DE102015008736A1

DE102015008736A1 - Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs sowie Verfahren und Computerprogrammprodukt zum Betreiben dieser Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102015008736A1
Application number: DE102015008736.3A
Authority: DE
Inventors: Claus Juergen Glahn; Lutz Kilian Cloos
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2017-01-12
Also published as: US10018162B2; US20170009709A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs, umfassend einen Verbrennungsmotor (12), eine Zuführleitung (16) zum Zuführen von Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor (12), eine Abführleitung (20) zum Abführen von Abgasen vom Verbrennungsmotor (12), einen in der Zuführleitung (16) angeordneten Ladeluftkühler (36) zum Kühlen der Verbrennungsluft, eine von der Abführleitung (20) abzweigende Rückführleitung (38) zum Rückführen des Abgases von der Abführleitung (20) in die Zuführleitung (16), wobei die Rückführleitung (38) eine Bypassleitung (45) umfasst, mittels welcher das Abgas durch den Ladeluftkühler (36) und/oder unter Umgehung des Ladeluftkühlers (36) dem Verbrennungsmotor (12) zuführbar ist. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zum Betreiben dieser Antriebsvorrichtung, sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Antriebsvorrichtung und einem derartigen Computerprogrammprodukt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs sowie ein Verfahren und ein Computerprogramm zum Betreiben dieser Antriebsvorrichtung sowie ein Fahrzeug, dessen Antriebsvorrichtung mit diesem Computerprogrammprodukt betrieben wird.
Im Zuge der Bestrebungen, die im Betrieb von Verbrennungsmotoren freigesetzten Emissionen so niedrig wie möglich zu halten, spielt die so genannte Abgasrückführung zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors eine wichtige Rolle. Grundsätzlich kann zwischen einer Hochdruck-Abgasrückführung und einer Niederdruck-Abgasrückführung unterschieden werden. Für den Fall, dass der Verbrennungsmotor aufgeladen ist, also die Antriebsvorrichtung einen Kompressor wie einen Turbolader aufweist, kann die Abgasrückführung in den Bereichen der Zuführ- und Abführleitung erfolgen, in denen die Verbrennungsluft und das Abgas noch verdichtet sind, also unter einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks stehen. In diesem Fall handelt es sich um eine Hochdruck-Abgasrückführung. Wird die Abgasrückführung außerhalb dieser Bereiche rückgeführt, liegt eine Niederdruck-Abgasrückführung vor. Bei nicht aufgeladenen Verbrennungsmotoren erfolgt ausschließlich eine Niederdruck-Abgasrückführung.
Derartige Antriebsvorrichtungen mit einer Hocdruck-Abgasrückführung sind aus der US 2007/0186536 A1 sowie der in DE 603 20 574 T2 bekannt.
Insbesondere für die Nutzung der Hochdruck-Abgasrückführung ist ein positives Druckgefälle notwendig, wobei der Druck des Abgases in der Abführleitung vor der Abgasturbine größer sein muss als der Druck der Verbrennungsluft bzw. des Gemischs aus Verbrennungsluft und rückgeführtem Abgas in der Zuführleitung. Ansonsten muss das rückgeführte Abgas unter Zuhilfenahme einer Fördereinheit wie eine Pumpe in die Zuführleitung gefördert werden, was ein zusätzliches Bauteil erforderlich macht und zu einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs führt.
Bei Verbrennungsmotoren, bei denen die Verbrennungsluft mittels eines Turboladers aufgeladen wird, herrscht im Bereich niedriger Drehzahlen und hoher Lasten eine negative Druckdifferenz. Mit anderen Worten ist der Druck in der Zuführleitung größer als in der Abführleitung vor der Abgasturbine. In diesem Bereich kann daher die Hochdruck-Abgasrückführung nicht ohne eine zusätzliche Fördereinheit eingesetzt werden. Erst ab Drehzahlen des Verbrennungsmotors von etwa 3000 U/min wird der Druck in der Abführleitung vor der Abgasturbine größer als der Druck in der Zuführleitung, so dass dann die Abgasrückführung zum Einsatz kommen kann.
Im Bereich der Nennleistung bewirkt die Hochdruck-Abgasrückführung, dass die Temperatur des Gemischs aus Verbrennungsluft und rückgeführtem Abgas deutlich ansteigt, was zu deutlichen Nachteilen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs führt.
Insbesondere in der Zuführleitung von Verbrennungsmotoren, deren Verbrennungsluft mittels eines Turboladers verdichtet wird, ist in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor üblicherweise stromabwärts des Turboverdichters ein Ladeluftkühler angeordnet, um die durch die Verdichtung bewirkte Erwärmung der Verbrennungsluft unter anderem aus den zuvor genannten Gründen wieder auszugleichen. Es wird angestrebt, dass die Verbrennungsluft eine Temperatur von 35°C aufweist. Allerdings bewirkt der Ladeluftkühler einen Staudruck und somit einen Druckanstieg stromaufwärts vom Ladeluftkühler in der Zuführleitung. Leitet man das Abgas stromaufwärts des Ladeluftkühlers in die Zuführleitung ein, kann zwar die Temperatur des Gemischs aus Verbrennungsluft und rückgeführtem Abgas gesenkt werden, allerdings ist das treibende Druckgefälle aufgrund des Staudrucks des Ladeluftkühlers geringer, weshalb eine Hochdruck-Abgasrückführung erst bei deutlich höheren Drehzahlen eingesetzt werden kann.
Es ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs anzugeben, mit dem die Abgasvorrichtung in einem breiteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1, 11, 12, 14 und 15 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Antriebsvorrichtung vorgesehen, umfassend einen Verbrennungsmotor, eine Zuführleitung zum Zuführen von Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor, eine Abführleitung zum Abführen von Abgasen vom Verbrennungsmotor, einen in der Zuführleitung angeordneten Ladeluftkühler zum Kühlen der Verbrennungsluft, eine von der Abführleitung abzweigende Rückführleitung zum Rückführen des Abgases von der Abführleitung in die Zuführleitung, wobei mittels der Rückführleitung das Abgas durch den Ladeluftkühler dem Verbrennungsmotor zuführbar ist, und eine Bypassleitung, mittels welcher das Abgas unter Umgehung des Ladeluftkühlers dem Verbrennungsmotor zuführbar ist.
Kern der Antriebsvorrichtung ist, dass die Rückführleitung an einer ersten Einmündungsstelle in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor stromaufwärts des Ladeluftkühlers in die Zuführleitung mündet und eine Bypassleitung vorgesehen ist, die an einer zweiten Einmündungsstelle zwischen dem Ladeluftkühler und dem Verbrennungsmotor in die Zuführleitung mündet. Somit besteht die Möglichkeit, je nachdem, ob ein treibendes Druckgefälle zwischen der Abführleitung und der Zuführleitung vor oder hinter dem Ladeluftkühler vorhanden ist, das Abgas vor oder hinter dem Ladeluftkühler in die Zuführleitung rückzuführen.
Leitet man das Abgas vor dem Ladeluftkühler in die Zuführleitung ein, kann die Temperatur des Gemischs aus Verbrennungsluft und rückgeführtem Abgas gesenkt werden, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht wird. Zudem lässt dich die Verbrennungsschwerpunktlage und folglich auch die Laufruhe des Verbrennungsmotors infolge einer reduzierten Klopfneigung verbessern, allerdings wird durch den Staudruck des Ladeluftkühlers der Druck in der Zuführleitung vor dem Ladeluftkühler verringert, weshalb eine Hochdruck-Abgasrückführung erst bei deutlich höheren Drehzahlen und Lasten eingesetzt werden kann.
