DE102018207843A1

DE102018207843A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018207843A1
Application number: DE102018207843.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Schwarz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Verdichterrad und/oder Turbinenrad von einer elektrischen Maschine antreibbar ist,gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:- Bei einem Lastabwurf der Brennkraftmaschine Betreiben der elektrischen Maschine als ein Generator.Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann ein Schubumluftventil eingespart werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 195 18 317 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektrisch unterstützten Turboladers bekannt. Auf einer Verbindungswelle zwischen der Abgasturbine und einem Kreiselverdichter ist der Rotor eines 12-pulsigen Asynchronmotors angeordnet. Mithilfe des Elektromotors kann der Verdichter unabhängig von dem jeweiligen Anfall an Abgas auf eine entsprechende Drehzahl gebracht werden, so dass in Abhängigkeit von beliebigen Betriebsparametern ein gewünschter Ladedruck eingestellt werden kann.
Weiter ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 199 38 624 A1 ein Abgasturbolader mit einer Abgasturbine bekannt, die über eine Turbinenwelle triebmäßig mit einem Kreiselverdichter verbunden ist. Auf der Turbinenwelle ist ein Elektromotor angeordnet, dessen Rotor triebmäßig mit dem Kreiselverdichter verbunden ist, wobei der Elektromotor ein Reluktanzmotor ist. Weiter ist die Turbinenwelle triebmäßig mit dem Rotor über eine Überholkupplung koppelbar.
Weiter sind aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 36 18 449 A1 eine Vorrichtung und eine Schaltung zum Ausgleich der unzureichenden Antriebskraft im unteren Drehzahlbereich von Abgasturbinen zur Ladeluftverdichtung bei Verbrennungsmotoren bekannt. Hierbei ist die Turbine mit einem elektrischen Hilfsantrieb gekoppelt, der auf Anforderung im unteren Drehzahlbereich die Turbine unterstützt, bis zum Erreichen der kritischen Drehzahl.
Nachteilig an all diesen bekannten Abgasturboladern ist bei einem Lastabwurf, d. h. wenn spontan eine Gaswegnahme stattfindet, dass der Verdichter seine Pumpgrenze erreicht.
Damit der Verdichter eines Abgasturboladers nicht die Pumpgrenze erreicht, wird in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 104 50 014 A1 eine Ansaugvorrichtung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen mit einem Abgasturbolader mit einer Verdichtungseinrichtung. Es ist eine um die Verdichtungseinrichtung herumführende Bypassleitung vorgesehen, in welcher ein Ventil, ein sog. Schubumluftventil, zum Öffnen und Schließen der Bypassleitung angeordnet ist. Weiter ist aus Akustikgründen in der Bypassleitung und/oder in dem Ventil ein Akustikelement angeordnet.
Nachteilig an dieser Lösung sind jedoch, der erhöhte Bauteilaufwand für die Bypassleitung und das Schubumluftventil und die dafür anzusetzenden Bauteil- und Montagekosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, um die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt bei einem Lastabwurf, einer spontanen Gaswegnahme, ein Abbremsen des Verdichterrades durch die E-Maschine, sodass der Verdichter in vorteilhafter Weise abgebremst wird und nicht die Pumpgrenze erreicht. Somit kann auf einen Verdichterbypass und ein, beispielsweise in diesem angeordnetes Schubumluftventil verzichtet werden. Dies spart Herstell- und Montagekosten. Gleichzeitig dient dieses Verfahren in vorteilhafter Weise zusätzlich der elektrischen Energiegewinnung.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Abgasturbolader.
2 zeigt ein typisches Verdichtungskennfeld für einen Abgasturbolader.

