Temperatur der verdichteten Luft verringert, damit im gleichen Volumen eine größere Luftmasse enthalten ist und dadurch mehr Kraftstoff zugegeben werden kann, wodurch Leistung und Drehmoment der Brennkraftmaschine erhöht sind.
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In einer Bypassleitung 52, welche den elektrisch angetriebenen Verdichter 5 und den Ladeluftkühler 51 kurzschließt, ist eine elektrisch oder pneumatisch betätigbare Bypassklappe 53 angeordnet, mit der die Bypassleitung 52 mittels zweier diskreter Schaltstellungen freigegeben oder geschlossen werden kann oder der Durchlassquerschnitt der Bypassleitung 52 stufenlos zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung verändert werden kann.
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Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1 ist die elektronische Steuerungseinrichtung 6 über eine hier nur schematisch dargestellte Daten- und Steuerleitung 61 mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Über diese Daten- und Steuerleitung 61 werden zwischen der Brennkraftmaschine 1 und der Steuerungseinrichtung 6 Signale von Sensoren (z. B. Lastsensor, Geschwindigkeitssensor, Ladedrucksensor, Temperatursensoren für Ansaugluft, Ladeluft, Kühlmittel) und Signale für Aktoren (z. B. Einspritzventile, Zündkerzen) übertragen. Ferner gibt die Steuerungseinrichtung 6 Signale für die in der Figur explizit dargestellten Aktoren Drosselklappe 22, Schubumluftventil 48, Bypassklappe 53, Bypassventil 46 ab.
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Solche elektronischen Steuerungseinrichtungen sind an sich bekannt, so dass im Folgenden nur auf den im Zusammenhang mit der Erfindung relevanten Aufbau und dessen Funktion eingegangen wird.
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Die Steuerungseinrichtung
6 enthält eine Recheneinheit (Prozessor)
62, die mit einem Programmspeicher
63 und einem Wertespeicher
64 (Datenspeicher) gekoppelt ist. In dem Programmspeicher
63 bzw. dem Wertespeicher
64 sind Programme bzw. Werte abgespeichert, die für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
1 nötig sind. Insbesondere ist in dem Programmspeicher
63 ein Verfahren zum Steuern und Regeln eines Abgasturboladers gespeichert, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2008 011 415 B3 bekannt ist, deren Inhalt diesbezüglich hiermit einbezogen ist. Die Steuerungseinrichtung
6 steuert darüber Hinaus den Betrieb des elektrischen Verdichters
5 und die zugehörige Bypassklappe
53 in der Bypassleitung
52. Hierzu ist im Programmspeicher
63 eine Funktion abgelegt, welche die Abhängigkeit des Öffnungsgrades der Baypassklappe
53 des elektrisch angetriebenen Verdichters
5 und der Drosselklappe
22 abhängig vom Luftmassenstrom und weiteren Parametern wiedergibt.
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Im Teillastbetrieb und insbesondere im Saugbetrieb der Brennkraftmaschine 1 wird die Bypassklappe 53 des elektrisch angetriebenen Verdichters 5 über Signale der Steuerungseinrichtung 6 geschlossen, so dass die Brennkraftmaschine 1 die zur Verbrennung des Kraftstoffes in den Zylindern nötige Luft durch die Verdichterturbine des elektrischen Verdichters 5 saugt. Die durchgesaugte Luft dreht das Schaufelrad des elektrischen Verdichters 5, so dass im Idealfall keine elektrische Leistung für den Antriebsmotor des elektrisch angetriebenen Verdichters aus dem Bordnetz entnommen werden muss, um die eingangs erwähnte Ruhedrehzahl zu halten.
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Da hierbei die Ansaugluft über den elektrischen Verdichter 5 geleitet wird, und dieser der Luft einen gewissen Strömungswiderstand entgegensetzt, also der Luftstrom gedrosselt wird, muss als Gegenmaßnahme die Drosselklappe 22 der Brennkraftmaschine 1 weiter geöffnet werden im Vergleich zu einem System, bei dem kein elektrischer Verdichter 5 vorhanden ist oder die Bypassklappe 53 geöffnet ist, um im Ansaugtrakt 2.
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Wie weit die Drosselklappe 22 geöffnet werden muss, ist abhängig von dem Öffnungsgrad der Bypassklappe 53 und vom Luftmassenstrom durch den elektrisch angetriebenen Verdichter 5. Erfolgt eine Drehmomentanforderung seitens des Fahrers des mit der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges, so wird die Bypassklappe 53 geschlossen und der Antriebsmotor des elektrischen Verdichters 5 muss dessen Verdichterturbine nicht mehr vom Stillstand, also Drehzahl gleich Null beschleunigen, sondern ausgehend von der Ruhedrehzahl, wodurch sich ein sehr schnelles Hochfahren der Verdichterturbine auf die maximale Drehzahl ergibt und damit ein sehr schneller Drehmomentaufbau, ohne dass es zu einer Komforteinbuße bezüglich des Fahrverhaltens kommt, bevor der Abgasturbolader 4 das geforderte, erhöhte Drehmoment bzw. die Leistung liefert. Nach erfolgtem Hochlauf des Abgasturboladers 4 wird der elektrische angetriebene Verdichter 5 abgeschaltet und die Bypassklappe 53 in der Bypassleitung 52 geöffnet.
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Die Erfindung wurde anhand einer Brennkraftmaschine erläutert, die eine zweistufige Aufladeeinrichtung, bestehend aus Abgasturbolader und elektrisch angetriebenen Verdichter aufweist. Die beschriebene Reduzierung der Antriebsleistung für den elektrisch angetriebenen Verdichter durch Erzeugen einer Ruhedrehzahl ist aber auch einsetzbar, bei Brennkraftmaschinen, bei denen der elektrisch angetriebene Verdichter alleine die Aufladung übernimmt.
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Der elektrisch angetriebene Verdichter kann in einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens anstelle stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers, wie in dem Ausführungsbeispiel anhand der Figur gezeigt, auch stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 11
- Zylinder
- 2
- Ansaugtrakt
- 21
- Luftfilter
- 22
- Drosselklappe
- 3
- Abgastrakt
- 31
- Abgaskatalysator
- 32
- Schalldämpfer
- 4
- Abgasturbolader
- 41
- Turbine des Abgasturboladers
- 42
- Welle des Abgasturboladers
- 43
- Verdichter des Abgasturboladers
- 44
- Ladeluftkühler des Abgasturboladers
- 45
- Bypassleitung der Turbine, wastegate
- 46
- Bypassventil des wastegate
- 47
- Rückführleitung des Verdichters
- 48
- Schubumluftventil
- 5
- elektrisch angetriebener Verdichter
- 51
- Ladeluftkühler des elektrisch angetriebenen Verdichters
- 52
- Bypassleitung des elektrisch angetriebenen Verdichters
- 53
- Bypass klappe des elektrisch angetriebenen Verdichters
- 6
- elektronische Steuerungseinrichtung
- 61
- Daten- und Steuerleitung
- 62
- Recheneinheit (Prozessor)
- 63
- Programmspeicher
- 64
- Wertespeicher (Datenspeicher)