Leitet man das Abgas hinter dem Ladeluftkühler in die Zuführleitung ein, stellt sich das benötigte treibende Druckgefälle bereits bei geringeren Drehzahlen und Lasten ein, da der Staudruck des Ladeluftkühlers wegfällt, allerdings wird das rückgeführte Abgas ungekühlt der Verbrennungsluft zugeführt, so dass die Temperatur des dem Verbrennungsmotor zugeführten Gemischs aus Verbrennungsluft und rückgeführtem Abgas steigt, was im Vergleich zu einer Rückführung vor dem Ladeluftkühler eine Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrads und folglich einen Anstieg des Kraftstoffverbrauchs zur Folge hat.
Durch die Antriebsvorrichtung ist es möglich, je nach vorliegenden Druckverhältnissen das Abgas vor oder hinter dem Ladeluftkühler in die Zuführleitung rückzuführen. Aufgrund des Staudrucks des Ladeluftkühlers bildet sich hinter dem Ladeluftkühler eher ein treibendes Druckgefälle ein als vor dem Ladeluftkühler. Somit kann zunächst das Abgas hinter dem Ladeluftkühler in die Zuführleitung eingeleitet werden. Auch wenn hierdurch die Temperatur der Verbrennungsluft ansteigt, werden im Vergleich zu einer nicht erfolgten Abgasrückführung die oben genannten Vorteile der Abgasrückführung zumindest teilweise erreicht. Mit steigenden Drehzahlen und Lasten steigt der Druck in der Abführleitung, so dass ab einem gewissen Punkt auch vor dem Ladeluftkühler ein treibendes Druckgefälle vorliegt. Dann wird das Abgas vor dem Ladeluftkühler in die Zuführleitung eingeleitet, so dass das Gemisch aus Abgas und Verbrennungsluft den Ladeluftkühler durchströmt und gekühlt wird. Hierdurch werden die oben genannten Vorteile der Abgasrückführung wie der verbesserte thermische Wirkungsgrad und die verbesserte Laufruhe vollumfänglich erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform kommuniziert die Bypassleitung mit der Rückführleitung, wobei die Antriebsvorrichtung eine mit der Rückführleitung zusammenwirkende Sperr- und Leiteinrichtung zum Sperren der Rückführleitung oder zum Leiten des rückgeführten Abgases durch den Ladeluftkühler und/oder unter Umgehung des Ladeluftkühlers zum Verbrennungsmotor aufweist. Die Bypassleitung zweigt in diesem Fall von der Rückführleitung und nicht von der Abführleitung ab. Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck, der zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgasturbine anliegt und dem Druck in der Zuführleitung sowohl vor als auch hinter dem Ladeluftkühler negativ ist, wird die Sperr- und Leiteinrichtung gesperrt. Mit steigender Drehzahl und steigender Last des Verbrennungsmotors wird der Druck stromabwärts des Verbrennungsmotors in der Abführleitung steigen.
Aufgrund des vorstehend beschriebenen Staudrucks des Ladeluftkühler wird die Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck und dem Druck in der Zuführleitung zwischen dem Ladeluftkühler und dem Verbrennungsmotor mit steigender Drehzahl und Last schneller positiv werden als die Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck und dem Druck in der Zuführleitung stromaufwärts vom Ladeluftkühler. Sobald die Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Abführleitung vor der Abgasturbine und dem Druck in der Zuführleitung zwischen dem Ladeluftkühler und dem Verbrennungsmotor positiv wird, wird die Sperr- und Leiteinrichtung so geschaltet, dass das Abgas stromabwärts vom Ladeluftkühler in die Zuführleitung eingeleitet wird.
Werden die Drehzahl und/oder die Last des Verbrennungsmotors weiter erhöht, so steigt der Abgasdruck weiter an, so dass die Druckdifferenz aus dem Abgasdruck und dem Druck stromaufwärts vom Ladeluftkühler ebenfalls positiv wird. Sobald dies der Fall ist, wird die Sperr- und Leiteinrichtung so geschaltet, dass das Abgas stromaufwärts vom Ladeluftkühler in die Zuführleitung eingeleitet wird. Die Sperr- und Leiteinrichtung trägt dazu bei, die Abgasrückführung je nach Drehzahl und Last und den hierdurch in der Zuführleitung und der Abführleitung vorliegenden Drücken so zu steuern, dass die Vorteile der Abgasrückführung vollumfänglich eingesetzt werden können, ohne dass eine Fördereinheit benötigt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Sperr- und Leiteinrichtung eine Stelleinrichtung, welche in zwei oder mehrere Schaltpositionen stellbar ist, um das rückgeführte Abgas durch den Ladeluftkühler und/oder unter Umgehung des Ladeluftkühlers zum Verbrennungsmotor zu leiten. Die Stelleinrichtung kann dabei beispielsweise als ein 3-Wege-Ventil oder als eine Klappe ausgestaltet sein. Hierdurch ist es möglich, einfach aufgebaute und häufig verwendete Bauteile zu verwenden, wodurch der konstruktive und fertigungstechnische Mehraufwand sowie die hiermit verbundenen Kosten gering gehalten werden können.
Eine Fortbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung eine mit der Rückführleitung zusammenwirkende Mengenregelungseinrichtung zum Einstellen der Menge des rückgeführten Abgases aufweist. Die Menge des rückgeführten Abgases muss auf den jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors abgestimmt sein, damit die oben genannten Vorteile vollumfänglich realisiert werden können. Insbesondere dann, wenn eine zu große Menge von Abgas rückgeführt wird, kann ein gegenteiliger negativer Effekt erreicht werden, der mittels der Mengenregelungseinrichtung verhindert werden kann. Insbesondere hat die Menge des rückgeführten Abgases einen Einfluss auf die Temperatur des Gemischs aus Abgas und Verbrennungsluft. Zudem kann die Mengenregelungseinrichtung abhängig vom momentanen Betriebszustand der Antriebsvorrichtung und von der Stellung der Sperr- und Leiteinrichtung die Menge des rückgeführten Abgases ändern, so dass die oben genannten Vorteile vollumfänglich realisiert werden können.
In einer Fortbildung weist die Antriebsvorrichtung einen in der Rückführleitung angeordneten Rückführkühler zum Kühlen des rückgeführten Abgases auf. Wie bereits erwähnt, ist man bestrebt, die Temperatur des dem Verbrennungsmotors zugeführten Gemischs aus Abgas und Verbrennungsluft so weit wie möglich zu senken. Mittels des Rückführkühlers kann das Abgas bereits vor Eintritt in die Zuführleitung gekühlt werden, so dass die Temperatur des Gemischs aus Abgas und Verbrennungsluft weiter verringert und der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors weiter gesteigert werden kann.
In einer weiteren Ausbildung weist die Antriebsvorrichtung einen Turbolader mit einem in der Zuführleitung angeordneten Turboverdichter zum Verdichten der Verbrennungsluft und eine in der Abführleitung angeordnete Abgasturbine zum Antreiben des Turboladers auf. Die Leistung des Verbrennungsmotors kann mittels des Turboladers dadurch gesteigert werden, dass dem Verbrennungsmotor aufgrund der Verdichtung eine größere Menge von Verbrennungsluft zugeführt werden kann.
Eine weitere Ausbildung der Antriebsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass

– die Rückführleitung an einer ersten Einmündungsstelle in die Zuführleitung oder in den Ladeluftkühler mündet und der Turboverdichter in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor gesehen stromaufwärts von der ersten Einmündungsstelle angeordnet ist, und
– die Rückführleitung an einer Abzweigungsstelle von der Abführleitung abzweigt und die Abgasturbine in Strömungsrichtung des Abgases vom Verbrennungsmotor weg stromabwärts von der Abzweigungsstelle angeordnet ist.

Es bietet sich an, dass die Bypassleitung mit der Rückführleitung in Fluidkommunikation steht. Die erste Einmündungsstelle, an welcher die Rückführleitung in die Zuführleitung mündet, befindet sich in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor hin gesehen vor dem Ladeluftkühler oder im Ladeluftkühler, wobei in beiden Fällen die Verbrennungsluft und das rückgeführte Abgas den Ladeluftkühler ganz oder zumindest teilweise durchströmen muss, wodurch die Verbrennungsluft und das rückgeführte Abgas gekühlt werden. In diesem Fall wird eine Hochdruck-Abgasrückführung realisiert, da aufgrund der Anordnung der Abzweigungsstelle, an welcher die Rückführleitung von der Abführleitung abzweigt, vor der Abgasturbine das rückgeführte Abgas noch nicht entspannt worden ist und in die bereits vorverdichtete Verbrennungsluft geleitet wird. Die Kühlung ist bei einer Hochdruck-Abgasrückführung besonders effektiv, da während der Verdichtung die Verbrennungsluft erwärmt wird. Durch die Kühlung wird das Volumen des Gemischs aus rückgeführtem Abgas und Verbrennungsluft verringert, so dass eine größere Masse des Gemischs dem Verbrennungsmotor zugeführt werden kann, wodurch sein thermischer Wirkungsgrad gesteigert wird.
Weiterhin ist in der Zuführleitung zwischen dem Ladeluftkühler und dem Verbrennungsmotor eine Drosselklappe angeordnet, wobei die Bypassleitung an einer zweiten Einmündungsstelle in die Zuführleitung mündet und die zweite Einmündungsstelle entweder zwischen dem Ladeluftkühler und der Drosselklappe oder zwischen der Drosselklappe und dem Verbrennungsmotor angeordnet ist. Wie zuvor beschrieben, weist die Bypassleitung zwei Enden auf, wobei sich die zweite Einmündungsstelle im Bereich des zweiten Endes befindet. Die Drosselklappe dient dazu, die Menge der durch die Zuführleitung zum Verbrennungsmotor strömenden Verbrennungsluft zu ändern, wodurch die Last des Verbrennungsmotors geändert wird. Je nach Stellung der Drosselklappe wird der Druck stromaufwärts und stromabwärts der Drosselklappe verändert. Insbesondere dann, wenn die zweite Einmündungsstelle stromabwärts der Drosselklappe in die Zuführleitung mündet, kann das Druckgefälle mittels einer entsprechenden Verstellung der Drosselklappe erhöht werden, so dass die Abgasrückführung bereits bei geringeren Drehzahlen und geringeren Lasten eingesetzt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Antriebsvorrichtung eine Steuereinheit auf, mittels welcher die Sperr- und Leiteinrichtung derart ansteuerbar ist, dass in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszustand der Antriebsvorrichtung die Rückführleitung gesperrt oder das rückgeführte Abgas durch den Ladeluftkühler und/oder unter Umgehung des Ladeluftkühlers zum Verbrennungsmotor geleitet wird, wobei der momentane Betriebszustand der Antriebsvorrichtung mittels einer Zustandssensoreneinrichtung bestimmbar ist. Die Steuereinheit sorgt dafür, dass die Abgasrückführung je nach vorliegendem Betriebszustand optimal ausgeführt wird. Hierzu wird der vorliegende Betriebszustand mittels der Zustandssensoreneinrichtung, die geeignete Sensoren zum Erfassen des momentanen Betriebszustands umfasst, erfasst und die Sperr- und Leiteinrichtung entsprechend angesteuert. Die oben genannten Vorteile der Abgasrückführung können so optimal erreicht werden.
Die Zustandssensoreneinrichtung umfasst dabei zumindest einen in der Zuführleitung und/oder in der Abführleitung angeordneten Drucksensor zum Messen des Drucks in der Zuführleitung und/oder in der Abführleitung und/oder zumindest eine Massestrom-Messeinheit zum Messen des Massestroms der durch die Zuführleitung und/oder die Abführleitung strömenden Verbrennungsluft bzw. des Abgases und/oder zumindest einen Drehzahlmesser zum Messen der Drehzahl des Verbrennungsmotors. Ein Drehzahlmesser gehört zur Standardausstattung eines jeden Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Es ist generell möglich, den momentanen Betriebszustand und insbesondere die momentanen Druckverhältnisse in der Zu- und Abführleitung anhand von Versuchen in Abhängigkeit der Drehzahl zu bestimmen und in einer Steuereinheit zu hinterlegen, so dass die Sperr- und Leiteinrichtung ausschließlich in Abhängigkeit der Drehzahlen des Verbrennungsmotors geschaltet wird. Allerdings sind die hierzu notwendigen Versuche relativ aufwendig und damit teuer. Weiterhin können im Laufe der Zeit Veränderungen im Kanalsystem, beispielsweise durch Rußablagerungen, auftreten, die zu Veränderungen der Druckverhältnisse in der Zu- und Abführleitung führen. In diesem Fall wird die Sperr- und Leiteinrichtung nicht mehr optimal angesteuert.
Das Vorsehen eines Drucksensors zum Bestimmen des Drucks zumindest an einer Stelle, beispielsweise in der Zuführleitung, schafft die Möglichkeit, die tatsächlich vorliegenden Druckverhältnisse erfassen und die Sperr- und Leiteinrichtung entsprechend ansteuern zu können. Das Vorsehen eines derartigen Drucksensors trägt folglich dazu bei, die Antriebsvorrichtung optimal zu betreiben und die genannten Vorteile und technischen Effekte zuverlässig umzusetzen. In vielen Fällen ist am Einlassventil des Verbrennungsmotors ohnehin ein Drucksensor vorgesehen, so dass es sich anbietet, die von diesem Drucksensor generierten Signale bei der Ansteuerung der Sperr- und Leiteinrichtung zu verwenden. Der zusätzliche konstruktive Aufwand im Vergleich zu herkömmlichen Antriebsvorrichtungen ist dann besonders gering.
Darüber hinaus kann in einer weiteren Ausführungsform in der Zuführleitung und/oder in der Abführleitung eine Massestrom-Messeinheit zum Bestimmen des Massestroms der durch die Zuführleitung und/oder die Abführleitung strömenden Verbrennungsluft bzw. des Abgases angeordnet sein. Die Verwendung der Bezeichnung „bzw.” (beziehungsweise) soll darauf hindeuten, dass die Massestrom-Messeinheit je nach Anordnung den Massestrom entweder der Verbrennungsluft oder des Abgases misst. Ist die Massestrom-Messeinheit in der Zuführleitung angeordnet, misst sie den Massestrom der Verbrennungsluft, wobei hier auch der Fall eingeschlossen sein soll, dass der Verbrennungsluft ein Teil des Abgases über die Abgasrückführung zugemischt wird. Ist die Massestrom-Messeinheit in der Abführleitung angeordnet, misst sie den Massestrom des Abgases. Auch der Massestrom lässt sich dazu verwenden, eine Aussage über den momentanen Betriebszustand und insbesondere über die Druckverhältnisse in der Antriebsvorrichtung zu machen. Somit leistet die Massestrom-Messeinheit einen Beitrag, die Sperr- und Leiteinrichtung zum optimalen Zeitpunkt zu schalten, so dass die oben genannten Vorteile möglichst vollumfänglich realisiert werden können.
Die Zustandssensoreneinrichtung kann weitere Sensoren, welche relevante Daten zum Beschreiben des momentanen Betriebszustands der Antriebsvorrichtung liefern, umfassen. So können Temperatursensoren zum Bestimmen der Temperatur in der Zu- oder Abführleitung vorgesehen sein.
Wie eingangs erwähnt, hängen die Druckverhältnisse in der Zuführleitung und in der Abführleitung hauptsächlich von der Last und damit auch von der Drehzahl ab. Insofern ist es möglich, die Sperr- und Leiteinrichtung ausschließlich anhand der momentan anliegenden Drehzahl des Verbrennungsmotors anzusteuern, wozu aber relativ aufwendige Versuche zur Ermittlung der Druckverhältnisse in der Zu- und Abführleitung in Abhängigkeit der Drehzahl notwendig sind. Hierdurch ist aber die Möglichkeit gegeben, auf einen in der Zu- oder Abführleitung angeordneten Drucksensor und/oder auf eine in der Zu- oder Abführleitung angeordnete Massestrom-Messeinheit vollständig zu verzichten. Wenn aber ein Drucksensor und eine Massestrom-Messeinheit vorhanden sind, können ständig aktualisierte Kennfelder in der Steuereinheit hinterlegt werden, so dass für den Fall, dass der Drucksensor und/oder die Massestrom-Messeinheit ausfallen sollten, die Sperr- und Leiteinrichtung zumindest vorübergehend ausschließlich anhand der Drehzahl des Verbrennungsmotors geschaltet wird, ohne dass der optimale Betriebsbereich der Antriebsvorrichtung zu weit verlassen wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach einem der zuvor genannten Ausführungsbeispiele zum Antreiben eines Fahrzeugs, umfassend folgende Schritte:

