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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers, der eine ansteuerbare elektrische Maschine aufweist, die mit einer Laderwelle drehgekoppelt ist und in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung motorisch oder generatorisch betrieben wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben des Abgasturboladers sowie eine Abgasturboladereinrichtung, die einen Abgasturbolader mit einer Turbine und einen Verdichter, die durch eine Laderwelle miteinander verbunden sind, und eine elektrische Maschine aufweist, die mit der Laderwelle drehgekoppelt ist und generatorisch oder motorisch betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Verfahren, Vorrichtungen und Abgasturboladereinrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Um die Leistungsfähigkeit sowie das Emissionsverhalten von Brennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmotoren, zu optimieren, ist es bekannt, im Frischlufttrakt der Brennkraftmaschine einen Verdichter vorzusehen, welcher die Frischluft verdichtet den Brennkammern der Brennkraftmaschine zuführt, sodass eine erhöhte Luftmenge in die Brennkammern gelangt. Zum Antreiben des Verdichters ist es bekannt, diesen durch eine Turbine anzutreiben, die vom Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Das Drehmoment der Turbine wird durch eine Laderwelle auf den Verdichter übertragen. Um die Variabilität des Turboladers zu erhöhen, ist es außerdem bekannt, diesen mit einer elektrischen Maschine zu versehen, welche mit der Laderwelle drehgekoppelt ist, um bei Bedarf die Drehzahl unabhängig von dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Außerdem ist bekannt, die elektrische Maschine generatorisch zu betreiben, wenn eine Verdichtung von Frischluft nicht notwendig ist, der Abgasstrom die Turbine jedoch antreibt. In diesem Fall wird dann die durch den generatorischen Betrieb erzeugte elektrische Energie der elektrischen Maschine beispielsweise in einem Energiespeicher geladen. Im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors wird die elektrische Maschine jedoch bei einer plötzlichen Lastanforderung motorisch angetrieben, um den Ladedruck durch den Verdichter möglichst schnell zur Verfügung zu stellen, sodass frühzeitig ein hohes Drehmoment der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. In einem oberen, quasi stationären Lastbereich des Verbrennungsmotors wird die elektrische Maschine hingegen häufig generatorisch eingesetzt, um Abgasenergie zurückzugewinnen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Überdrehzahl des Abgasturboladers verhindert wird. Schäden infolge einer Überdrehzahl des Abgasturboladers können beispielsweise durch eine Leckage in der Ladeluftleitung, einen verschmutzten Luftfilter, ein hängendes Regelgestänge, wie beispielsweise bei einem Wastegateventil oder einer variablen Turbinengeometrie, oder einen fehlerhaft messenden Sensor (für Ladedruck und/oder Luftmasse) der Ladedruckregelung entstehen. Derartige Schadensbilder können zu einer stark reduzierten Lebensdauer des Abgasturboladers führen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dies in einfacher und kostengünstiger Art und Weise vermieden. Hierzu ist vorgesehen, dass eine Drehzahl der Laderwelle überwacht wird, und dass bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenzdrehzahl und/oder eines vorgebbaren Grenzdrehzahlgradienten die elektrische Maschine zumindest zeitweise generatorisch betrieben wird. Durch die Überwachung der Drehzahl der Laderwelle ist sowohl die Drehzahl des Abgasturboladers als auch die der elektrischen Maschine feststellbar. Überschreitet diese eine vorgebbare Grenzdrehzahl (Überlastdrehzahl) oder überschreitet ein Drehzahlgradient die vorgegebene Grenzdrehzahl, so wird darauf erkannt, dass eine Überlastung des Abgasturboladers droht. Durch das generatorische Betreiben der elektrischen Maschine wird in diesem Fall verhindert, dass die Drehzahl weiter erhöht wird und kritische Bereiche erreicht.
