DE102017200796A1 - Internal combustion engine with electrically driven compressor in the intake system and method for starting such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder (1, 2, 3, 4), bei der- jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem (5) anschließt,- jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (6) anschließt,- mindestens eine Abgasrückführung (13) vorgesehen ist, und- ein elektrisch antreibbarer Verdichter (8) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.Es soll eine Brennkraftmaschine (10) der genannten Art bereitgestellt werden, mit der sich ein verbessertes Kaltstartverhalten realisieren lässt.Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine (10) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine erste Bypassleitung (9) vorgesehen ist, die stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (9a) vom Ansaugsystem (5) abzweigt und stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (9b) in das Ansaugsystem (5) einmündet.The invention relates to an internal combustion engine (10) having at least one cylinder head comprising at least one cylinder (1, 2, 3, 4), in which each cylinder (1, 2, 3, 4) has at least one inlet opening, to which a suction line for supplying air via intake system (5), - each cylinder (1, 2, 3, 4) has at least one outlet opening, to which an exhaust pipe for discharging the exhaust gases via Abgasabführsystem (6) connects, - at least one exhaust gas recirculation (13 An electrically drivable compressor (8) is arranged in the intake system (5). An internal combustion engine (10) of the type mentioned is to be provided, with which an improved cold start behavior can be realized. This object is achieved by an internal combustion engine (10) of the said type, characterized in that a first bypass line (9) is provided downstream of the electrically driven compressor (8) to form a It branches off the first node (9a) from the intake system (5) and opens upstream of the electrically driven compressor (8) to form a second node (9b) in the intake system (5).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der
- - jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem anschließt,
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
- - mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, und
- - ein elektrisch antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist.
- each cylinder has at least one inlet opening, followed by an intake line for supplying air via the intake system,
- each cylinder has at least one outlet opening adjoined by an exhaust pipe for discharging the exhaust gases via the exhaust gas removal system,
- - At least one exhaust gas recirculation is provided, and
- - An electrically drivable compressor is arranged in the intake system.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten einer derartigen Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to a method for starting such an internal combustion engine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes diesel engines, but also gasoline engines and hybrid internal combustion engines, d. H. Internal combustion engines, which are operated with a hybrid combustion process, and hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine include a drive motor-connectable with the electric motor, which receives power from the internal combustion engine or emits additional power as a switchable auxiliary drive.
Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.Internal combustion engines are increasingly equipped with a charge, the charge is primarily a method of increasing performance, in which the charge air required for the engine combustion process is compressed, whereby each cylinder per cycle a larger charge air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. If the cubic capacity is reduced, the load spectrum can be shifted to higher loads at the same vehicle boundary conditions, where the specific fuel consumption is lower. The charging of an internal combustion engine thus supports the efforts to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.By means of a suitable transmission design, a so-called downspeeding can additionally be realized, as a result of which a lower specific fuel consumption is likewise achieved. Downspeeding exploits the fact that the specific fuel consumption at low speeds is regularly lower, especially at higher loads.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.With targeted design of the charge also benefits in the exhaust emissions can be achieved. Thus, by means of suitable charging, for example in the diesel engine, the nitrogen oxide emissions can be reduced without sacrificing efficiency. At the same time, the hydrocarbon emissions can be favorably influenced. The emissions of carbon dioxide, which correlate directly with fuel consumption, also decrease with decreasing fuel consumption.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.Frequently, an exhaust gas turbocharger is used for charging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in the turbine, causing the shaft to rotate. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved. Advantageously, a charge air cooler is provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before entering the cylinder. The radiator lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the cooler to a better filling of the cylinder, d. H. contributes to a larger air mass. There is a compaction by cooling.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem Lader, der mittels Hilfsantrieb angetrieben wird, besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d. h. mindert.The advantage of an exhaust gas turbocharger in comparison to a supercharger which is driven by means of an auxiliary drive is that an exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases, while a supercharger obtains the energy required for its drive directly or indirectly from the internal combustion engine and thus, at least as long the drive energy does not come from an energy recovery, adversely affects the efficiency, d. H. decreases.
Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader bzw. Verdichter handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum nachteilig beeinflusst bzw. bestimmt.If it is not an electric machine, d. H. is electrically driven supercharger or compressor is regularly a mechanical or kinematic connection for power transmission between the supercharger and the internal combustion engine is required, which also adversely affects or determines the packaging in the engine compartment.
Der Vorteil eines mittels Hilfsantrieb antreibbaren Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht wiederum darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar nahezu verzögerungsfrei und unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist. The advantage of a supercharger drivable by means of an auxiliary drive compared to an exhaust gas turbocharger, in turn, is that the supercharger can always generate and provide the required boost pressure, and indeed almost instantaneously and independently of the operating state of the internal combustion engine. This is especially true for a loader that is electrically driven by electric motor and therefore independent of the speed of the crankshaft.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen und insbesondere verzögerungsfrei zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.In fact, according to the state of the art, it is difficult to increase the power by means of turbocharging in all engine speed ranges and, in particular, without delay. It is observed a greater torque drop when falling below a certain speed. This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio or the turbine output. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio or a smaller turbine power. Consequently, the boost pressure ratio also decreases toward lower speeds. This is synonymous with a torque drop.