– Bestimmen des momentanen Betriebszustands der Antriebsvorrichtung und Erzeugen von entsprechenden Zustandssignalen mittels der Zustandssensoreneinrichtung,
– Zuführen der Zustandssignale zu der Steuereinheit,
– Bestimmen eines ersten Drucks in der Zuführleitung in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor gesehen stromaufwärts des Ladeluftkühlers oder eines zweiten Drucks in der Zuführleitung stromabwärts des Ladeluftkühlers und eines Abgasdrucks in der Abführleitung mittels der Steuereinheit unter Berücksichtigung der Zustandssignale,
– Vergleichen des ersten Drucks oder des zweiten Drucks mit dem Abgasdruck,
– Ansteuern der Sperr- und Leiteinrichtung mittels der Steuereinheit derart, dass die Sperr- und Leiteinrichtung die Rückführleitung sperrt, wenn der erste Druck oder der zweite Druck größer ist als der Abgasdruck.

Die Ansteuerung der Sperr- und Leiteinrichtung ist in dieser Ausführung sehr einfach, da die Zustandssensoreneinrichtung nur so eingerichtet sein muss, dass der Fall untersucht werden kann, ob der erste Druck oder der zweite Druck in der Zuführleitung kleiner oder größer ist als der Abgasdruck. Es werden also nur zwei Drücke ermittelt. Es genügt, nur den ersten oder den zweiten Druck anhand der von der Zustandssensoreneinrichtung erzeugten Signale zu bestimmen, da der erste Druck größer oder allenfalls gleich dem zweiten Druck ist. Die sich darüber hinaus ergebenden technischen Effekte und Vorteile entsprechen denjenigen, die für die vorschlagsgemäße Antriebsvorrichtung erläutert worden sind.
Der erste Druck kann durch Berechnung und/oder durch Messung bestimmt werden. Ebenso kann der zweite Druck durch Berechnung und/oder durch Messung bestimmt werden.
Ein weiterer Aspekt der betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach einem der zuvor erläuterten Ausführungsformen zum Antreiben eines Fahrzeugs, umfassend folgende Schritte:

– Bestimmen des momentanen Betriebszustands der Antriebsvorrichtung und Erzeugen von entsprechenden Zustandssignalen mittels der Zustandssensoreneinrichtung,
– Zuführen der Zustandssignale zu der Steuereinheit,
– Bestimmen eines ersten Drucks in der Zuführleitung in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor gesehen stromaufwärts des Ladeluftkühlers und eines zweiten Drucks in der Zuführleitung stromabwärts des Ladeluftkühlers und eines Abgasdrucks in der Abführleitung mittels der Steuereinheit unter Berücksichtigung der Zustandssignale,
– Vergleichen des ersten Drucks oder des zweiten Drucks mit dem Abgasdruck,
– Ansteuern der Sperr- und Leiteinrichtung mittels der Steuereinheit derart, dass die Sperr- und Leiteinrichtung die Rückführleitung sperrt, wenn der erste Druck und der zweite Druck größer sind als der Abgasdruck, oder
– die Sperr- und Leiteinrichtung das rückgeführte Abgas unter Umgehung des Ladeluftkühlers zum Verbrennungsmotor leitet, wenn der Abgasdruck größer ist als der zweite Druck, oder
– die Sperr- und Leiteinrichtung das rückgeführte Abgas durch den Ladeluftkühler zum Verbrennungsmotor leitet, wenn der Abgasdruck größer ist als der erste Druck.

In dieser Ausführungsform werden sowohl der erste Druck als auch der zweite Druck ermittelt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der vom Ladeluftkühler hervorgerufenen Druckverlust in Abhängigkeit der momentanen Drehzahl vom ersten Druck abgezogen wird, um den zweiten Druck zu berechnen. Es kann also aufgrund des vom Ladeluftkühler bewirkten Druckverlusts davon ausgegangen werden, dass der zweite Druck geringer ist als der erste Druck. Insofern wird die Sperr- und Leiteinrichtung von der gesperrten Stellung so gestellt, dass es das Abgas zunächst unter Umgehung des Ladeluftkühlers in die Zuführleitung führt, wenn der zweite Druck geringer ist als der erste Druck, sobald der zweite Druck geringer ist als der Abgasdruck. Erst dann, wenn auch der erste Druck geringer ist als der Abgasdruck, wird das Abgas durch die erste Unterleitung führt. Anders herum genügt die Information, dass der zweite Druck größer ist als der Abgasdruck, um die Sperr- und Leiteinrichtung zu sperren, da dann auch der erste Druck größer ist als der Abgasdruck.
Der erste Druck kann durch Berechnung und/oder durch Messung bestimmt werden. Ebenso kann der zweite Druck durch Berechnung und/oder durch Messung bestimmt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung folgende Schritte:

– Messen des ersten Drucks in der Zuführleitung zwischen dem Turboverdichter und dem Ladeluftkühler oder des zweiten Drucks in der Zuführleitung zwischen der Drosselklappe und dem Verbrennungsmotor mittels eines Drucksensors und Erzeugen von entsprechenden Drucksignalen,
– Berechnen des Drucks zweiten Druck oder des ersten Drucks und des Abgasdrucks zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgasturbine mittels der Steuereinheit unter Berücksichtigung der Drucksignale,
– Vergleichen des ersten Drucks oder des zweiten Drucks mit dem Abgasdruck,
– Ansteuern der Sperr- und Leiteinrichtung mittels der Steuereinheit derart, dass die Sperr- und Leiteinrichtung die Rückführleitung sperrt, wenn der erste Druck oder der zweite Druck größer ist als der Abgasdruck.

Es wird nur ein Drucksensor benötigt, der entweder den ersten Druck stromaufwärts vom Ladeluftkühler oder den zweiten Druck stromabwärts vom Ladeluftkühler misst. Derjenige der beiden Drücke, der nicht gemessen wird, wird mittels der Steuereinheit berechnet, beispielsweise, indem der vom Ladeluftkühler erzeugte Druckverlust zum zweiten Druck hinzu addiert oder vom ersten Druck abgezogen wird. Zudem wird der Abgasdruck berechnet. Die Sperr- und Leiteinrichtung wird gesperrt, wenn der zweite Druck größer ist als der Abgasdruck.
Eine weitere Ausführungsform des vorschlagsgemäßen Verfahrens umfasst folgende Schritte: Bestimmen des momentanen Betriebszustands der Antriebsvorrichtung

– durch Messen des Massestroms der durch die Zuführleitung und/oder Abführleitung strömenden Verbrennungsluft bzw. des Abgases mittels einer Massenstrom-Messeinheit, und/oder
– durch Messen der Drehzahl des Verbrennungsmotors mittels eines Drehzahlmessers, und/oder
– durch Messen des ersten Drucks und/oder des zweiten Drucks mittels eines oder mehrerer entsprechend in der Zuführleitung angeordneten Drucksensoren.