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Insbesondere wird die elektrische Maschine in dem oben genannten Fall derart generatorisch betrieben, dass die Drehzahl der Laderwelle, die die Grenzdrehzahl oder den Grenzdrehzahlgradienten nicht oder nur kurzzeitig überschreitet. Dadurch ist sichergestellt, dass der Abgasturbolader nicht dauerhaft belastet oder überlastet wird, wodurch die oben beschriebenen Schäden vermieden werden.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die elektrische Maschine in dem oben genannten Fall dann generatorisch betrieben wird, wenn der Grenzdrehzahlgradient unterhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle, die unterhalb der Grenzdrehzahl und oberhalb einer vorgebbaren Mindestdrehzahl liegt. Demgemäß wird der generatorische Betrieb auch dann eingeleitet, wenn die Grenzdrehzahl noch nicht überschritten wurde, jedoch aufgrund des hohen Drehzahlgradienten droht bald überschritten zu werden. Dabei wird die Mindestdrehzahl derart vorgegeben, dass ein Drehzahlgradient dann erlaubt ist, wenn die aktuelle Drehzahl derart niedrig ist, dass ein Überschreiten der Grenzdrehzahl unwahrscheinlich ist.
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Vorzugsweise wird der Abgasturbolader auf Fehlfunktionen überwacht, und die elektrische Maschine bei Erfassen einer Fehlfunktion generatorisch betrieben, um die Grenzdrehzahl oder eine in Abhängigkeit der erfassten Fehlfunktion vorgegebene Sicherheitsdrehzahl nicht zu überschreiten. Je nach vorliegender Fehlfunktion wird dann die Drehzahl oder der Drehzahlgradient durch die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb begrenzt, sodass eine Beschädigung des Abgasturboladers sicher verhindert wird.
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Weiterhin ist besonders vorgesehen, dass die Drehzahl des Abgasturboladers mittels zumindest einem insbesondere der Laderwelle zugeordneten Drehzahlsensor überwacht wird. Dadurch ist die Drehzahl besonders genau und einfach feststellbar. Der Drehzahlsensor kann dabei direkt der Laderwelle oder auch der elektrischen Maschine zugeordnet sein.
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Alternativ oder zusätzlich wird die Drehzahl des Abgasturboladers in Abhängigkeit von einem Betriebsstrom und/oder einer Betriebsspannung der elektrischen Maschine ermittelt. Diese werden üblicherweise zu Kommutierungszwecken ohnehin erfasst, und stehen daher als Signale bereits zur weiteren Verwendung zur Verfügung. Hierdurch ist eine besonders einfache Feststellung der Drehzahl möglich, bei welcher auf einen separaten Drehzahlsensor verzichtet werden kann und bevorzugt wird.
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Das erfindungsgemäße Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 7 ist speziell dazu hergerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierbei die bereits genannten Vorteile.
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Die erfindungsgemäße Abgasturboladereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch das erfindungsgemäße Steuergerät aus. Hierdurch ergeben sich die bereits genannten Vorteile.
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Insbesondere weist die Abgasturboladereinrichtung einen der Laderwelle zugeordneten Drehzahlsensor auf, zum Erfassen der Drehzahl der Laderwelle und/oder der elektrischen Maschine.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Abgasturboladereinrichtung Mittel zum Erfassen eines Betriebsstroms und/oder einer Betriebsspannung der elektrischen Maschine aufweist, in Abhängigkeit derer dann die Drehzahl des Abgasturboladers ermittelbar ist beziehungsweise ermittelt wird, wie vorstehend beschrieben.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
- 1 eine Abgasturboladereinrichtung in einer vereinfachten Darstellung und
- 2 ein Verfahren zum Betreiben der Abgasturboladereinrichtung als Flussdiagramm.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Abgasturboladereinrichtung 1, die einen Abgasturbolader 2, eine elektrische Maschine 3 sowie ein Steuergerät 4 aufweist. Der Abgasturbolader 2 weist eine Turbine 5 und einen Verdichter 6 auf, die durch eine Laderwelle 7 drehfest miteinander verbunden sind. Der Laderwelle 7 zwischen Turbine 5 und Verdichter 6 ist außerdem die elektrische Maschine 3 zugeordnet, wobei insbesondere ein Rotor der elektrischen Maschine 3 drehfest auf der Laderwelle 7 angeordnet ist, und ein Stator gehäusefest in einem Gehäuse des Turboladers 2. Gemäß einem alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 3 auf der von der Turbine 5 abgewandten Seite des Verdichters 6 auf der Laderwelle 7 angeordnet. In jedem Fall ist die elektrische Maschine 3 mit der Laderwelle 7 drehgekoppelt, sodass die elektrische Maschine 3 entweder durch die Laderwelle 7 angetrieben wird oder die Laderwelle 7 in einem motorischen Betrieb antreibt.