1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Abgasturbolader 1, der für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar ist. Der Abgasturbolader 1 ist für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Ein Verdichterrad mit einer nicht separat bezifferten Welle ist mit 2 beziffert. Gegenüberliegend des Verdichterrades 2 ist ein Turbinenrad 3 mit einer ebenfalls nicht separat bezifferten Welle angeordnet. Die Welle des Verdichterrades 2 und die Welle des Turbinenrades 3 sind koaxial zueinander angeordnet. Zwischen beiden befindet sich ein Freilauf 5, mit dem die Welle des Verdichterrades 2 und die Welle des Turbinenrades 3 koppelbar sind. Die Wellen sind jeweils beidseitig einer elektrischen Maschine in einer Lagerung 4 gelagert. Die elektrische Maschine besteht aus einem Läufer 6, der drehfest mit der Welle des Verdichterrades 2 gekoppelt ist. Radial außen um den Läufer ist ein Stator 7 der elektrischen Maschine angeordnet.
Auch wenn es sich bei diesem beispielhaften Abgasturbolader 1 um einen Abgasturbolader 1 mit einem Freilauf 5 handelt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für jeden Abgasturbolader 1 mit einer elektrischen Maschine, mit der das Verdichterrad 2 antreibbar oder abbremsbar ist.
2 zeigt ein typisches Verdichtungskennfeld für einen Abgasturbolader 1. Das Betriebsverhalten von Verdichtern von Abgasturboladern 1 wird meist durch Kennfelder, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, beschrieben.
Es ist wie üblich das Druckverhältnis über einer Y-Achse dargestellt. Über einer X-Achse ist ein durch den Verdichter durchgesetzter Volumenstrom [m³/h], bzw. im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Massenstrom [kg/s] dargestellt. Das Druckverhältnis ist durch gestrichelte Linien in dem Verdichtungskennfeld dargestellt. Der tatsächlich nutzbare Kennfeldbereich von Verdichtern von Abgasturboladern 1 ist einerseits durch eine Pumpgrenze 8, gestrichelt dargestellt und andererseits durch eine Stopfgrenze 9, ebenfalls gestrichelt dargestellt, sowie einer maximal zulässigen Drehzahl 10 des Verdichterrades 2, durch eine durchgezogene Linie dargestellt, begrenzt.
Hierbei begrenzt die Pumpgrenze 8 den linken Kennfeldrand. Bei zu kleinen Massenströmen oder Volumenströmen der Verbrennungsluft und zu hohen Druckverhältnissen löst sich die Strömung von dem Verdichterrad 2. Die Förderung der Verbrennungsluft wird durch diese Ablösung unterbrochen. Die Verbrennungsluft strömt anschließend rückwärts durch den Verdichter, bis sich wieder ein stabiles Druckverhältnis mit positivem Massen- oder Volumenstrom, d. h. in Richtung einer Brennkraftmaschine einstellt. Danach baut sich der Druck wieder erneut auf. Dieser Vorgang wiederholt sich mit hoher Frequenz, wodurch ein typisches Pumpgeräusch entsteht. Aus diesem Geräusch leitet sich auch die Bezeichnung „Pumpen“ ab. Um dieses „Pumpen“ zu eliminieren, wird üblicherweise ein Schubumluftventil verbaut, welches einen Bypass um das Verdichterrad 2 freigibt.
Auf der anderen Seite des Kennfeldes findet sich die sog. Stopfgrenze 9. Als Stopfgrenze 9 wird hierbei das Erreichen des maximalen Massenstroms oder Volumenstroms der Verbrennungsluft durch den Verdichter bezeichnet. Begrenzt durch den Strömungsquerschnitt im Verdichtereintritt und dem Erreichen der Schallgeschwindigkeit im Verdichterradeintritt, wird ein weiteres Anwachsen des Durchsatzes an Verbrennungsluft plötzlich gestoppt. Die stark abfallenden Drehzahllinien (durchgezogene Linien) am rechten Kennfeldrand zeigen die Stopfgrenze 9 im Verdichtungskennfeld.
In 2 ist beispielhaft bei nicht maximaler Drehzahl des Verdichterrades 2, bei einem Druckverhältnis von ca. 0,77 ein Lastenabwurf symbolisch mit einem Pfeil nach links dargestellt. Bei einer spontanen Gaswegnahme der Brennkraftmaschine dreht sich das Verdichterrad 2, wie oben beschrieben, mit einer erhöhten Drehzahl weiter, bis der Verdichter an der Pumpgrenze 8 angekommen ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, dass bei einem Lastabwurf der Brennkraftmaschine die elektrische Maschine als ein Generator betrieben wird, wird das Verdichterrad 2 stark abgebremst, was mit einer Drehzahlreduzierung 11, durch einen Pfeil nach links unten dargestellt ist. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird der Verdichter durch aktives Abbremsen des Verdichterrades 2 gehindert, an die Pumpgrenze 8 heranzufahren. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Schubumluftventil vermieden werden, wodurch die Herstellkosten gesenkt werden und zusätzliche elektrische Energie gewonnen wird.
Bezugszeichenliste

1.: Abgasturbolader
2.: Verdichterrad mit Welle
3.: Turbinenrad mit Welle
4.: Lagerung
5.: Freilauf
6.: Läufer
7.: Stator
8.: Pumpgrenze
9.: Stopfgrenze
10.: max. Drehzahl
11.: Drehzahlreduzierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19518317 A1 [0002]
DE 19938624 A1 [0003]
DE 3618449 A1 [0004]
DE 10450014 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Verdichterrad und/oder Turbinenrad von einer elektrischen Maschine antreibbar ist, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt: - Bei einem Lastabwurf der Brennkraftmaschine Betreiben der elektrischen Maschine als ein Generator.