DE102011108628A1

DE102011108628A1 - Modulare Brennkraftmaschine und Verfahren zur Steuerung der modularen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011108628A1
Application number: DE102011108628A
Authority: DE
Inventors: Dr. Teetz Christoph
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Vorgeschlagen wird eine modulare Brennkraftmaschine (1) mit zuschaltbaren Zylindern (2.1). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinder (2.1) über ein Pleuel (3.1) mit einer Einzelwelle (4.1) zu einem Treibwerksmodul (5.1) trieblich verbunden ist, jedes Triebwerksmodul (5.1) aktivierbar/deaktivierbar ist und jedem Triebwerksmodul (5.1) eine elektrische Maschine zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine modulare Brennkraftmaschine mit zuschaltbaren Zylindern und ein entsprechend angepasstes Verfahren.
Bei dieselelektrischen Antrieben treibt die Brennkraftmaschine einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie an. Die elektrische Energie wiederum wird zum Beispiel über einen Radnabenmotor in mechanischen Vortrieb umgewandelt. In bestimmten Betriebsbereichen oder Fahrzuständen, zum Beispiel bei geringer Leistungsanforderung, werden ein oder mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine abgeschaltet, wodurch der Kraftstoffverbrauch verringert wird. Bei der Zylinderabschaltung wird in die ausgewählten Zylinder kein Kraftstoff mehr eingespritzt. Da aber alle Zylinder über jeweils ein Pleuel mit einer gemeinsamen Kurbelwelle trieblich verbunden sind, müssen die befeuerten Zylinder die nicht befeuerten Zylinder mitschleppen. Hinsichtlich der Energiebilanz von eingesetztem Kraftstoff zu erzeugter elektrischer Energie ist dies nicht zufriedenstellend.
Eine Verbesserung ist beispielsweise in der DE 31 45 381 A1 aufgezeigt, welche eine modulare Brennkraftmaschine mit zuschaltbaren Zylindern offenbart. Bei dieser Brennkraftmaschine sind ein erster und ein zweiter Zylinder über jeweils ein Pleuel mit einer ersten Kurbelwelle trieblich verbunden. Die erste Kurbelwelle ist permanent im Betrieb. Ein dritter und vierter Zylinder sind über jeweils ein Pleuel mit einer zweiten Kurbelwelle verbunden. Die zweite Kurbelwelle und damit der dritte sowie vierte Zylinder werden im hohen Lastbereich der Brennkraftmaschine über eine Kupplung mit der ersten Kurbelwelle gekoppelt. Im niederen Lastbereich hingegen ist die zweite Kurbelwelle mechanisch von der ersten Kurbelwelle entkoppelt. Hinsichtlich der Energiebilanz bietet diese Lösung noch Optimierungsmöglichkeiten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine modulare Brennkraftmaschine mit verbesserte Energiebilanz zu entwerfen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine modulare Brennkraftmaschine mit zuschaltbaren Zylindern, bei der ein Zylinder über ein Pleuel mit einer Einzelwelle zu einem Treibwerksmodul trieblich verbunden ist. Jedes Triebwerksmodul ist für sich aktivierbar/deaktivierbar und jedem Triebwerksmodul ist eine elektrische Maschine zugeordnet. Bei einer Brennkraftmaschine mit zwölf Zylindern sind dies also zwölf aktivierbare/deaktivierbare Triebwerksmodule mit zwölf elektrischen Maschinen. Die elektrische Maschine kann in einer ersten Ausführungsform ein Starter-Generator sein, der mit der Einzelwelle gekoppelt ist. In einer zweiten Ausführungsform wird die elektrische Maschine von einem Anlasser und einer Spule zur Abnahme von elektrischer Energie gebildet, wobei die Spule auf dem kolbenabgewandten Umfang der Zylinderlaufbüchse angeordnet ist. Der Anlasser ist dann mit der Einzelwelle gekoppelt. Gegenüber dem Stand der Technik mit zwei Kurbelwellen, sind bei der erfindungsgemäßen Lösung die Schleppmomente signifikant verringert, was wiederum eine Kraftstoffeinsparung bewirkt. Für den Betreiber sind daher die geringeren Betriebskosten von Vorteil.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein entsprechend angepasstes Verfahren zur Steuerung einer modularen Brennkraftmaschine. Das Steuerungsverfahren besteht darin, dass eine Leistungsabweichung aus einer Soll- und einer Ist-Leistung berechnet wird und in Abhängigkeit der Leistungsabweichung ein stationärer Zustand oder ein instationärer Zustand gesetzt wird. Bei gesetztem instationärem Zustand wird anschließend der Gradient der Soll-Leistung berechnet und mit einem Grenzwert verglichen. Übersteigt der Gradient der Soll-Leistung den Grenzwert, so werden alle Zylinder der Brennkraftmaschine aktiviert. Anderenfalls wird die Anzahl der aktivierten Zylinder in Abhängigkeit der Soll-Leistung berechnet und gegebenenfalls angepasst. Wurde hingegen der stationäre Zustand gesetzt, so wird die aktuelle Anzahl der aktivierten Zylinder beibehalten. Das Verfahren erlaubt einen bedarfsgerechten Betrieb der modularen Brennkraftmaschine und eine präzisere Anpassung an den Leistungswunsch des Betreibers. Gegenüber dem Stand der Technik ist die Reaktionszeit, zum Beispiel bei einer abrupten Erhöhung der Soll-Leistung, aufgrund der geringeren Massen bei der Aktivierung der Zylinder deutlich verkürzt. Von Vorteil ist daher die erhöhte Spontanität.