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Der Turbine 5 wird ein Abgasstrom einer Brennkraftmaschine eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs zugeführt, wodurch die Turbine 5 angetrieben wird, die wiederum den Verdichter 6 antreibt, welcher im Frischlufttrakt der Brennkraftmaschine liegt und dadurch der Brennkraftmaschine verdichtete Frischluft zuführt. Durch das motorische Betreiben der elektrischen Maschine 3 kann die Drehzahl des Abgasturboladers 2 unabhängig vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine erhöht werden, um beispielsweise auf einer niedrigen Drehzahl in kurzer Zeit ein hohes Drehmoment zur Verfügung zu stellen. In höheren Drehzahlbereichen, insbesondere in einem quasi-stationären Lastbereich der Brennkraftmaschine wird die elektrische Maschine 3 durch das Steuergerät 4 hingegen bevorzugt generatorisch betrieben, um aus dem Abgasstrom elektrische Energie zurück zu gewinnen und beispielsweise einem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs zuzuführen.
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Mit Bezug auf 2 soll im Folgenden ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine 3 vorgestellt werden, das von dem Steuergerät 4 durchgeführt wird. Das Verfahren beginnt in Schritt S1 mit der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs, das die Abgasturboladereinrichtung 1 aufweist. In einem Schritt S2 wird abgefragt, ob eine aktuelle Drehzahl des Abgasturboladers 2 größer oder gleich einer vorgebbaren Grenzdrehzahl ist. Die Grenzdrehzahl ist dabei in Abhängigkeit von der konstruktiven Ausgestaltung des Abgasturboladers 2 derart gewählt, dass im Drehzahlbereich unterhalb der Grenzdrehzahl ein sicherer Betrieb des Abgasturboladers ohne mögliche Schäden, beispielsweise durch Leckage der Ladeluftleitung, ein verschmutzter Luftfilter oder dergleichen, entstehen können. Wird im Schritt S2 erkannt, dass die aktuelle Drehzahl kleiner ist als die vorgegebene Grenzdrehzahl (n), so wird zu einem Schritt S3 zurückverwiesen, in welchem die elektrische Maschine 3 in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung und/oder des Drehzahlbereichs, wie zuvor beschrieben, betrieben wird. Anschließend wird mit Schritt S2 weitergegangen.
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Ergibt die Anfrage im Schritt S2 jedoch, dass die aktuelle Drehzahl des Abgasturboladers 2 die vorgegebene Grenzdrehzahl überschreitet (j), wird in einem Schritt S4 weiterverfahren. In diesem wird ein Notbetrieb der elektrischen Maschine 3 eingeleitet, in welchem die elektrische Maschine 3 durch das Steuergerät 4 in einen generatorischen Betrieb geschaltet wird, um das Überschreiten der Grenzdrehzahl zu vermeiden. Durch den generatorischen (Not-)Betrieb bremst die elektrische Maschine 3 den Abgasturbolader 2 aus und verringert dadurch die aktuelle Drehzahl, insbesondere bis diese unter die Grenzdrehzahl fällt. Gegebenenfalls werden elektrische Verbraucher hinzugeschaltet, welche die beim generatorischen Betrieb erzeugte elektrische Energie verbrauchen, um eine höhere Bremsleistung erzielen zu können. Ansonsten wird die erzeugte elektrische Energie dem zuvor bereits genannten Energiespeicher zugeführt. Bevorzugt wird das Auftreten des Notbetriebs in einem Fehlerspeicher des Steuergeräts 4 abgelegt. Anschließend wird wieder zum Schritt S3 zurückgegangen.