Eine mittels Abgasturboaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine leidet grundsätzlich darunter, dass bei einer erhöhten Lastanforderung zunächst die Turbinenleistung gesteigert werden muss, um die erforderliche Antriebsleistung für den Verdichter bereitstellen zu können. Dies führt im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine zu einem gewissen Verzögerungseffekt, der unerwünscht ist.A supercharged by turbocharging internal combustion engine suffers in principle that at an increased load requirement, first the turbine power must be increased in order to provide the required drive power for the compressor can. This leads in the transient operation of the internal combustion engine to a certain delay effect, which is undesirable.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens einen elektrisch antreibbaren Verdichter und ist damit zumindest eine aufladbare Brennkraftmaschine, vorzugsweise eine aufgeladene Brennkraftmaschine. Daher wird ein gegebenenfalls im Ansaugsystem vorgesehener Kühler auch als Ladeluftkühler und die via Ansaugsystem zugeführte Luft auch als Ladeluft bezeichnet.The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has at least one electrically drivable compressor and is thus at least one rechargeable internal combustion engine, preferably a supercharged internal combustion engine. Therefore, a cooler optionally provided in the intake system is also referred to as a charge air cooler and the air supplied via the intake system is also referred to as charge air.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.In the development of internal combustion engines, efforts are constantly being made to minimize fuel consumption. In addition, the aim is to reduce pollutant emissions in order to be able to comply with future limit values for pollutant emissions.
Um die vorstehend genannte Ziele zu erreichen, sind neben einer gegebenenfalls vorgenommenen Aufladung weitere Maßnahmen erforderlich, beispielsweise die Rückführung heißer Abgase von der Auslassseite auf die Einlassseite, wodurch die Stickoxidemissionen gesenkt werden können. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich.In order to achieve the above-mentioned objectives, additional measures are required in addition to any charge made, for example, the return of hot exhaust gases from the exhaust side to the inlet side, whereby the nitrogen oxide emissions can be reduced. In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required.
Um den Kraftstoffverbrauch und damit auch die Schadstoffemissionen zu mindern, ist es grundsätzlich sinnvoll, die Reibleistung einer Brennkraftmaschine zu minimieren.In order to reduce the fuel consumption and thus also the pollutant emissions, it makes sense in principle to minimize the friction of an internal combustion engine.
Hinsichtlich der Reduzierung der Reibleistung sind eine zügige Erwärmung des Motoröls und eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern.With regard to the reduction of friction losses, rapid heating of the engine oil and rapid heating of the internal combustion engine, especially after a cold start, are expedient. Rapid heating of the engine oil during the warm-up phase of the internal combustion engine ensures a correspondingly rapid decrease in viscosity and thus a reduction in the friction or friction power, especially in the oil-supplied bearings.
Die zügige Erwärmung des Motoröls wird durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine als solche forciert. Daher wird bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart regelmäßig eine No-Flow-Strategie realisiert, gemäß der eine Zirkulation des Kühlmittels verhindert wird, um die Wärmeabfuhr infolge Konvektion zu unterbinden. Zusätzlich erhitzt sich das in den Kühlmittelkanälen bzw. Kühlmittelmänteln stehende Kühlmittel im Rahmen einer No-Flow-Strategie schneller, da die im Zylinderkopf und/oder Zylinderblock in das Kühlmittel eingetragene Wärme dem Kühlmittel nicht in einem Wärmetauscher wieder entzogen wird. Das wärmere Kühlmittel sorgt bei einer Freigabe der Kühlmittelzirkulation dann wiederum für eine schnellere Aufheizung der übrigen bzw. gesamten Brennkraftmaschine.The rapid heating of the engine oil is forced by a rapid heating of the internal combustion engine as such. Therefore, in a liquid-cooled internal combustion engine during the warm-up phase or after a cold start, a no-flow strategy is regularly implemented, according to which a circulation of the coolant is prevented in order to prevent the heat dissipation due to convection. In addition, the standing in the coolant channels or coolant shells coolant heats faster under a no-flow strategy, since the registered in the cylinder head and / or cylinder block in the coolant heat is not removed from the coolant in a heat exchanger again. The warmer coolant ensures when releasing the coolant circulation in turn for faster heating of the rest or entire internal combustion engine.
Trotz der vorstehend beschriebenen Konzepte sind weitere Maßnahmen erforderlich, um das Kaltstartverhalten einer Brennkraftmaschine zu verbessern.Despite the concepts described above, further measures are required to improve the cold start behavior of an internal combustion engine.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der sich ein verbessertes Kaltstartverhalten realisieren lässt.Against the background of the above, it is an object of the present invention to provide an internal combustion engine according to the preamble of
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Starten einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.Another object of the present invention is to provide a method for starting such an internal combustion engine.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der
- - jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem anschließt,
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
- - mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, und
- - ein elektrisch antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist,
- - each cylinder has at least one inlet opening, followed by a suction line for supplying air via the intake system,
- each cylinder has at least one outlet opening adjoined by an exhaust pipe for discharging the exhaust gases via the exhaust gas removal system,
- - At least one exhaust gas recirculation is provided, and
- an electrically drivable compressor is arranged in the intake system,
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einem elektrisch antreibbaren Verdichter ausgestattet, der zwar grundsätzlich auch zur Aufladung der Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann, erfindungsgemäß aber primär dem Zweck dient, im Rahmen eines Startvorganges bei nicht aufgeheizter Brennkraftmaschine mittels Kompression Wärme in die im Ansaugsystem befindliche Luft einzutragen, so dass im Ansaugsystem erwärmte Luft, d. h. Luft mit erhöhter Temperatur, zirkuliert bzw. bereitgestellt wird. Dadurch kann das Ansaugsystem als solches erwärmt bzw. dem mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine beim Starten erwärmte bzw. wärmere Luft zugeführt werden.The internal combustion engine according to the invention is equipped with an electrically driven compressor, which may in principle also be used to charge the internal combustion engine, but according to the invention primarily serves the purpose of entering in a non-heated internal combustion engine in a startup process by means of compression heat in the air in the intake system, so that in the intake system heated air, d. H. Air at elevated temperature, circulated or provided. As a result, the intake system can be heated as such or heated or warmed air can be supplied to the at least one cylinder of the internal combustion engine when starting.