Grundsätzlich gilt, dass die Druckverhältnisse in der Zuführ- und der Abführleitung umso besser erfasst werden können, je mehr Sensoren die Zustandssensoreneinrichtung aufweist. Hierdurch ist es möglich, die Vorteile der Abgasrückführung weitgehend zu realisieren. Zudem kann eine Redundanz geschaffen für den Fall geschaffen werden, dass einer der Sensoren ausfällt. Generell kann die Antriebsvorrichtung umso besser betrieben werden, desto genauer die aktuell vorliegenden Druckverhältnisse bekannt sind. Insofern kann jeweils ein Drucksensor für die Ermittlung des ersten Drucks, des zweiten Drucks und des Abgasdrucks vorgesehen werden. Jede Berechnung kann die aktuell vorliegenden Druckverhältnisse nur mehr oder weniger genau approximieren. Einflüsse auf die Druckverhältnisse infolge von unvorhergesehenen Ereignissen wie eine Rußablagerung in der Zu- und/oder Abführleitung können bei einer Berechnung nicht berücksichtigt werden, während die Drucksensoren derartige Einflüsse anzeigen. Insofern wird die Genauigkeit der Ansteuerung der Sperr- und Leiteinrichtung hinsichtlich eines optimalen Betriebs der Antriebsvorrichtung mit jedem weiteren Drucksensor gesteigert, allerdings werden hierdurch die Anzahl der Komponenten und folglich Komplexität der Antriebsvorrichtung erhöht, was zu einer Gewichtserhöhung und zu einer aufwendigeren und teureren Fertigung der Antriebsvorrichtung führt. Hier gilt es, einen Ausgleich zwischen der gewünschten Genauigkeit des Betriebs und dem hierzu benötigten Aufwand zu finden.
Wenn aber ein Drucksensor und/oder eine Massestrom-Messeinheit vorhanden sind, können ständig aktualisierte Kennfelder in der Steuereinheit hinterlegt werden, so dass für den Fall, dass der Drucksensor und/oder die Massestrom-Messeinheit ausfallen sollten, die Sperr- und Leiteinrichtung zumindest vorübergehend ausschließlich anhand der Drehzahl des Verbrennungsmotors geschaltet werden kann, ohne den optimalen Betriebsbereich der Antriebsvorrichtung zu weit zu verlassen. Insofern wird mit Berücksichtigung der Drehzahlsignale bei der Ermittlung des Abgasdrucks sowie des ersten und/oder des zweiten Drucks (je nachdem, welcher der beiden Drücke nicht mittels eines Drucksensors gemessen wird) eine Redundanz für den Fall geschaffen, dass der Drucksensor und/oder die Massestrom-Messeinheit ausfallen sollten. Zudem können die Druckverhältnisse in Abhängigkeit von der Drehzahl nachverfolgt und die hieraus gewonnenen Erkenntnisse für künftige Simulationen und für die Auslegung zukünftiger Antriebsvorrichtungen verwendet werden.
Vorschlagsgemäß ist man bestrebt, das Abgas stromaufwärts vom Ladeluftkühler in die Zuführleitung einzuleiten, sobald auch dort ein treibendes Druckgefälle vorliegt. Es ist dann nämlich möglich, das Gemisch aus der angesaugten Verbrennungsluft und rückgeführtem Abgas mittels des Ladeluftkühlers zu kühlen und nicht nur die Verbrennungsluft selbst. Zwar kann das rückgeführte Abgas mittels des Rückführkühlers ebenfalls gekühlt werden, allerdings haben die Abgase eine deutlich höhere Temperatur als die aus der Umgebung angesaugte Verbrennungsluft. In der Praxis kann der Rückführkühler die rückgeführten Abgase nicht deutlich unter 95°C kühlen, wohingegen die Verbrennungsluft ohne größeren Aufwand auf einen Temperaturbereich zwischen 35 und 45°C gekühlt werden kann. Wenn also die rückgeführten Abgase stromaufwärts vom Ladeluftkühler in die Zuführleitung eingeleitet werden, werden sie sowohl im Rückführkühler als auch im Ladeluftkühler gekühlt. Durch eine Absenkung der Temperatur wird die Klopfneigung (Neigung zur Selbstentzündung des Gemischs nach dem Zündzeitpunkt durch lokale Gemischerwärmung infolge des Druckanstieges bei der Verbrennung des gezündeten Gemischs) in Ottomotoren verringert, wodurch insbesondere die Kolben und der Zylinderkopf geschont werden. Zudem kann die Laufruhe durch die Möglichkeit der früheren Zündung verbessert.
Steuerungsmittel im Sinne der Erfindung, etwa der besagte Drucksensor, können jeweils für sich oder gemeinsam hardwaretechnisch oder/und softwaretechnisch, beispielsweise als Computerprogramm oder Computerprogrammmodul, ausgebildet sein.
Die besagte Steuereinheit, der besagte Drucksensor, die besagte Massestrom-Messeinheit und/oder der besagte Drehzahlmesser können jeweils für sich oder gemeinsam insbesondere eine digitale Verarbeitungseinheit aufweisen, die vorzugsweise eine Mikroprozessoreinheit (CPU) aufweist. Die CPU kann mit einem Speichersystem oder/und Bussystem daten- oder/und signalverbunden sein. Die Steuereinheit, der Drucksensor, die Massestrom-Messeinheit und/oder der Drehzahlmesser können jeweils für sich oder gemeinsam ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die digitale Verarbeitungseinheit kann derart ausgebildet sein, dass Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abgearbeitet, Eingangssignale von einem Datenbussystem entgegengenommen oder/und Ausgangssignale an ein Datenbussystem abgegeben werden. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene Speichermedien aufweisen. Die Speichermedien können insbesondere optische, magnetische, festkörper- oder/und andere, vorzugsweise nicht-flüchtige, Speichermedien sein.
Ein Steuerungssystem der Antriebsvorrichtung im Sinne der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann hardwaretechnisch oder/und softwaretechnisch ausgebildete Steuerungsmittel aufweisen, die auch als Funktionsmodularchitektur verstanden werden können, wobei eine solche Funktionsmodularchitektur mindestens einen Funktionsblock aufweist, so dass das Steuerungssystem der Antriebsvorrichtung einer Vorrichtung gleichkommt, die Mittel zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens aufweist. Dabei entspricht das mindestens eine Mittel der Vorrichtung dem genannten Funktionsblock.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Computerprogrammprodukt zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen mit einem Programmcode gelöst, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, um eine Ausführungsform eines Verfahrens nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.
Die Vorteile und technischen Effekte, die mit dem vorschlagsgemäßen Computerprogrammprodukt erzielt werden können, entsprechen denjenigen, die für die vorschlagsgemäßen Verfahren erläutert worden sind.
Darüber hinaus wird die Aufgabe mit einem Fahrzeug gelöst, welches eine Antriebsvorrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, die mit einem zuvor erläuterten Verfahren oder einem zuvor beschriebenen Computerprogrammprodukt betrieben wird. Die Vorteile und technischen Effekte, die mit dem vorschlagsgemäßen Fahrzeug erzielt werden können, entsprechen denjenigen, die für die vorschlagsgemäße Antriebsvorrichtung, die vorschlagsgemäßen Verfahren sowie das vorschlagsgemäße Computerprogrammprodukt erläutert worden sind. Insbesondere soll zusammenfassend erwähnt werden, dass vorschlagsgemäß die Abgasrückführung im Vergleich zu bekannten Antriebsvorrichtungen bereits bei geringeren Drehzahlen und geringeren Lasten eingesetzt werden kann, so dass sich die Vorteile der Abgasrückführung wie die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads und der Verringerung der Klopfneigung vollumfänglicher als bislang bekannt realisieren lassen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Steuereinheit sowie eine Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung mit einem Computerprogrammprodukt gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Mit der Steuereinheit sowie mit der Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung ist es wie beim Computerprogrammprodukt möglich, den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern und die Klopfneigung zu verringern.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen
1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer vorschlagsgemäßen Antriebsvorrichtung,
2 eine graphische Darstellung des Differenzdrucks Δp₂ in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und des effektiven Mitteldrucks,
3 eine graphische Darstellung des Differenzdrucks Δp₁ in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und des effektiven Mitteldrucks, und
4 ein Ablaufdiagramm der Schritte des vorschlagsgemäßen Verfahrens und des vorschlagsgemäßen Computerprogramms.
In 1 ist eine vorschlagsgemäße Antriebsvorrichtung 10 zum Antreiben eines nicht dargestellten Fahrzeugs anhand einer Prinzipskizze dargestellt. Die vorschlagsgemäße Antriebsvorrichtung 10 weist einen Verbrennungsmotor 12 auf, beispielsweise einen Vierzylinder-Otto- oder Dieselmotor, welcher die für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte Leistung bereitstellt. Der Verbrennungsmotor 12 arbeitet üblicherweise nach dem Viertakt-Prinzip, wobei auch ein Zweitakt-Prinzip denkbar ist. Die Antriebsvorrichtung 10 umfasst eine Zuführleitung 16, mit welcher der Verbrennungsmotor 12 mit Verbrennungsluft versorgt werden kann. In der Zuführleitung 16 ist eine Drosselklappe 18 angeordnet, mit welcher die Last des Verbrennungsmotors 12 veränderbar ist. Die bei der Verbrennung des Gemischs aus Verbrennungsluft und Kraftstoff entstehenden Abgase werden über eine Abführleitung 20 vom Verbrennungsmotor 12 abgeführt.
Zum Ansaugen der Verbrennungsluft aus der Umgebung kann der Verbrennungsmotor 12 eine Ansaugeinrichtung 22 aufweisen, welche beispielsweise einen Luftfilter umfassen kann. Die Abführleitung 20 weist eine Abgasbehandlungsanlage 24 auf, welche nicht näher dargestellte Katalysatoren umfassen kann, um die im Abgas enthaltenen giftigen Bestandteile in ungiftige Verbindungen umzuwandeln.
Die Antriebsvorrichtung 10 umfasst einen Turbolader 26, welcher einen in der Zuführleitung 16 angeordneten Turboverdichter 30 und eine in der Abführleitung 20 angeordnete Abgasturbine 32 aufweist, die mittels einer Welle 34 miteinander verbunden sind. Zwischen dem Turboverdichter 30 und der Drosselklappe 18 ist ein Ladeluftkühler 36 angeordnet, mit welchem die verdichtete Verbrennungsluft gekühlt werden kann.
An einer Abzweigungsstelle 37 zwischen dem Verbrennungsmotor 12 und der Abgasturbine 32 zweigt eine Rückführleitung 38 von der Abführleitung 20 ab, mit welcher Abgas von der Abführleitung 20 zurück in die Zuführleitung 16 geleitet werden kann. In der Rückführleitung 38 ist ein Rückführkühler 40 angeordnet, mit welchem die rückgeführten Abgase gekühlt werden können. Stromabwärts des Rückführkühlers 40 ist ein Regelventil 42 angeordnet, mit welchem die Menge des rückgeführten Abgases verändert werden kann. Die Rückführleitung 38 mündet an einer ersten Einmündungsstelle 46 in die Zuführleitung 16, wobei die Einmündungsstelle 46 zwischen dem Turboverdichter 30 und dem Ladeluftkühler 36 angeordnet ist. Nicht dargestellt ist der Fall, in welcher die erste Einmündungsstelle 46 direkt am Ladeluftkühler 36 und insbesondere am stromaufwärtigen Eingang des Ladeluftkühlers angeordnet ist.
Stromabwärts vom Regelventil 42 ist eine Sperr- und Leiteinrichtung 44 angeordnet, in welcher eine Bypassleitung 45 von der Rückführleitung 38 abzweigt. Die Sperr- und Leiteinrichtung ist im dargestellten Beispiel als ein 3-Wege-Ventil 47 ausgeführt. Weiterhin weist die Bypassleitung 45 eine zweite Einmündungsstelle 48 auf, die zwischen der Drosselklappe 18 und dem Verbrennungsmotor 12 angeordnet ist, so dass die Bypassleitung 45 stromabwärts vom Ladeluftkühler 36 in die Zuführleitung 16 mündet.
Zudem umfasst die Antriebsvorrichtung 10 eine Zustandssensoreneinrichtung 49, welche im dargestellten Beispiel einen unmittelbar vor dem Verbrennungsmotor 12, beispielsweise vor hier nicht dargestellten Einlassventilen eines Einlasskrümmers, angeordneten Drucksensor 50 zum Ermitteln eines zweiten Drucks p_z2 der Verbrennungsluft bzw. des Gemischs aus Verbrennungsluft und rückgeführtem Abgas zwischen dem Ladeluftkühler 36 und dem Verbrennungsmotor 12 umfasst. Der Drucksensor 50 erzeugt dem ermittelten zweiten Druck p_z2 entsprechende Drucksignale und leitet diese über elektrische Leitungen 52 weiter an eine Steuereinheit 54.
Darüber hinaus umfasst die Zustandssensoreneinrichtung 49 eine Massestrom-Messeinheit 56, mit welcher der Massestrom der die Zuführleitung 16 durchströmenden Verbrennungsluft bestimmt werden kann. Die Massestrom-Messeinheit 56 generiert entsprechende Massestromsignale und führt diese der Steuereinheit 54 zu. Im dargestellten Beispiel ist die Massestrom-Messeinheit 56 in der Ansaugeinrichtung 22 angeordnet, also im Eingangsbereich, in welchem die Verbrennungsluft aus der Umgebung angesaugt wird.
Die Strömungsrichtung der Verbrennungsluft und der Abgase durch die Antriebsvorrichtung 10 ist durch die Pfeile B gekennzeichnet. Die Bezeichnungen „stromaufwärts” und „stromabwärts” beziehen sich auf diese Strömungsrichtung.
Ferner umfasst die Zustandssensoreneinrichtung 49 einen Drehzahlmesser 58, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 misst und in entsprechende Drehzahlsignale umwandelt.
Die vorschlagsgemäße Antriebsvorrichtung 10 wird auf folgende Weise betrieben: Sobald der Verbrennungsmotor 12 gestartet wird, misst der Drucksensor 50 den zweiten Druck p_z2 und wandelt den gemessenen zweiten Druck in entsprechende Drucksignale um. Weiterhin wird der Massestrom der Verbrennungsluft, der über die Ansaugeinrichtung 22 aus der Umgebung in die Zuführleitung 16 angesaugt wird, mit der Massestrom-Messeinheit 56 bestimmt, welche den Massestrom in entsprechende Massestromsignale umwandelt. Darüber hinaus misst der Drehzahlmesser 58 die aktuelle Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 und wandelt die gemessene Drehzahl in entsprechende Drehzahlsignale um.
Über die elektrischen Leitungen 52 werden die von der Zustandssensoreneinrichtung 49 bereitgestellten Drucksignale, die Massestromsignale und die Drehzahlsignale der Steuereinheit 54 zugeführt, die aus den Drucksignalen, den Massestromsignalen und/oder den Drehzahlsignalen unter Verwendung der bereits oben genannten Kennfelder einen ersten Druck p_z1 und einen Abgasdruck p_a ermittelt und den ersten und den zweiten Druck p_z1, P_z2 mit dem Abgasdruck p_a vornimmt. Für den Fall, dass sowohl der erste Druck p_z1 und zweite Druck p_z2 größer sind als der Abgasdruck p_a, besteht kein treibendes Druckgefälle von der Abführleitung 20 zur Zuführleitung 16. Folglich ist es auch nicht möglich, dass Abgas von der Abführleitung 20 ohne Zuhilfenahme einer Fördereinheit in die Zuführleitung 16 zurückzuführen. Entsprechend wird die Sperr- und Leiteinrichtung 44 von der Steuereinheit 54 so angesteuert, dass es die Rückführleitung 38 komplett sperrt. In diesem Fall wird kein Abgas von der Abführleitung 20 in die Rückführleitung 38 zurückgeführt.