In den Figuren sind die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen:
1 ein Systemschaubild der ersten Ausführungsform,
2 ein Systemschaubild der zweiten Ausführungsform und
3 einen Programm-Ablaufplan.
Die 1 zeigt ein Systemschaubild einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist eine elektronisch gesteuerte Brennkraftmaschine 1 mit Common-Railsystem und drei identischen Triebwerksmodulen. Die Anzahl der Triebwerksmodule ist als Beispiel zu sehen. Das erste Treibwerksmodul ist mit dem Bezugszeichen 5.1, das zweite Triebwerksmodul mit dem Bezugszeichen 5.2 und das dritte Triebwerksmodul mit dem Bezugszeichen 5.3 gekennzeichnet. Jedes Triebwerksmodul besteht aus einem Zylinder, einem Pleuel und einer Einzelwelle. Für das erste Treibwerksmodul 5.1 sind dies entsprechend der erste Zylinder 2.1, das erste Pleuel 3.1 und die erste Einzelwelle 4.1. Jeder Zylinder ist über das Pleuel mit der Einzelwelle kraftschlüssig verbunden.
Die allgemeine Funktionalität des Common-Railsystems wird als bekannt vorausgesetzt. Bekanntermaßen umfasst das Common-Railsystem als mechanische Komponenten eine Niederdruckpumpe 7 zur Förderung von Kraftstoff aus einem Tank 6, eine Saugdrossel 8 zur Beeinflussung des Volumenstroms, eine Hochdruckpumpe 9, ein Rail 10 und Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1. So wird zum Beispiel über einen ersten Injektor 11.1 der Kraftstoff in den Brennraum des ersten Triebwerkmoduls 5.1 eingespritzt. Optional kann das dargestellte Common-Railsystem auch als Common-Railsystem mit Einzelspeichern ausgeführt sein. In diesem Fall ist dann in jedem Injektor ein Einzelspeicher als zusätzliches Puffervolumen für den Kraftstoff integriert. Beispielsweise im ersten Injektor 11.1 ist dies der erste Einzelspeicher 12.1.
Gesteuert wird die Brennkraftmaschine 1 über ein elektronisches Motorsteuergerät 13 (ECU). In der 1 sind als Eingangsgrößen des elektronischen Motorsteuergeräts 13 exemplarisch ein Raildruck pCR, eine Soll-Leistung P(SL) und eine Größe EIN dargestellt. Die Soll-Leistung P(SL) wird als Leistungswunsch entweder durch einen Bediener oder durch einen Anlagenregler vorgegeben. Der Raildruck pCR wird über einen Raildrucksensor 14 erfasst. Die Größe EIN steht stellvertretend für die weiteren Eingangssignale, beispielsweise für eine Motordrehzahl und die Rückmeldung eines Energiemanagers 16. Bei einem Common-Railsystem mit Einzelspeichern ist der Einzelspeicherdruck eine weitere Eingangsgröße des elektronischen Motorsteuergeräts 13. Beispielsweise der erste Einzelspeicherdruck pE1 des ersten Injektors 11.1. Die dargestellten Ausgangsgrößen des elektronischen Motorsteuergeräts 13 sind ein PWM-Signal SD zur Ansteuerung der Saugdrossel 8, ein leistungsbestimmendes Signal zur Ansteuerung eines Injektors und eine Größe AUS. Die Größe AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise ein Stellsignal zur Ansteuerung eines AGR-Ventils. Unter leistungsbestimmendem Signal sind der Spritzbeginn und die Spritzdauer zu verstehen. Entsprechend wird der erste Injektor 11.1 mit dem ersten leistungsbestimmenden Signal ve1, der zweite Injektor 11.2 mit dem zweiten leistungsbestimmenden Signal ve2 und der dritte Injektor 11.3 mit dem dritten leistungsbestimmenden Signal ve3 angesteuert. Soll beispielsweise das erste Triebwerksmodul 5.1 deaktiviert werden, so wird die Einspritzung über den ersten Injektor 11.1 deaktiviert. Im deaktivierten Zustand nimmt der erste Zylinder 2.1 und die erste Einzelwelle 4.1 eine ortsfeste Position ein.