Infolgedessen lassen sich insbesondere die einen Zylinder begrenzenden Bauteile und Komponenten erwärmen, nämlich der Zylinderblock, der zylinderzugehörige Kolben, der Zylinderkopf, die zylinderzugehörigen Steuerorgane für den Ladungswechsel sowie das sich an den Zylinder anschließende Abgasabführsystem mitsamt Abgasnachbehandlungssystemen.As a result, in particular, the cylinder-limiting components and components can be heated, namely the cylinder block, the cylinder-associated piston, the cylinder head, the cylinder-related control elements for the gas exchange and the adjoining the cylinder Abgasabführsystem complete with exhaust aftertreatment systems.
Dem mindestens einen Zylinder wird beim Starten aber nur dann Luft zugeführt, wenn der elektrisch antreibbare Verdichter aktiviert und betrieben wird, während die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine unter Verwendung einer Startvorrichtung zwangsweise in Drehung versetzt wird bzw. die Brennkraftmaschine befeuert wird und die Ventiltriebe infolge der Kurbelwellenrotation betätigt werden und die zylinderzugehörigen Öffnungen für einen Gasaustausch freigeben.However, air is supplied to the at least one cylinder when starting only when the electrically drivable compressor is activated and operated, while the crankshaft of the internal combustion engine is forcibly rotated using a starting device or the internal combustion engine is fired and actuates the valve trains as a result of the crankshaft rotation and release the cylinder-associated openings for gas exchange.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einer ersten Bypassleitung ausgestattet, die dazu dient, die erwärmte Luft mittels des elektrisch antreibbaren Verdichters im Kreis zu fördern bzw. zirkulieren zu lassen.The internal combustion engine according to the invention is equipped with a first bypass line, which serves to promote or circulate the heated air by means of the electrically driven compressor in a circle.
Hierzu zweigt die erste Bypassleitung stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem ab und mündet stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem ein.For this purpose, the first bypass line branches off downstream of the electrically driven compressor to form a first node from the intake system and flows upstream of the electrically driven compressor to form a second node in the intake system.
Der elektrisch antreibbare Verdichter erwärmt die im Ansaugsystem befindliche Luft im Rahmen der Kompression und fördert die erwärmte Luft via Bypassleitung zurück auf seine Saugseite, d. h. an seinen Eintritt, und/oder führt die erwärmte Luft via Ansaugsystem dem mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine zu.The electrically driven compressor heats the air in the intake system as part of the compression and conveys the heated air via the bypass line back to its suction side, d. H. at its entrance, and / or leads the heated air via the intake system to the at least one cylinder of the internal combustion engine.
Der elektrisch antreibbare Verdichter zeichnet sich dadurch aus, dass seine Antriebleistung nicht direkt und zeitgleich von der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird bzw. werden muss, weshalb der elektrisch antreibbare Verdichter auch dann zur Kompression bzw. für den Wärmeeintrag genutzt werden kann, wenn die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist, nicht befeuert wird bzw. die Kurbelwelle stillsteht.The electrically drivable compressor is characterized in that its drive power is not provided directly or at the same time by the internal combustion engine, which is why the electrically drivable compressor can also be used for compression or for heat input when the internal combustion engine is switched off, is not fired or the crankshaft is stationary.
Der elektrisch antreibbare Verdichter wird abgeschaltet, sobald der vorstehend beschriebene Bedarfsfall nicht mehr besteht.The electrically drivable compressor is switched off as soon as the above-described requirement no longer exists.
Der elektrisch antreibbare Verdichter kann auch im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, um das instationäre Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine sowie die Drehmomentcharakteristik bei niedrigen Drehzahlen bzw. geringen Abgasmengen zu verbessern.The electrically driven compressor can also be used in normal operation of the internal combustion engine to improve the transient operating behavior of the internal combustion engine and the torque characteristic at low speeds or small amounts of exhaust gas.
Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine kann die erste Bypassleitung wieder zur Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters genutzt werden, wobei die Luft dem Ansaugsystem dann auch gegebenenfalls stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters entnommen und stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters wieder zugeführt wird.In normal operation of the internal combustion engine, the first bypass line can again be used to bypass the electrically driven compressor, wherein the air is then optionally taken from the intake system upstream of the electrically driven compressor and fed back downstream of the electrically driven compressor.
Bezüglich der Aufladung einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine besteht der Vorteil des elektrisch antreibbaren Verdichters darin, dass der elektrisch antreibbare Verdichter - im Gegensatz zum Abgasturbolader - den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei geringen Abgasmengen bzw. niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle und dies bei Anforderung nahezu verzögerungsfrei.With regard to the charging of an internal combustion engine in operation, the advantage of the electrically driven compressor is that the electrically driven compressor - in contrast to the exhaust gas turbocharger - can generate and provide the required charge pressure regardless of the current operating state of the internal combustion engine, especially with low amounts of exhaust gas or Low speed of the crankshaft and this request almost instantaneous.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der sich ein verbessertes Kaltstartverhalten realisieren lässt. Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst. With the internal combustion engine according to the invention an internal combustion engine according to the preamble of
Erfindungsgemäß ist mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen, die eine Rückführleitung umfasst, welche vom Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem einmündet. Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen, ist ein geeignetes Mittel die Stickoxidemissionen zu reduzieren, wobei mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können.According to the invention, at least one exhaust gas recirculation is provided, which comprises a return line, which branches off from the exhaust gas removal system and opens into the intake system. The exhaust gas recirculation, d. H. the recirculation of combustion gases, is a suitable means to reduce the nitrogen oxide emissions, and with increasing exhaust gas recirculation rate, the nitrogen oxide emissions can be significantly reduced.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung kann sich ein Konflikt ergeben, falls gleichzeitig eine Abgasrückführung eingesetzt wird, da - abhängig von der Anordnung der Rückführleitung - das rückgeführte Abgas gegebenenfalls stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht.When operating an internal combustion engine with turbocharging a conflict may arise if at the same time an exhaust gas recirculation is used because - depending on the arrangement of the return line - the recirculated exhaust gas is optionally taken upstream of the turbine from the Abgasabführsystem and is no longer available to drive the turbine ,
Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt dann der verbleibende der Turbine zugeführte Abgasstrom ab. Der kleinere Abgasmassenstrom durch die Turbine führt zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Mit abnehmendem Turbinendruckverhältnis nimmt das Ladedruckverhältnis ebenfalls ab, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzliche Probleme beim Betrieb des Verdichters des Abgasturboladers hinsichtlich der Pumpgrenze des Verdichters einstellen.With an increase in the exhaust gas recirculation rate then decreases the remaining of the turbine exhaust gas flow supplied. The smaller exhaust gas mass flow through the turbine leads to a smaller turbine pressure ratio. With decreasing turbine pressure ratio, the boost pressure ratio also decreases, which is synonymous with a smaller compressor mass flow. In addition to the decreasing boost pressure, additional problems may arise in the operation of the compressor of the exhaust gas turbocharger with regard to the surge limit of the compressor.