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Alternativ oder zusätzlich zur Überwachung der Drehzahl ist es vorgesehen, dass ein Drehzahlgradient des Abgasturboladers 2 überwacht wird. Ist der Drehzahlgradient kleiner als ein vorgebbarer Grenzdrehzahlgradient, so wird im Schritt S3 weiterverfahren. Übersteigt jedoch der Drehzahlgradient die Grenzdrehzahl, so wird geprüft, ob die Drehzahl grundsätzlich oberhalb einer vorgebbaren Mindestdrehzahl und unterhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt, die unterhalb der Grenzdrehzahl liegt. In diesem Bereich, der insgesamt unterhalb der Grenzdrehzahl liegt, kann der Drehzahlgradient dazu führen, dass der Abgasturbolader überlastet wird. Bei besonders niedrigen Drehzahlen, spielt ein hoher Drehzahlgradient jedoch keine Rolle, weil hohe Drehzahlen gegebenenfalls in einer kurzen zulässigen Zeitdauer nicht erreicht werden können. Daher wird der Drehzahlbereich, innerhalb dessen der Drehzahlgradient überwacht wird, auf den Drehzahlbereich zwischen der Drehzahlschwelle und der Mindestdrehzahl begrenzt, wobei die Mindestdrehzahl derart hoch gewählt wird, dass unterhalb der Mindestdrehzahl auch ein hoher Drehzahlgradient nicht zu einer Beschädigung des Abgasturboladers oder eine Überlastung des Abgasturboladers 2 führen kann. Liegt die Drehzahl nun in dem Bereich zwischen Drehzahlschwelle und Mindestdrehzahl, und ist der Drehzahlgradient größer oder gleich dem Grenzdrehzahlgradient, so wird die elektrische Maschine wie zuvor beschrieben generatorisch betrieben, um den Abgasturbolader 2 abzubremsen.
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Die Drehzahl und der Drehzahlgradient werden vorzugsweise mittels eines Drehzahlsensors 8 erfasst, der der Laderwelle 7 zugeordnet ist, wie in 1 gezeigt. Optional wird auf den Drehzahlsensor 8 verzichtet und stattdessen werden Werte des Steuergeräts 4 verwendet, die zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 ohnehin zur Verfügung stehen. Insbesondere wird im Steuergerät 4 laufend die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom überwacht, um eine optimal Kommutierung der elektrischen Maschine 3 zu gewährleisten. Aus Betriebsspannung und/oder Betriebsstrom lässt sich in bekannter Weise die Drehzahl ermitteln und für das zuvor beschriebene Verfahren verwenden. In diesem Fall kann dann auf den Drehzahlsensor 8 verzichtet werden, was neben Bauraumvorteilen auch Kostenvorteile mit sich bringt.
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Die oben genannten Kriterien können auch mit weiteren Kriterien verknüpft werden. So wird beispielsweise der Abgasturbolader 2 auf Fehlfunktionen, insbesondere auf Fehlfunktion im Ladedruckregelkreis, im Ladedruckbeziehungsweise Luftmassensensor, oder in einem Aktuator des Abgasturboladers, der beispielsweise ein Waste-Gate oder eine Turbinengeometrie betätigt, überwacht, und in Abhängigkeit von einer erfassten Fehlfunktion die elektrische Maschine 3 in den generatorischen Notbetrieb geschaltet. Dadurch kann auch bereits im Vorfeld eine sich abzeichnende beziehungsweise drohende Überdrehzahl oder Überlastung des Abgasturboladers 2 rechtzeitig erkannt und die Gegenmaßnahme, also der Notgeneratorbetrieb der elektrischen Maschine 3, eingeleitet werden, sodass eine Überdrehzahlsituation erst gar nicht eintreten kann.