Jedem Triebwerksmodul ist eine elektrische Maschine zugeordnet. In der ersten Ausführungsform nach 1 ist die elektrische Maschine ein Starter-Generator. Im Falle des ersten Triebwerksmoduls 5.1 ist dies der erste Starter-Genertor 15.1, welcher von der ersten Einzelwelle 4.1 angetrieben wird. Jeder Starter-Generator wiederum wird über den Energiemanager 16 in seiner Funktion als Starter angesteuert oder in seiner Funktion als Generator überwacht. Den Energiemanager 16 verteilt die elektrische Energie an die elektrischen Antriebsmotoren, zum Beispiel Radnabenmotor, und meldet dem elektronischen Motorsteuergerät 13 den Zustand der Starter-Generatoren. Im praktischen Betrieb werden die aktivierten Zylinder in der Art zu einander synchronisiert, dass die nach außen wirksamen Kräfte und Momente minimiert werden. Durch diese Maßnahme wird eine gleichbleibend gute Laufruhe gewährleistet.
Die 2 zeigt ein Systemschaubild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist eine elektronisch gesteuerte Brennkraftmaschine 1 mit Common-Railsystem und drei Zylindern. Identische Bauteile zur 1 sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Die zweite Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die elektrische Maschine hier als Anlasser und Spule ausgebildet ist. Für das erste Triebwerksmodul 5.1 sind dies also der erste Anlasser 17.1 und die erste Spule 18.1. Die Spule 18.1 ist auf dem kolbenabgewandten Umfang der ersten Zylinderlaufbüchse 19.1 angeordnet. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind die Kühlkanäle in der Darstellung weggelassen. Aufgrund der oszillierenden Bewegung des ersten Zylinders 2.1 wird in der ersten Spule 18.1 eine entsprechende Spannung U1 induziert. Die Anlasser 17.1 bis 17.3 und die Spulen werden auch bei dieser Ausführungsform vom Energiemanager 16 angesteuert und überwacht.
In der 5 ist das Verfahren zur Steuerung einer modularen Brennkraftmaschine in einem Programm-Ablaufplan als Unterprogramm UP dargestellt. Das Verfahren kann gleichermaßen auf die erste Ausführungsform nach 1 als auch auf die zweite Ausführungsform nach 2 angewendet werden. Bei S1 wird die Soll-Leistung P(SL) eingelesen, welche entweder über einen Bediener, zum Beispiel als Fahrpedalstellung, oder über einen Anlagenregler vorgegeben wird. Im Anschluss wird bei S2 die Ist-Leistung P(IST) ermittelt und mit der Soll-Leistung P(SL) bei S3 verglichen. Hieraus resultiert die Leistungsabweichung dP. Bei S4 wird dann die Leistungsabweichung dP mit einem ersten Grenzwert GW1 verglichen. Ist die Leistungsabweichung dP größer/gleich dem ersten Grenzwert GW1, Abfrageergebnis S4: ja, so wird der Programmteil S5 bis S9 durchlaufen. Anderenfalls der Programmteil mit S10 und S11. Wurde bei S4 festgestellt, dass die Leistungsabweichung dP den ersten Grenzwert GW1 überschritten hat, so wird bei S5 der instationäre Zustand gesetzt und bei S6 der Gradient GRAD der Soll-Leistung P(SL) berechnet. Übersteigt der Gradient GRAD der Soll-Leistung P(SL) einen Grenzwert GW, Abfrageergebnis S7: ja, so werden bei S8 alle Zylinder aktiviert (nZYL = MAX), indem in einem ersten Schritt ein bisher deaktivierter Zylinder über den Starter-Generator in Bewegung versetzt wird und nach einer Synchronisierungsphase in einem zweiten Schritt über den Injektor Kraftstoff eingespritzt wird. Danach wird ins Hauptprogramm zurückgekehrt. Ist hingegen der Gradient GRAD der Soll-Leistung P(SL) kleiner als der Grenzwert GW, Abfrageergebnis S7: nein, so wird bei S9, die Anzahl nZYL der aktivierten Zylinder in Abhängigkeit der Soll-Leistung P(SL) zum Beispiel über eine Kennlinie berechnet. Danach wird ins Hauptprogramm zurückgekehrt.