Aus diesem Grund sind Aufladekonzepte erforderlich, die - insbesondere im Teillastbereich - ausreichend hohe Ladedrücke bei gleichzeitig hohen Abgasrückführraten sicherstellen. Der Teillastbereich ist insbesondere aufgrund der für die Bestimmung der Schadstoffemissionen vorgeschriebenen gesetzlichen Abgastests von hoher Relevanz. Grundsätzlich werden aber unter allen Betriebsbedingungen ausreichend hohe Ladedrücke und hohe Abgasrückführraten angestrebt.For this reason, supercharging concepts are required which ensure sufficiently high charge pressures and at the same time high exhaust gas recirculation rates, in particular in the partial load range. The part-load range is of high relevance, in particular due to the statutory exhaust gas tests required for the determination of pollutant emissions. In principle, however, sufficiently high boost pressures and high exhaust gas recirculation rates are aimed at under all operating conditions.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die erste Bypassleitung mit einem ersten Absperrelement ausgestattet ist.Embodiments of the internal combustion engine in which the first bypass line is equipped with a first shut-off element are advantageous.
Das erste Absperrelement gestattet durch Öffnen die Freigabe der ersten Bypassleitung und damit das Rückführen von erwärmter Luft mittels elektrisch antreibbaren Verdichter, falls die erwärmte Luft zirkulieren soll. Mit diesem Absperrelement lässt sich insbesondere die mittels elektrisch antreibbaren Verdichter rückgeführte Luftmenge steuern, d. h. einstellen, und damit auch die dem mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine gegebenenfalls zugeführte Luftmenge.The first shut-off allows by opening the release of the first bypass line and thus the return of heated air by means of electrically driven compressor, if the heated air is to circulate. With this shut-off element, in particular, the amount of air recirculated by means of electrically driven compressors can be controlled, ie. H. set, and thus also the at least one cylinder of the internal combustion engine optionally supplied amount of air.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist.Embodiments of the internal combustion engine in which a charge air cooler is arranged in the intake system downstream of the electrically drivable compressor are advantageous.
Grundsätzlich kann der elektrisch antreibbare Verdichter stromabwärts oder stromaufwärts eines Ladeluftkühlers angeordnet sein, wobei der elektrisch antreibbare Verdichter vorzugsweise stromaufwärts des Ladeluftkühlers angeordnet ist, damit die mittels Verdichter komprimierte Luft im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine, wenn die in Betrieb befindliche Brennkraftmaschine aufgeladen werden soll, vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder im Ladeluftkühler gekühlt werden kann.In principle, the electrically drivable compressor can be arranged downstream or upstream of an intercooler, wherein the electrically drivable compressor is preferably arranged upstream of the intercooler, so that the compressor-compressed air during normal operation of the internal combustion engine, when the internal combustion engine is to be charged before entering the at least one cylinder in the intercooler can be cooled.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des Ladeluftkühlers unter Ausbildung eines dritten Knotenpunktes vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts des Ladeluftkühlers unter Ausbildung eines vierten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.Advantageous in this context are embodiments of the internal combustion engine in which a second bypass line is provided which branches off upstream of the charge air cooler to form a third node from the intake system and opens downstream of the intercooler to form a fourth node in the intake system.
Die zweite Bypassleitung gestattet die Umgehung des Ladeluftkühlers, falls die komprimierte bzw. erwärmte Luft nicht gekühlt werden soll, beispielsweise nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine.The second bypass line allows the bypass of the charge air cooler, if the compressed or heated air is not to be cooled, for example, after a cold start or in the warm-up phase of the internal combustion engine.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Bypassleitung mit einem zweiten Absperrelement ausgestattet ist.Embodiments of the internal combustion engine in which the second bypass line is equipped with a second shut-off element are advantageous.
Das zweite Absperrelement gestattet durch Öffnen die Freigabe der zweiten Bypassleitung und damit das Umgehen des Ladeluftkühlers, falls die erwärmte Luft nicht gekühlt werden soll. Mit diesem Absperrelement lässt sich die am Ladeluftkühler vorbei geführte Luftmenge steuern, d. h. einstellen.The second shut-off allows by opening the release of the second bypass line and thus bypassing the intercooler, if the heated air should not be cooled. With this shut-off can be controlled by the intercooler guided air flow, d. H. to adjust.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das zweite Absperrelement an dem dritten Knotenpunkt angeordnet ist und bei Freigabe der zweiten Bypassleitung gleichzeitig den Zustrom zum Ladeluftkühler entsprechend verringert bzw. vollständig unterbindet.In this context, embodiments of the internal combustion engine may be advantageous in which the second shut-off element is arranged at the third node and at the same time reduces or completely suppresses the inflow to the intercooler when the second bypass line is released.