Für den Fall, dass die Steuereinheit 54 aufgrund des von der Zustandssensoreneinrichtung 49 und insbesondere vom Drucksensor 50 ermittelten zweiten Drucks p_z2 errechnet, dass der Abgasdruck p_a größer als der zweite Druck p_z2, jedoch kleiner als der erste Druck p_z1 ist, steuert die Steuereinheit 54 die Sperr- und Leiteinrichtung 44 so an, dass das Abgas über die Bypassleitung 45 und die zweite Einmündungsstelle 48 stromabwärts vom Ladeluftkühler 36 in die Zuführleitung 16 rückgeführt wird. Je nachdem, wie viel größer der Abgasdruck p_a gegenüber dem zweiten Druck p_z2 ist, steuert die Steuereinheit 54 zudem das Regelventil 42 entsprechend an, dass die optimale Menge des Abgases rückgeführt wird, um den Verbrennungsmotor 12 insbesondere hinsichtlich des thermischen Wirkungsgrads sowie der Laufruhe optimal betreiben zu können.
Für den Fall, dass die Steuereinheit 54 aufgrund des vom Drucksensor 50 gemessenen zweiten Drucks p_z2, des von der Massestrom-Messeinheit 56 gemessenen Massestrom der angesaugten Verbrennungsluft und/oder der vom Drehzahlmesser 58 gemessenen Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 ermittelt, dass der Abgasdruck p_a nicht nur größer ist als der zweite Druck p_z2, sondern auch größer als der erste Druck p_z1 ist, so steuert die Steuereinheit die Sperr- und Leiteinrichtung 44 so an, dass das rückgeführte Abgas über die erste Einmündungsstelle 46 der Rückführleitung 38 stromaufwärts vom Ladeluftkühler 36 in die Zuführleitung 16 rückgeführt wird.
In beiden Fällen steuert die Steuereinheit das Regelventil 42 so an, dass die optimale Menge des rückgeführten Gases rückgeführt wird.
In 2 ist der Differenzdruck Δp₂ zwischen dem Abgasdruck p_a und dem zweiten Druck p_z2 (Δ_p2 = p_a – p_z2) in Abhängigkeit von der Drehzahl und des effektiven Mitteldrucks BMEP („break mean effective pressure”) dargestellt. Mit dem Mitteldruck BMEP lässt sich die Last, mit welcher der Verbrennungsmotor betrieben wird, beschreiben. Wie oben bereits erläutert, liegt der Abgasdruck p_a zwischen dem Verbrennungsmotor 12 und der Abgasturbine 32 in der Abführleitung 20 an, während der zweite Druck P_z2 zwischen der Drosselklappe 18 und dem Verbrennungsmotor 12 in der Zuführleitung 16 anliegt.
Man erkennt, dass insbesondere bei einer hohen Last (BMEP > 10 bar) und niedrigen Drehzahlen (< 3500 U/min) der Differenzdruck Δp₂ negativ ist, so dass hier kein treibendes Druckgefälle von der Abführleitung 20 zur Zuführleitung 16 stromabwärts vom Ladeluftkühler 36 vorhanden ist. Die Druckdifferenz Δp₂ wird dann positiv, wenn die Last reduziert (sinkender BMEP) und/oder die Drehzahlen erhöht werden. Sobald die Druckdifferenz Δp₂ positiv wird, schaltet die Steuereinheit 54 die Sperr- und Leiteinrichtung 44 so, dass ein Teil des rückgeführten Abgases über die zweite Einmündungsstelle 48 und stromabwärts vom Ladeluftkühler 36 in die Zuführleitung 16 strömen kann. Der Anteil des rückgeführten Abgases wird durch eine entsprechende Ansteuerung des Regelventils 42 eingestellt.
In 3 ist die Druckdifferenz Δp₁ zwischen dem Abgasdruck p_a und dem ersten Druck p_z1 (Δ_p1 = p_a – p_z1) in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem BMEP dargestellt. Wie oben bereits erläutert, liegt der Abgasdruck p_a zwischen dem Verbrennungsmotor 12 und der Abgasturbine 32 in der Abführleitung 20 an, während der erste Druck p_z1 zwischen dem Turboverdichter 30 und dem Ladeluftkühler 36 in der Zuführleitung 16 anliegt. Man erkennt, dass ab einer Drehzahl von 3000 U/min und insbesondere bei einer hohen Leistungsabgabe (BMEP > 14 bar) der die Druckdifferenz Δp₁ positiv wird. Mit steigenden Drehzahlen des Verbrennungsmotors 12 wird die Druckdifferenz Δp₁ bereits bei geringeren effektiven Mitteldrücken BMEP positiv. Sobald die Druckdifferenz Δp₁ positiv wird, schaltet die Steuereinheit 54 die Sperr- und Leiteinrichtung 44 so, dass die rückgeführten Abgase über die erste Einmündungsstelle 46 stromaufwärts vom Ladeluftkühler 36 in die Zuführleitung 16 eingeleitet werden können.
Aus der 3 erkennt man, dass der Kennfeldbereich, in welchem die rückgeführten Abgase stromaufwärts vom Ladeluftkühler 36 in die Zuführleitung 16 eingeleitet werden, relativ klein ist. Würden die rückgeführten Abgase dauerhaft stromaufwärts vom Ladeluftkühler 36 in die Zuführleitung 16 eingeleitet werden, könnte eine Hochdruck-Abgasrückführung bei Drehzahlen von weniger als 3000 U/min überhaupt nicht eingesetzt werden. Insofern ermöglicht es die vorschlagsgemäße Antriebsvorrichtung 10, die Hochdruck-Abgasrückführung in einem deutlich größeren Kennfeldbereich einzusetzen.
In 4 sind die Schritte eines vorschlagsgemäßen Verfahrens und des vorschlagsgemäßen Computerprogrammprodukts anhand eines Ablaufdiagrams dargestellt. In einem ersten Schritt wird der zweite Druck p_z2 in der Zuführleitung 16 vom Drucksensor 50 gemessen, der Drucksignale erzeugt, die dem gemessenen Druck entsprechen. In einem weiteren Schritt werden die Drucksignale der Steuereinheit 54 zugeführt. Im dann folgenden Schritt berechnet die Steuereinheit 54 anhand von hinterlegten Kennfeldlinien den ersten Druck p_z1 und den Abgasdruck p_a und ermittelt hieraus die Druckdifferenzen Δp₁ und Δp₂. Je nachdem, wie die Druckdifferenzen ausfallen, wird die Sperr- und Leiteinrichtung 44 so angesteuert, dass die Rückführleitung 38 komplett gesperrt ist oder das Abgas über durch die Bypassleitung 45 und über die erste Einmündungsstelle 48 und durch den Ladeluftkühler 36 oder über die zweite Einmündungsstelle 48 unter Umgehung des Ladeluftkühlers 36 in die Zuführleitung 16 rückgeführt wird.
Da vorstehend lediglich eine oder mehrere beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, sei klargestellt, dass grundsätzlich eine Vielzahl von Variationen und Abweichungen möglich sind. Es sei ferner klargestellt, dass die beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele darstellen, die den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder den Aufbau nicht einschränken. Vielmehr stellen die Zusammenfassung und die beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine praktische Anleitung für den Fachmann dar, auf deren Grundlage der Fachmann zu zumindest einer beispielhaften Ausführungsform gelangen kann. Dabei ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass verschiedene Veränderungen betreffend die Funktion und die Anordnung der unter Bezugnahme auf die in den bei-spielhaften Ausführungsformen beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass von dem Bereich der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