Wurde bei S4 hingegen festgestellt, dass die Leistungsabweichung dP kleiner als der erste Grenzwert GW1 ist, Abfrageergebnis S4: nein, so wird bei S10 der stationäre Zustand gesetzt und bei S11 die Anzahl nZYL der aktivierten Zylinder beibehalten. Danach wird ins Hauptprogramm zurückgekehrt.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2.1: erster Zylinder
3.1: erstes Pleuel
4.1: erste Einzelwelle
5.1: erstes Triebwerksmodul
5.2: zweites Triebwerksmodul
5.3: drittes Triebwerksmodul
6: Tank
7: Niederdruckpumpe
8: Saugdrossel
9: Hochdruckpumpe
10: Rail
11.1: erster Injektor
11.2: zweiter Injektor
11.3: dritter Injektor
12.1: erster Einzelspeicher
13: elektronisches Motorsteuergerät (ECU)
14: Raildrucksensor
15.1: erster Starter-Generator
15.2: zweiter Starter-Generator
15.3: dritter Starter-Generator
16: Energiemanager
17.1: erster Anlasser
18.1: erste Spule
19.1: erste Zylinderlaufbüchse

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 3145381 A1 [0003]

Claims

Modulare Brennkraftmaschine (1) mit zuschaltbaren Zylindern (2.1) dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinder (2.1) über ein Pleuel (3.1) mit einer Einzelwelle (4.1) zu einem Treibwerksmodul (5.1) trieblich verbunden ist, jedes Triebwerksmodul (5.1) aktivierbar/deaktivierbar ist und jedem Triebwerksmodul (5.1) eine elektrische Maschine zugeordnet ist.
Modulare Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Starter-Generator (15.1) ist und der Starter-Generator (15.1) mit der Einzelwelle (4.1) gekoppelt ist.
Modulare Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine aus einem Anlasser (17.1) und einer Spule (18.1) zur Abnahme von elektrischer Energie besteht, wobei der Anlasser (17.1) mit der Einzelwelle (4.1) gekoppelt ist und die Spule (18.1) auf dem kolbenabgewandten Umfang der Zylinderlaufbüchse (19.1) angeordnet ist.
Modulare Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im deaktivierten Zustand der Zylinder (2.1) und die Einzelwelle (4.1) eine ortsfeste Position einnehmen.
Modulare Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiemanager (16) zur Bestimmung des Zustands der elektrischen Maschine vorgesehen ist.
Verfahren zur Steuerung einer modularen Brennkraftmaschine (1) mit den Merkmalen von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsabweichung (dP) aus einer Soll-Leistung (P(SL)) und einer Ist-Leistung (P(IST)) berechnet wird und in Abhängigkeit der Leistungsabweichung (dP) ein stationärer Zustand oder ein instationärer Zustand gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei gesetztem instationärem Zustand der Gradient (GRAD) der Soll-Leistung (P(SL)) berechnet wird, der Gradient (GRAD) mit einem Grenzwert (GW) verglichen wird und alle Zylinder (2.1) der Brennkraftmaschine (1) aktiviert werden, wenn der Gradient (GRAD) der Soll-Leistung (P(SL)) größer/gleich als der Grenzwert (GW) wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (nZYL) der aktivierten Zylinder (2.1) in Abhängigkeit der Soll-Leistung (P(SL)) berechnet wird, wenn der Gradient (GRAD) der Soll-Leistung (P(SL)) kleiner als der Grenzwert (GW) wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei gesetztem stationärem Zustand die Anzahl (nZYL) der aktivierten Zylinder (2.1) beibehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über den Energiemanager (16) die Energie an die elektrischen Antriebsmotoren verteilt wird.