Verfügt die Brennkraftmaschine über einen Ladeluftkühler, der stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters im Ansaugsystem angeordnet ist, können Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen die erste Bypassleitung stromaufwärts des Ladeluftkühlers unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem abzweigt. If the internal combustion engine has an intercooler, which is arranged downstream of the electrically driven compressor in the intake system, embodiments may be advantageous in which the first bypass line branches off from the intake system upstream of the intercooler, forming a first node.
Verfügt die Brennkraftmaschine über einen Ladeluftkühler, der stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters im Ansaugsystem angeordnet und mit einer zweiten Bypassleitung ausgestattet ist, können Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen die erste Bypassleitung unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes von der zweiten Bypassleitung abzweigt.If the internal combustion engine has an intercooler, which is arranged downstream of the electrically driven compressor in the intake system and equipped with a second bypass line, embodiments may be advantageous in which the first bypass line branches off from the second bypass line to form a first node.
Verfügt die Brennkraftmaschine über einen Ladeluftkühler, der stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters im Ansaugsystem angeordnet und mit einer zweiten Bypassleitung ausgestattet ist, können auch Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen die erste Bypassleitung stromabwärts des Ladeluftkühlers unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem abzweigt.If the internal combustion engine has an intercooler, which is arranged downstream of the electrically driven compressor in the intake system and equipped with a second bypass line, embodiments may also be advantageous in which the first bypass line branches off downstream of the intercooler to form a first node from the intake system.
Die drei vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ermöglichen allesamt, dass die mittels elektrisch antreibbaren Verdichter erwärmte Luft, ohne im Ladeluftkühler gekühlt zu werden, auf die Einlassseite bzw. Saugseite des elektrisch antreibbaren Verdichters zurückgeführt wird, d. h. stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet wird.The three embodiments described above all allow the air heated by means of electrically driven compressors, without being cooled in the charge air cooler, to be returned to the inlet side or suction side of the electrically driven compressor, i. H. is introduced upstream of the electrically driven compressor in the intake system.
Zweigt die erste Bypassleitung stromabwärts des Ladeluftkühlers unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem ab, ist es hierzu sinnvoll, die erwärmte Luft zuvor via zweiter Bypassleitung am Ladeluftkühler vorbei zu führen.Branches the first bypass line downstream of the intercooler to form a first node from the intake from, it makes sense for this purpose to pass the heated air previously via the second bypass line to the charge air cooler over.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst. Hinsichtlich der Abgasturboaufladung wird Bezug genommen auf die bereits gemachten Ausführungen.Embodiments of the internal combustion engine in which at least one exhaust-gas turbocharger is provided, which comprises a turbine arranged in the exhaust-gas removal system and a compressor arranged in the intake system, are advantageous. With regard to the exhaust gas turbocharger, reference is made to the statements already made.
Die Drehmomentcharakteristik einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden.The torque characteristic of an exhaust-gas-charged internal combustion engine can be improved by various measures.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen weniger zufriedenstellend ist.For example, by a small design of the turbine cross-section and simultaneous Abgasabblasung. Such a turbine is also referred to as a waste gate turbine. If the exhaust gas mass flow exceeds a critical size, part of the exhaust gas flow is conducted past the turbine by means of a bypass line as part of the so-called exhaust gas blow-off. This approach has the disadvantage that the charging behavior at higher speeds or larger amounts of exhaust gas is less satisfactory.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld bzw. Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.The torque characteristic can also be advantageously influenced by means of a plurality of exhaust-gas turbochargers connected in series. By switching in series of two exhaust gas turbochargers, one of which is an exhaust gas turbocharger as a high pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low pressure stage, the engine map or compressor map can be widened in an advantageous manner both towards smaller compressor streams and towards larger compressor streams.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.In particular, in the case of the exhaust gas turbocharger serving as a high-pressure stage, the pumping limit can be shifted towards smaller compressor flows, which means that high boost pressure ratios can be achieved even with small compressor flows, which significantly improves the torque characteristic in the lower rpm range. This is achieved by designing the high-pressure turbine for small exhaust gas mass flows and providing a bypass line, with which increasing exhaust gas mass flow increasingly exhaust gas is passed to the high-pressure turbine. For this purpose, the bypass line branches off from the exhaust-gas removal system upstream of the high-pressure turbine and flows back into the exhaust-gas removal system upstream of the low-pressure turbine, wherein a shut-off element is arranged in the bypass line in order to control the exhaust gas flow conducted past the high-pressure turbine.
Das Downsizing wird durch eine mehrstufige Aufladung mittels Abgasturboladern weiter fortgeführt. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung, da die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist und sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.The downsizing is continued by a multi-stage turbocharger charge. Furthermore, the response of such a supercharged internal combustion engine is significantly improved over a comparable internal combustion engine with single-stage charging, since the smaller high-pressure stage is less sluggish and can accelerate the running gear of a smaller sized exhaust gas turbocharger faster.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may be further characterized by a plurality of turbochargers arranged in parallel, i. H. be improved by a plurality of parallel turbines with a smaller turbine cross-section, with turbines are switched successively with increasing exhaust gas.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine feste Turbinengeometrie aufweist. Eine feste Turbinengeometrie ist kostengünstig. Für eine befriedigende Drehmomentcharakteristik kann es sinnvoll sein, die Turbine als Waste-Gate-Turbine auszuführen.Embodiments of the internal combustion engine in which the turbine of the at least one exhaust-gas turbocharger has a fixed turbine geometry are advantageous. A solid turbine geometry is inexpensive. For a satisfactory torque characteristic, it may be useful to run the turbine as a waste gate turbine.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist. Embodiments of the internal combustion engine in which the turbine of the at least one exhaust gas turbocharger has a variable turbine geometry are also advantageous.
Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bzw. an den momentanen Abgasmassenstrom. Dabei sind stromaufwärts des Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.A variable turbine geometry increases the flexibility of charging. It allows a stepless adjustment of the turbine geometry to the respective operating point of the internal combustion engine or to the current exhaust gas mass flow. In this case, upstream of the impeller of the turbine vanes for influencing the flow direction are arranged. Unlike the blades of the rotating impeller, the vanes do not rotate with the shaft of the turbine, i. H. the impeller. Although the guide vanes are arranged stationary, but not completely immobile, but rotatable about its axis, so that the flow of the blades can be influenced.
Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert, soweit überhaupt Leitschaufeln vorgesehen sind bzw. eine Leiteinrichtung vorgesehen ist.On the other hand, if a turbine has a fixed invariable geometry, the vanes are not only stationary but also completely immovable, i. H. rigidly fixed, as far as guide vanes are provided or a guide is provided.
Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und Verdichter mit variabler Verdichtergeometrie, auch bei sehr geringen Abgasmengen hohe Ladedrücke zu erzielen.In particular, the combination of turbine with variable turbine geometry and compressor with variable compressor geometry allows to achieve high boost pressures even with very small amounts of exhaust gas.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Verdichtergeometrie aufweist. Insbesondere wenn nur eine geringe Abgasmenge durch die Turbine geleitet wird, erweist sich eine variable Verdichtergeometrie als vorteilhaft, da die Pumpgrenze des Verdichters durch Verstellen der Leitschaufeln im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben werden kann und so ein Arbeiten des Verdichters jenseits der Pumpgrenze vermieden wird. Vorteile bietet die veränderbare Verdichtergeometrie daher auch, wenn große Abgasmengen stromaufwärts der Turbine abgezweigt und zurückgeführt werden, um hohe Rückführraten zu realisieren. Verfügt die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers über eine variable Turbinengeometrie kann die variable Verdichtergeometrie auf die Turbinengeometrie kontinuierlich abgestimmt werden.Therefore, embodiments of the internal combustion engine in which the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger has a variable compressor geometry are also advantageous. In particular, if only a small amount of exhaust gas is passed through the turbine, a variable compressor geometry proves to be advantageous because the pumping limit of the compressor can be moved by adjusting the vanes in the compressor map to small compressor streams and so working the compressor is avoided beyond the surge line. The variable compressor geometry therefore also offers advantages when large amounts of exhaust gas are branched off and returned upstream of the turbine in order to achieve high return rates. If the turbine of the at least one exhaust-gas turbocharger has a variable turbine geometry, the variable compressor geometry can be continuously matched to the turbine geometry.
Bei abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschinen sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist. Dann muss der elektrisch antreibbare Verdichter die erwärmte Luft nicht durch den Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers fördern.In exhaust-gas-charged internal combustion engines, embodiments are advantageous in which the electrically drivable compressor is arranged downstream of the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger in the intake system. Then the electrically driven compressor does not have to promote the heated air through the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger.
Ist der elektrisch antreibbare Verdichter nicht stromaufwärts, sondern stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers angeordnet, kann der elektrisch antreibbare Verdichter im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung bzw. einer Aufladung als Hochdruckstufe dienen.If the electrically drivable compressor is not arranged upstream, but downstream of the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger, the electrically drivable compressor can serve as a high-pressure stage in the context of a two-stage compression or charging.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die erste Bypassleitung zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.In this connection, embodiments of the internal combustion engine in which the first bypass line between the electrically drivable compressor and the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger opens into the intake system to form the second node point are advantageous.
Bei Ausstattung der Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen stromabwärts des Ladeluftkühlers ein Sammelbehältnis für Kondensat im Ansaugsystem angeordnet ist. Das Behältnis dient dem Sammeln von Kondensat, d. h. von flüssigem Wasser, und damit auch dem Entfernen des Wassers aus dem übrigen Ansaugsystem, wodurch sich die aus der Kondensatbildung resultierende Problematik eliminieren lässt. Ausgeschiedenes Kondensat wird von der Ladeluftströmung infolge Kinetik mitgenommen und in das Sammelbehältnis abgeführt bzw. abgeschieden.In the case of equipping the internal combustion engine with a charge air cooler, embodiments are advantageous in which a collecting container for condensate in the intake system is arranged downstream of the charge air cooler. The container is for collecting condensate, d. H. of liquid water, and thus the removal of water from the rest of the intake system, which can eliminate the problems resulting from the formation of condensation. Eliminated condensate is taken from the charge air flow due to kinetics and discharged or deposited in the collecting container.
Das im Sammelbehältnis befindliche Wasser kann - wie das Wasser im Ladeluftkühler - frieren. Im Gegensatz zur Eisbildung im Ladeluftkühler sind Vereisungen im Sammelbehältnis aber unkritisch, da diese keine Blockade des Ansaugsystems verursachen können oder Beschädigungen des Sammelbehältnisses. Eisablagerungen im Sammelbehältnis können auch nicht zu einem erhöhten Druckverlust im Ansaugsystem führen. Letzteres ist insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen von Relevanz, bei denen ein Druckverlust im Ansaugsystem stromabwärts des mindestens einen Verdichters gleichbedeutend ist mit einem Ladedruckabbau bzw. Ladedruckverlust, der im Rahmen der Aufladung der Brennkraftmaschine unerwünscht ist und einer effektiven Aufladung entgegen steht. The water in the collecting tank can - like the water in the intercooler - freeze. In contrast to the formation of ice in the intercooler icing in the collection container but are not critical, since they can cause any blockage of the intake or damage to the collection container. Ice deposits in the collecting container can not lead to an increased pressure loss in the intake system. The latter is particularly relevant in supercharged internal combustion engines of relevance in which a pressure drop in the intake downstream of the at least one compressor is equivalent to a boost pressure reduction or boost pressure loss, which is undesirable in the context of charging the engine and counteracts an effective charge.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler selbstentwässernd ist, wodurch gewährleistet wird, dass sich kein Kondensat im Kühler ansammelt.Embodiments of the internal combustion engine in which the charge air cooler is self-draining are advantageous, which ensures that no condensate accumulates in the cooler.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler in der Einbauposition der Brennkraftmaschine geneigt ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Ladeluftkühler in einem Winkel angestellt, so dass ein Gefälle zwischen Eintritt und Austritt ausgebildet wird und der Transport eines Kondensats bereits im Kühler schwerkraftgetrieben unterstützt wird, um einem eventuellen Ansammeln entgegen zu wirken. Hinsichtlich des Winkels α wird dabei Bezug genommen auf eine virtuelle durch den Eintritt und den Austritt gelegte Gerade.In this context, embodiments of the internal combustion engine in which the intercooler is inclined in the installed position of the internal combustion engine are advantageous. According to this embodiment, the intercooler is set at an angle, so that a gradient between the inlet and outlet is formed and the transport of a Condensate is already gravity assisted in the cooler, to counteract any accumulation. With regard to the angle α, reference is made here to a virtual straight line set by the entry and the exit.