10: Antriebsvorrichtung
12: Verbrennungsmotor
16: Zuführleitung
18: Drosselklappe
20: Abführleitung
22: Ansaugeinrichtung
24: Abgasbehandlungsanlage
26: Turbolader
30: Turboverdichter
32: Abgasturbine
34: Welle
36: Ladeluftkühler
37: Abzweigungsstelle
38: Rückführleitung
40: Rückführkühler
42: Regelventil
44: Sperr- und Leiteinrichtung
45: Bypassleitung
46: erste Einmündungsstelle
47: Dreiwegeventil
48: zweite Einmündungsstelle
49: Zustandssensoreneinrichtung
50: Drucksensor
52: elektrische Leitung
54: Steuereinheit
56: Massestrom-Messeinheit
58: Drehzahlmesser
B: Pfeil
p_z1: erster Druck stromaufwärts vom Ladeluftkühler
P_z2: zweiter Druck stromabwärts vom Ladeluftkühler
p_a: Abgasdruck stromabwärts vom Verbrennungsmotor

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

US 2007/0186536 A1 [0003]
DE 60320574 T2 [0003]

Claims

Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs, umfassend – einen Verbrennungsmotor (12), – eine Zuführleitung (16) zum Zuführen von Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor (12), – eine Abführleitung (20) zum Abführen von Abgasen vom Verbrennungsmotor (12), – einen in der Zuführleitung (16) angeordneten Ladeluftkühler (36) zum Kühlen der Verbrennungsluft, – eine von der Abführleitung (20) abzweigende Rückführleitung (38) zum Rückführen des Abgases von der Abführleitung (20) in die Zuführleitung (16), wobei mittels der Rückführleitung (38) das Abgas durch den Ladeluftkühler (36) dem Verbrennungsmotor (12) zuführbar ist, und – eine Bypassleitung (45), mittels welcher das Abgas unter Umgehung des Ladeluftkühlers (36) dem Verbrennungsmotor (12) zuführbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (45) mit der Rückführleitung (38) kommuniziert und die Antriebsvorrichtung (10) eine mit der Rückführleitung (38) und der Bypassleitung (45) zusammenwirkende Sperr- und Leiteinrichtung (44) zum Sperren der Rückführleitung (38) oder zum Leiten des rückgeführten Abgases durch den Ladeluftkühler (36) und/oder unter Umgehung des Ladeluftkühlers (36) zum Verbrennungsmotor (12) aufweist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperr- und Leiteinrichtung (44) eine Stelleinrichtung (47) umfasst, welche in zwei oder mehrere Schaltpositionen stellbar ist, um das rückgeführte Abgas durch den Ladeluftkühler (36) und/oder unter Umgehung des Ladeluftkühlers (36) zum Verbrennungsmotor (12) zu leiten.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (10) eine mit der Rückführleitung (38) zusammenwirkende Mengenregelungseinrichtung (42) zum Einstellen der Menge des rückgeführten Abgases aufweist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (10) einen in der Rückführleitung (38) angeordneten Rückführkühler (40) zum Kühlen des rückgeführten Abgases aufweist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (10) einen Turbolader (26) mit einem in der Zuführleitung (16) angeordneten Turboverdichter (30) zum Verdichten der Verbrennungsluft und eine in der Abführleitung (20) angeordnete Abgasturbine (32) zum Antreiben des Turboladers (26) aufweist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Rückführleitung (38) an einer ersten Einmündungsstelle (46) in die Zuführleitung (16) oder in den Ladeluftkühler (36) mündet und der Turboverdichter (30) in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor (12) gesehen stromaufwärts von der ersten Einmündungsstelle (46) angeordnet ist, und – die Rückführleitung (38) an einer Abzweigungsstelle (37) von der Abführleitung (20) abzweigt und die Abgasturbine (32) in Strömungsrichtung des Abgases vom Verbrennungsmotor (12) weg stromabwärts von der Abzweigungsstelle (37) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführleitung (16) zwischen dem Ladeluftkühler (36) und dem Verbrennungsmotor (12) eine Drosselklappe (18) angeordnet ist, wobei die Bypassleitung (45) an einer zweiten Einmündungsstelle (48) in die Zuführleitung (16) mündet und die zweite Einmündungsstelle (48) entweder zwischen dem Ladeluftkühler (36) und der Drosselklappe (18) oder zwischen der Drosselklappe (18) und dem Verbrennungsmotor (12) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (10) eine Steuereinheit (54) aufweist, mittels welcher die Sperr- und Leiteinrichtung (44) derart ansteuerbar ist, dass in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszustand der Antriebsvorrichtung (10) die Rückführleitung (38) gesperrt oder das rückgeführte Abgas durch den Ladeluftkühler (36) und/oder unter Umgehung des Ladeluftkühlers (36) zum Verbrennungsmotor (12) geleitet wird, wobei der momentane Betriebszustand der Antriebsvorrichtung (10) mittels einer Zustandssensoreneinrichtung (49) bestimmbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandssensoreneinrichtung (49) zumindest einen in der Zuführleitung (16) und/oder in der Abführleitung (20) angeordneten Drucksensor (50) zum Messen des Drucks in der Zuführleitung (16) und/oder in der Abführleitung (20) und/oder zumindest eine Massestrom-Messeinheit (56) zum Messen des Massestroms der durch die Zuführleitung (16) und/oder die Abführleitung (20) strömenden Verbrennungsluft bzw. des Abgases und/oder zumindest einen Drehzahlmesser (58) zum Messen der Drehzahl (n_vm) des Verbrennungsmotors (12) umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 zum Antreiben eines Fahrzeugs, umfassend folgende Schritte: – Bestimmen des momentanen Betriebszustands der Antriebsvorrichtung (10) und Erzeugen von entsprechenden Zustandssignalen mittels der Zustandssensoreneinrichtung (49), – Zuführen der Zustandssignale zu der Steuereinheit (54), – Bestimmen eines ersten Drucks (p_z1) in der Zuführleitung (16) in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor (12) gesehen stromaufwärts des Ladeluftkühlers (36) oder eines zweiten Drucks (p_z2) in der Zuführleitung (16) stromabwärts des Ladeluftkühlers (36) und eines Abgasdrucks (p_a) in der Abführleitung (20) mittels der Steuereinheit (54) unter Berücksichtigung der Zustandssignale, – Vergleichen des ersten Drucks (p_z1) oder des zweiten Drucks (p_z2) mit dem Abgasdruck (p_a), – Ansteuern der Sperr- und Leiteinrichtung (44) mittels der Steuereinheit (54) derart, dass die Sperr- und Leiteinrichtung (44) die Rückführleitung (38) sperrt, wenn der erste Druck (p_z1) oder der zweite Druck (p_z2) größer ist als der Abgasdruck (p_a).
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10 zum Antreiben eines Fahrzeugs, umfassend folgende Schritte: – Bestimmen des momentanen Betriebszustands der Antriebsvorrichtung und Erzeugen von entsprechenden Zustandssignalen mittels der Zustandssensoreneinrichtung (49), – Zuführen der Zustandssignale zu der Steuereinheit (54), – Bestimmen eines ersten Drucks (p_z1) in der Zuführleitung (16) in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor (12) gesehen stromaufwärts des Ladeluftkühlers (36) und eines zweiten Drucks (P_z2) in der Zuführleitung (16) stromabwärts des Ladeluftkühlers (36) und eines Abgasdrucks (p_a) in der Abführleitung (20) mittels der Steuereinheit (54) unter Berücksichtigung der Zustandssignale, – Vergleichen des ersten Drucks (p_z1) und des zweiten Drucks (p_z2) mit dem Abgasdruck (p_a), – Ansteuern der Sperr- und Leiteinrichtung (44) mittels der Steuereinheit (54) derart, dass die Sperr- und Leiteinrichtung (44) die Rückführleitung (38) sperrt, wenn der erste Druck (p_z1) und der zweite Druck (p_z2) größer sind als der Abgasdruck (p_a), oder – die Sperr- und Leiteinrichtung (44) das rückgeführte Abgas unter Umgehung des Ladeluftkühlers (36) zum Verbrennungsmotor (12) leitet, wenn der Abgasdruck (p_a) größer ist als der zweite Druck (p_z2), oder – die Sperr- und Leiteinrichtung (44) das rückgeführte Abgas durch den Ladeluftkühler (36) zum Verbrennungsmotor (12) leitet, wenn der Abgasdruck (p_a) größer ist als der erste Druck (p_z1).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane Betriebszustand der Antriebsvorrichtung (10) – durch Messen des Massestroms der durch die Zuführleitung (16) und/oder die Abführleitung (20) strömenden Verbrennungsluft bzw. des Abgases mittels einer Massenstrom-Messeinheit (56), und/oder – durch Messen der Drehzahl des Verbrennungsmotors (12) mittels eines Drehzahlmessers (58), und/oder – durch Messen des ersten Drucks (p_z1) und/oder des zweiten Drucks (p_z2) mittels eines oder mehrerer entsprechend in der Zuführleitung (16) angeordneten Drucksensoren (50) bestimmt wird.
Computerprogrammprodukt zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 13.
Fahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 und/oder einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 14 betrieben wird.