Ist der Ladeluftkühler selbstentwässernd, können daher auch Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen ein Eintritt in den Ladeluftkühler in der Einbauposition der Brennkraftmaschine geodätisch höher angeordnet ist als ein Austritt aus dem Ladeluftkühler.If the charge air cooler is self-draining, embodiments may therefore also be advantageous in which an entry into the charge air cooler in the installation position of the internal combustion engine is arranged at a higher geodetic level than an exit from the charge air cooler.
Diese Ausführungsform des Ladeluftkühlers stellt sicher, dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Konzepts vollumfänglich zur Geltung kommen und sich kein Kondensat im Kühler ansammelt, weil der Austritt eine größere geodätische Höhe aufweist als der Eintritt.This embodiment of the intercooler ensures that the advantages of the inventive concept are fully realized and no condensate accumulates in the radiator, because the outlet has a greater geodetic height than the entrance.
Wird die Brennkraftmaschine mittels Abgasturboaufladung aufgeladen, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter kleiner ausgelegt ist als der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers.If the internal combustion engine is charged by turbocharging, embodiments are advantageous in which the electrically driven compressor is designed smaller than the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger.
Vorteilhaft ist dies insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist und im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung als Hochdruckstufe eingesetzt werden kann. Zudem ist ein klein bzw. kleiner dimensionierter elektrischer Verdichter in der Regel ausreichend für den primären Zweck, den dieser Verdichter erfindungsgemäß hat, nämlich Luft zu erwärmen.This is advantageous in particular in embodiments in which the electrically drivable compressor is arranged downstream of the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger in the intake system and can be used as a high-pressure stage in the context of a two-stage compression. In addition, a small or smaller dimensioned electric compressor is usually sufficient for the primary purpose of this compressor according to the invention, namely to heat air.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen nur ein Abgasturbolader vorgesehen ist. Hinsichtlich der Reibleistung und des Gesamtwirkungsgrades ist es vorteilhafter, einen einzelnen Abgasturbolader anstelle mehrerer Turbolader zu verwenden, weshalb die vorstehende Ausführungsform Vorteile im Wirkungsgrad aufweist. Es ergeben sich zudem Kostenvorteile und Vorteile beim Packaging. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass der elektrisch antreibbare Verdichter grundsätzlich für eine Aufladung bereitsteht, d. h. im Bedarfsfall zugeschaltet werden kann, weshalb nur ein Abgasturbolader ausreichend sein kann.Embodiments of the internal combustion engine in which only one exhaust-gas turbocharger is provided are advantageous. With respect to the frictional power and the overall efficiency, it is more advantageous to use a single exhaust gas turbocharger instead of a plurality of turbochargers, and therefore, the above embodiment has advantages in efficiency. There are also cost advantages and advantages in packaging. It should also be noted in this context that the electrically driven compressor is basically ready for charging, d. H. can be switched on if necessary, which is why only one exhaust gas turbocharger can be sufficient.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Sensor zur messtechnischen Erfassung der Temperatur der im Ansaugsystem befindlichen Luft vorgesehen ist. Die messtechnisch erfasste Lufttemperatur kann als Eingangsgröße für eine Steuerung des in der ersten Bypassleitung vorgesehenen ersten Absperrelements und/oder der Antriebsleistung des elektrisch antreibbaren Verdichters herangezogen werden und/oder als Entscheidungskriterium dafür dienen, ob die erwärmte Luft im Ansaugsystem im Kreis gefördert wird oder dem mindestens einen Zylinder zugeführt wird.Embodiments of the internal combustion engine in which a sensor is provided for the metrological detection of the temperature of the air in the intake system are advantageous. The metrologically detected air temperature can be used as input for controlling the first shut-off element provided in the first bypass line and / or the drive power of the electrically driven compressor and / or serve as a decision criterion for whether the heated air is conveyed in the intake system in a circle or at least a cylinder is supplied.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem der elektrisch antreibbare Verdichter im Rahmen eines Kaltstarts betrieben wird, um Wärme in die durch den elektrisch antreibbaren Verdichter geförderte Luft einzutragen und damit in die im Ansaugsystem befindliche Luft.The second sub-task on which the invention is based, namely to disclose a method for starting an internal combustion engine of the type described above, is achieved by a method in which the electrically drivable compressor is operated in the course of a cold start in order to transfer heat to the compressor driven by the electric drivable compressor Enter air and thus into the air in the intake system.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.What has already been said for the internal combustion engine according to the invention also applies to the method according to the invention, which is why reference is generally made at this point to the statements made above with regard to the internal combustion engine. The various internal combustion engines sometimes require different process variants.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle und Startvorrichtung sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter aktiviert und betrieben wird, bevor die Startvorrichtung aktiviert wird, um die Kurbelwelle zwangsweise in Drehung zu versetzen. Die Erwärmung der im Ansaugsystem befindlichen Luft und des Ansaugsystems selbst mitsamt dem elektrisch antreibbaren Verdichter ist dann zumindest auch eine vorbereitende Maßnahme vor dem eigentlichen Startvorgang bzw. eine Vorbereitung des Startvorganges, bevor die Startvorrichtung die Kurbelwelle zwangsweise in Drehung versetzt.For operating an internal combustion engine with crankshaft and starting device embodiments of the method are advantageous in which the electrically driven compressor is activated and operated before the starting device is activated to forcibly set the crankshaft in rotation. The heating of the air in the intake system and the intake system itself together with the electrically driven compressor is then at least a preparatory measure before the actual starting process or a preparation of the starting process before the starting device forcibly sets the crankshaft in rotation.
Vorteilhaft sind dabei aber Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter weiter betrieben wird, während die Kurbelwelle mittels Startvorrichtung zwangsweise in Drehung versetzt wird. Der elektrisch antreibbare Verdichter wird vorliegend bereits aktiviert und betrieben, bevor die Startvorrichtung aktiviert wird, und weiter betrieben, wenn die Kurbelwelle die Kurbelwelle zwangsweise in Drehung versetzt.However, embodiments of the method in which the electrically drivable compressor continues to operate while the crankshaft is forcibly rotated by means of a starting device are advantageous. In the present case, the electrically drivable compressor is already activated and operated before the starting device is activated, and is further operated when the crankshaft forcibly rotates the crankshaft.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle und Startvorrichtung können auch Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft sein, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter aktiviert und betrieben wird, während die Kurbelwelle mittels Startvorrichtung zwangsweise in Drehung versetzt wird. Der elektrisch antreibbare Verdichter wird vorliegend erst dann aktiviert und betrieben, wenn die Startvorrichtung bereits die Kurbelwelle zwangsweise in Drehung versetzt.For operating an internal combustion engine with crankshaft and starting device and embodiments of the method may be advantageous in which the electrically driven compressor is activated and operated, while the crankshaft is forcibly set in rotation by means of starting device. In the present case, the electrically drivable compressor is only activated and operated when the starting device already forcibly sets the crankshaft in rotation.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der die erste Bypassleitung mit einem ersten Absperrelement ausgestattet ist, können Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft sein, die dadurch gekennzeichnet sind, dass ein Ladedruck im Ansaugsystem stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters sowie die dem mindestens einen Zylinder zugeführte Luftmenge eingestellt werden unter Verwendung einer Antriebsleitung des elektrisch antreibbaren Verdichters und/oder eines Öffnungsgrades des ersten Absperrelements.For operating an internal combustion engine, wherein the first bypass line with a first Embodiment of the method may be advantageous, which are characterized in that a boost pressure in the intake system downstream of the electrically driven compressor and the amount of air supplied to the at least one cylinder using a drive line of the electrically driven compressor and / or an opening degree of first shutters.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Lufttemperatur TLuft im Ansaugsystem unter Verwendung des elektrisch antreibbaren Verdichters und/oder eines Sensors und/oder des ersten Absperrelements gesteuert wird.Embodiments of the method in which the air temperature T air in the intake system is controlled using the electrically drivable compressor and / or a sensor and / or the first shut-off element are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter abgeschaltet ist, wenn bzw. sobald die Brennkraftmaschine befeuert wird.Advantageous embodiments of the method in which the electrically driven compressor is turned off when or as soon as the internal combustion engine is fired.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine und gemäß Figur 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
-
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
-
1 schematically a first embodiment of the internal combustion engine.
Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor
Der Verdichter
Diese zweite Bypassleitung
Im Ansaugsystem
Der elektrisch antreibbare Verdichter
Dadurch soll einer Aufheizung der Brennkraftmaschine
Der elektrisch antreibbare Verdichter
Der elektrisch antreibbare Verdichter
Vorliegend zweigt die erste Bypassleitung
Die erste Bypassleitung
Das erste Absperrelement
Die Brennkraftmaschine
Des Weiteren ist die Brennkraftmaschine
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- erster Zylinder, außenliegender Zylinderfirst cylinder, outboard cylinder
- 22
- zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylindersecond cylinder, internal cylinder, switchable cylinder
- 33
- dritter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinderthird cylinder, internal cylinder, switchable cylinder
- 44
- vierter Zylinder, außenliegender Zylinderfourth cylinder, outboard cylinder
- 55
- Ansaugsystemintake system
- 5a5a
- Plenumplenum
- 66
- AbgasabführsystemAbgasabführsystem
- 77
- Abgasturboladerturbocharger
- 7a7a
- Turbine des AbgasturboladersTurbine of the exhaust gas turbocharger
- 7b7b
- Verdichter des AbgasturboladersCompressor of the exhaust gas turbocharger
- 88th
- elektrisch antreibbarer Verdichterelectrically driven compressor
- 99
- erste Bypassleitungfirst bypass line
- 9a9a
- erster Knotenpunktfirst node
- 9b9b
- zweiter Knotenpunktsecond node
- 9c9c
- erstes Absperrelementfirst shut-off element
- 1010
- Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-ReihenmotorInternal combustion engine, four-cylinder in-line engine
- 1111
- LadeluftkühlerIntercooler
- 1212
- zweite Bypassleitungsecond bypass line
- 12a12a
- dritter Knotenpunktthird node
- 12b12b
- vierter Knotenpunktfourth node
- 12c12c
- zweites Absperrelementsecond shut-off element
- 1313
- AbgasrückführungExhaust gas recirculation
- 1414
- Abgasnachbehandlungssystemaftertreatment system
- 14a14a
- Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
- 14b14b
- Partikelfilterparticulate Filter
- 14c14c
- SCR-KatalysatorSCR catalyst
Claims (20)
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-
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